CC BY
0
Научная статья УДК 691-4 EDN: AUPTFO
DOI: 10.21285/2227-2917-2023-3-538-544
Анализ вероятных последствий морозной деструкции цементных композитов
Б.И. Пинус
Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия
Аннотация. Статья посвящена анализу изменений внутреннего сопротивления обычных и фиб-роармированных цементных композитов при нестационарных низкотемпературных и влажност-ных воздействиях. Рассмотрена в различных аспектах кинетика поведения в режиме монотонного сжатия призматических образцов: контрольных и подвергнутых циклическому замораживанию и оттаиванию уровня их нормативной морозостойкости. Опытные образцы (100 х 100 х 400 мм) изготовлены из обычного (серия «Б») и фиброармированного - «ФБ» (полипропиленовые волокна df = 0,8 мм и If = 40 мм, уf = 1,5 % по объему) бетона с соотношением компонентов Ц:П:Щ:В = 1:1,42:3,57:0,55. Принятая база циклов T-W соответствовала стандартной марке бетонов по морозостойкости, установленной в контрольных испытаниях (F200). Статическим испытаниям композитов предшествовали низкотемпературные воздействия по регламенту ускоренного метода оценки морозостойкости с понижением температуры до -35 °С и оттаиванием в 5%-м растворе NaCI. Нагружение (испытательный комплекс Instron-5989) велось в автоматическом режиме по специальной программе с постоянством скорости деформирования 5 • 10-5 мм/с и непрерывной записью деформаций. Установлены существенные различия кинетики прочности, величины и структуры деформации, высокая чувствительность и количественная информативность значимых параметров кинетической концепции прочности твердых тел. Обоснована целесообразность дифференцированного, с учетом эксплуатационных требований подхода к выбору расчетных моделей и критериев температурно-влажностной трансформации цементно-матричных композитов.
Ключевые слова: усталостные изменения, цементные композиты, T-W воздействия
Для цитирования: Пинус Б.И. Анализ вероятных последствий морозной деструкции цементных композитов // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2023. Т. 13. № 3. С. 538-544. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2023-3-538-544. EDN: AUPTFO.
Original article
Analysis of probable consequences of cement composite frost destruction
Boris I. Pinus
Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia
Abstract. The article presents an analysis of variations in the internal resistance of standard and fiber-reinforced cement composites under non-stationary low-temperature and humidity effects. Various aspects of the response kinetics of prismatic samples in the monotonous compression mode are considered. The sample set included control samples and those subjected to cyclic freezing and thawing according to their standard frost resistance. Test samples (100 х 100 х 400 mm) were made of conventional (B series) and fiber-reinforced (FB, polypropylene fibers df = 0.8 mm, If = 40 mm, yf = 1.5 vol%) concrete with a component ratio of cement: sand: crushed stone: water = 1:1.42:3.57:0.55. The accepted base of T-W cycles corresponded to the standard concrete grade in terms of frost resistance, established in control tests (F200). Static tests of composites were preceded by low-temperature exposures according to an accelerated method for assessing frost resistance with a temperature decrease down to minus 35° and thawing in a 5% NaCl solution. Samples were automatically loaded (Instron 5989 test complex) according to a special program with a constant
© Пинус Б.И., 2023
Том 13 № 3 2023
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 538-544 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 13 No. 3 2023 _pp. 538-544
ISSN 2227-2917
C^Q (print)
538 ISSN 2500-154X (online)
deformation rate of 510-5 mm/s and continuous recording of deformations. Significant differences were observed in the strength kinetics, magnitude and structure of deformations, along with a high sensitivity and quantitative informativeness of the significant parameters of the strength kinetic concept for solid bodies. The expediency of a differentiated approach to the selection of calculation models and criteria for the temperature and humidity transformations of cement-matrix composites, which takes operational requirements into account, is substantiated.
Keywords: fatigue changes, cement composites, T-W impacts
For citation: Pinus B.I. Analysis of probable consequences of cement composite frost destruction. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2023;13(3):538-544. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/2227-2917-2023-3-538-544. EDN: AUPTFO.
ВВЕДЕНИЕ
По современным научным представлениям взаимодействие строительных конструкций и внешней среды представляет собой временной, нестационарный процесс структурной трансформации с кумулятивными изменениями отклика и вероятностью параметрического отказа [1-5]. Учет подобных последствий при проектировании, очевидно возможен с использованием специализированных расчетных схем, моделирующих взаимосвязь (взаимозависимость!) критериальных параметров воздействия и напряженно-деформационного состояния конструкций. Несомненно, что расчетные ситуации должны отражать специфику воздействий и физические закономерности инициируемых процессов.
В частности, для суровых климатических условий эксплуатации железобетонных конструкций, характеризующихся системными нестационарными перепадами температур и влажности, она сопряжена с фазовыми переходами «вода-лед», термической и жесткост-ной неоднородностью структурных компонентов. При этом наличие гистерезисных эффектов в циклах «замораживания - оттаивания» свидетельствует о необратимости части сопутствующих структурных изменений и позволяет оценивать (анализировать) их последствия с позиции малоцикловой усталости [6-10].
Как известно [11-15], принципиальной особенностью усталостной деградации це-ментно-матричных композитов является ее физическая неоднородность, состоящая в многостадийности процесса повреждаемости в виде зарождения, накопления микротрещин вплоть до формирования доминантных (критических) трещин разрушения.
При этом каждому этапу структурной трансформации соответствует неоднозначная (не тождественная!) кинетика значимых параметров внутреннего сопротивления. Это обуславливает необходимость специализации
расчетных ситуаций и ранжирования критериев усталостного сопротивления с учетом рассматриваемых требований эксплуатационной пригодности.
Ниже представлены результаты экспериментальных исследований чувствительности и информативности различных параметров внутреннего сопротивления обычных и фиб-роармированных цементных композитов, подвергнутых низкотемпературным воздействиям уровня их нормативной морозостойкости.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Статическим испытаниям композитов предшествовали низкотемпературные воздействия по регламенту ускоренного метода оценки морозостойкости с понижением температуры до -35 °С и оттаиванием в 5% растворе NaCl. Принятая база циклов T-W соответствовала стандартной марке бетонов по морозостойкости, установленной в контрольных испытаниях (F200). Опытные призматические образцы (100 х 100 х 400 мм) из обычного (серия «Б») и фиброармированного - «ФБ» (полипропиленовые волокна df = 0,8 мм и lf = 40 мм, уf = 1,5% по объему, изготовлены из бетона с соотношением компонентов Ц:П:Щ:В = 1:1,42:3,57:0,55.
Нагружение (испытательный комплекс In-stron-5989) велось в автоматическом режиме по специальной программе с постоянством скорости деформирования 5 • 10-5 мм/с и непрерывной записью деформаций в форме специализированной дискретно-структурной модели
£ult, 0,8 = £0 + £e + £pl + £pl,u,
где £0 - деформации начального (по О.Я. Бергу [4]) структурного отклика; £е и £pi - упругие и пластические компоненты; £pi,u - постпиковые деформации (до Quit = 0,8Rb). Одновременно производился контроль нагружения, затрачиваемого времени (t, c) на этапе изменения объема образцов, и приложенной и по-
том 13 № 3 2023 ISSN 2227-2917
с. 538-544 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) C'iQ Vol. 13 No. 3 2023 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 539 pp. 538-544_(online)_
глощеннои энергии и других параметров сопротивления.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
«Семейства» диаграмм осевого сжатия
композитов в исходном и постциклическом состояниях представлены на рис. 1, а численные значения параметров сопротивления - в табл.1.
Рис. 1. Диаграммы монотонных испытаний на сжатие Fig. 1. Diagrams of monotonous compression tests
Таблица 1. Изменение квантилей 95% обеспеченности параметров сопротивления
Пока-за-тель Размерность Серия «Б» в состоянии Серия «ФБ» в состоянии Относительные значения
исходном 3 «ЦЗ» 6 «ЦЗ» исходном 3 «ЦЗ» 6 «ЦЗ» «Б» «ФБ»
3 «ЦЗ» 6 «ЦЗ» 3 «ЦЗ» 6 «ЦЗ»
Omax МПа 29,4 29,2 25,9 26,5 26,6 20,4 0,99 0,88 1,0 0,77
Eb ГПа 12,6 15,2 7,7 10,2 18,2 7,1 1,21 0,61 1,78 0,70
t c 655 710 716 751 644 620 1,08 1,09 0,86 0,82
£0 %0 0,28 0,54 0,03 0,09 0,05 0,57 1,93 0,11 0,55 6,33
£max %0 2,21 1,06 1,89 2,36 1,41 3,21 0,48 0,83 0,60 1,36
£ult % 2,40 1,27 2,22 2,92 1,79 3,50 0,53 0,93 0,61 1,20
£е %0 1,58 0,61 1,35 1,70 1,01 2,03 0,39 0,85 0,59 1,19
£pi % 0,19 0,02 0,13 0,14 0,15 0,14 0,11 0,68 1,07 1,00
£pi,u % 0,22 0,18 0,14 0,38 0,28 0,27 0,82 0,64 0,74 0,71
Очевидны существенные изменения плотности распределения и разнонаправленность смещения диаграмм, обусловленные неоднозначностью и инверсионным характером влияния последствий, инициированных в процес-
се циклических колебаний температур и влажности. Рост прочности и модуля упругости на начальном этапе воздействий и их снижение в последующем свидетельствует о двойственном характере структурной транс-
ISSN 2227-2917
(print) ISSN 2500-154X (online)
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate
Том 13 № 3 2023
с. 538-544 Vol. 13 No. 3 2023 pp. 538-544
формации. Подобное предположение подтверждается кратным уменьшением начальных деформаций (£0) при сравнительной (сопоставительной) динамике предельных. При этом к моменту исчерпания нормативного ресурса MPЗ оба состава характеризуются сопоставимой кинетикой усталости, что указывает на временной (преходящей) характер эффективности рассматриваемого типа дисперсного армирования. Разноплановость и неоднозначность изменения при ЦЗО всех контролируемых параметров (см. табл. 1)
ОБ
ОБ
продольные деформации е х 105
ограничивает возможности их использования в качестве проектно-аналитического учета усталостной деградации при нестационарных температурно-влажностных внешних воздействиях. Представляется целесообразным дополнительный анализ поведения композитов в процессе монотонного сжатия.
В частности, по изменению динамики отклика композитов на внешнее нагружение, показателями которой являются величина и время стабилизации напряжений на единицу деформации (рис. 2).
ФБ
ФБ
продольные деформации е х 105
ОБ
ФБ
30,00 25,00 : 20,0С ; 15,00 р 10,0С 5,00 0,00
100 200 300 400 500 600
время, с
30,00 25,00 : 20,00 i 15,00 р 10,00 5,00 0,00
300 400
время, с
700
100
200
500
600
700
Рис. 2. Кинетика удельных изменений времени и напряжений при сжатии с постоянством скорости деформирования Fig. 2. Kinetics of specific changes in time and stress during compression with constant deformation rate
Примечательно, что умеренное и плавное возрастание напряжений в процессе монотонного сжатия с постоянной скоростью деформирования происходит с экстремальной изменчивостью их ступенчатых (удельных) приращений.
Это свойственно обоим опытным композитам в исходном и постциклическом состоянии и подтверждает неоднозначность последствий
структурной трансформации под нагрузкой, прикладываемой со скоростью, адекватной отклику материала. При этом их кинетика в процессе ЦЗО соответствует установленным в многочисленных исследованиях закономерностям изменений сопротивления цементных композитов. Это позволяет рассматривать ее в качестве одного из критериев морозно-цикловой усталости. Наблюдается суще-
Том 13 № 3 2023 ISSN 2227-2917
с. 538-544 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) Vol. 13 No. 3 2023 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 541 pp. 538-544_(online)_
ственное увеличение динамики прироста напряжений и времени стабилизации отклика материалов по истечении первого этапа (3 ЦЗО) морозных испытаний. При этом максимум прироста смещается в область более низких продольных деформаций, что подтверждается преимущественным ростом модуля упругости у обоих композитов. Судя по результатам испытаний, указанные явления имеют преходящий характер и к моменту исчерпания ресурса нормативной морозостойкости кинетика удельных приращений стабилизируется на сопоставимом с исходным уровне. Сохраняется экстремальность удельных откликов композитов со смещением ее максимума при пониженных уровнях деформации. Отмеченная специфика морозной трансформации цементных композитов определяет целесообразность анализа сопутствующих колебаний значимых параметров нели-
нейных моделей методов расчета прочности элементов, регламентированных в СП 63.13330.20181. Их статистически представительные значения для 3-линейных моделей состояния бетонов при осевом сжатии представлены в табл. 2 и использованы для условной комплексной оценки кинетики при «ЦЗО» внутреннего сопротивления в форме площадей соответствующих диаграмм (Б,).
Подтверждаются отмеченные ранее закономерности структурно-усталостной трансформации, в том числе, и более высокий потенциал морозоустойчивости фиброармиро-ванных композитов. В то же время, повышенная (в сравнении с показателями) изменчивость деформаций и их структуры может привести к нарушению тождественности определения несущей способности сечений конструкций по методам предельных усилий и НДМ.
Таблица 2. 95%-е квантили параметров 3-линейных деформационных моделей
Table 2. 95% quantiles of parameters of 3 linear deformation models
Параметр Размерность Серия «Б» в состоянии Серия «ФБ» в состоянии
исходном 3 «ЦЗ» 6 «ЦЗ» исходном 3 «ЦЗ» 6 «ЦЗ»
ОЫ МПа 15,9 16,0 12,2 17,6 17,5 15,5
Ob2 МПа 26,5 26,6 20,4 29,4 29,2 25,9
Eb ГПа 10,2 18,2 7,1 12,6 15,2 7,7
£b1 %0 1,56 0,88 1,75 1,4 1,15 2,1
£ьо %0 2,36 1,41 3,21 2,23 1,06 1,83
£b2 % 2,92 183 3,52 2,43 1,27 2,22
S уе. 30,9 20,5 27,6 22,9 13,6 20,7
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Экспериментально установлена высокая чувствительность и информационная представительность значимости параметров кинетической концепции прочности твердых тел для оценки последствий структурной трансформации цементных композитов при замораживании и оттаивании.
2. Неоднозначность изменения при ЦЗО прочностных и деформативных свойств бетонов (фибробетонов) предопределяет целесообразность анализа последствий для кон-
структивных элементов с использованием методологий метода предельных условий и НДМ.
3. Фиброармирование повышает усталостное сопротивление бетонов в суровых условиях с тенденцией постепенного снижения по мере исчерпания нормативного ресурса морозостойкости.
4. Целесообразны подобные многоэтапные испытания, выполненные с соблюдением тем-пературно-влажностного регламента основного метода ГОСТ 10060-20122.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Журков С.Н., Томашевский Э.Н. Некоторый проблемы прочности твердого тела. М.: Науки, 1959. 68 с.
2. Ярема С.Я. Стадийность усталостного разрушения и ее следствия // Физико-химическая механика материалов. 1973. № 6. С. 66-71.
3. Зайцев Ю.В. Моделирование деформации и прочности бетона методами механики разрушений. М.:
1СП 63.13330.2018 СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения // Минстрой России [Электронный ресурс]. URL: https://minstroyrf.gov.ru/docs/18227/ (29.01.2023). 2ГОСТ 10060-2012 Бетоны. Методы определения морозостойкости // Кодекс.ru [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200100906 (29.01.2023)
Том 13 № 3 2023
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 538-544 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 13 No. 3 2023 _pp. 538-544
ISSN 2227-2917
СЛО (Print)
542 ISSN 2500-154X (online)
Стройиздат, 1982. 196 с.
4. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М.: Госстройиздат, 1961. 96 с.
5. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая теория прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.
6. Юдин А.П., Ткаченко Т.А. Деформации и стойкость одноосно сжатого бетона при периодических температурно-влажностных воздействиях среды // Труды Ростовского инженерно-строительного института. 1976. Вып. 15. C. 16-25.
7. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. М.: Стройиздат, 1996. 416 с.
8. Sima J.F., Roca P., Molins C. Cyclic constitutive model for concrete // Engineering Structures. 2008. № 30. P.695-706.
9. Пинус Б.И., Семенов В.В., Гузеев Е.А. Предельные деформации бетонов, подвергнутых циклическому замораживанию и оттаиванию // Бетон и железобетон. 1981. № 10. С. 19-20.
10. Барашиков А.Я., Шевченко Б.Н., Валовой А.И. Малоцикловая усталость бетона при сжатии // Бетон и железобетон. 1985. № 4. С. 27-28.
11. Korneeva I.G., Pinus B.I. Deformation fatigue fibroproliferative concrete under dynamic effects. In: Contemporary Problems of Architecture and Construction. 1st Ed. London: CRC Press, 2021. 484 p. DOI: 10.1201/9781003176428.
12. Korneeva I.G., Pinus B.I. Energy aspects of low-cycle fatigue оf fibropolypropylene concrete // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety (Sochi, 6-12 September 2020). United Kingdom: IOP Publishing, 2020. P. 962. DOI: 10.1088/1757-899X/962/2/022020.
13. Sorokin E.S. On the theory of internal friction during oscillations of elastic system. Moscow: House for literature on constriction, architecture and structural mechanism. M., 1960. P. 253.
14. Li C.Y., Song Y.P. Study of residual strain of concrete under fatigue loading // Journal of Dalian University of Technology. 2001. Vol. 41. No. 3. P. 355-358.
15. Lee M.K., Barr B.I.G. An overview of the fatigue behaviour of plain and fibre reinforced concrete // Cement & Concrete Composites. 2003. N 26 (2004). P. 299-305.
REFERENCES
1. Zhurkov S.N., Tomashevsky E.N. Some problems of solid body strength. Moscow: Nauka; 1959. 68 p. (In Russ.).
2. Yarema S.Ya. Stages of fatigue failure and its consequences. Fiziko-khimicheskaya mekhanika materi-alov. 1973;6:66-71. (In Russ.).
3. Zaitsev Yu.V. Modeling of deformation and strength of concrete by methods of fracture mechanics. Moscow: Stroyizdat; 1982. 196 p. (In Russ.).
4. Berg O.Ya. Physical foundations of the theory of strength of concrete and reinforced concrete. Moscow: Gosstroizdat; 1961. 96 p. (In Russ.).
5. Regel V.R., Slutsker A.I., Tomashevsky E.E. Kinetic theory the strength of solids. Moscow: Nauka; 1974. 560 p. (In Russ.).
6. Yudin A.P., Tkachenko T.A. Deformations and resistance of uniaxially compressed concrete under periodic temperature and humidity environmental influences. Trudy Rostovskogo inzhenerno-stroitel'nogo instituta. 1976;15:16-25. (In Russ.).
7. Karpenko N.I. General models of reinforced concrete mechanics. Moscow: Stroyizdat; 1996. 416 p. (In Russ.).
8. Sima J.F., Roca P., Molins C. Cyclic constitutive model for concrete. Engineering Structures. 2008;30:695-706. (In Russ.).
9. Pinus B.I., Semenov V.V., Guzeev E.A. Limiting deformations of concretes subjected to cyclic freezing and thawing. Beton i zhelezobeton. 1981;10:19-20. (In Russ.).
10. Barashikov A.Ya., Shevchenko B.N., Valovoy A.I. Low-cycle fatigue of concrete during compression. Beton i zhelezobeton. 1985;4:27-28. (In Russ.).
11. Korneeva I.G., Pinus B.I. Deformation fatigue fibroproliferative concrete under dynamic effects. In: Contemporary Problems of Architecture and Construction. 1st Ed. London: CRC Press; 2021. 484 p. DOI: 10.1201/9781003176428.
12. Korneeva I.G., Pinus B.I. Energy aspects of low-cycle fatigue оf fibropolypropylene concrete // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety (Sochi, 6-12 September 2020). United Kingdom: IOP Publishing; 2020. P. 962. DOI: 10.1088/1757-899X/962/2/022020.
Том 13 № 3 2023 ISSN 2227-2917
с. 538-544 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) Vol. 13 No. 3 2023 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 543 pp. 538-544_(online)_
13. Sorokin E.S. On the theory of internal friction during oscillations of elastic system. Moscow: House for literature on constriction, architecture and structural mechanism. Moscow; 1960. P. 253.
14. Li C.Y., Song Y.P. Study of residual strain of concrete under fatigue loading. Journal of Dalian University of Technology. 2001;41 (3):355-358.
15. Lee M.K., Barr B.I.G. An overview of the fatigue behaviour of plain and fibre reinforced concrete. Cement & Concrete Composites. 2003;26:299-305.
Информация об авторе
Пинус Борис Израилевич,
д.т.н., профессор, профессор
кафедры строительного производства,
Иркутский национальный исследовательский
технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия,
e-mail: [email protected]
https://orcid.org/0000-0002-3067-9478
Вклад автора
Автор провел исследование, подготовил рукопись к печати и несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.
Информация о статье
Information about the author Boris I. Pinus,
Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of the Department of Construction Production, Irkutsk National Research Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia, e-mail: [email protected] https://orcid.org/0000-0002-3067-9478
Contribution of the author
Autor has conducted the study, prepared the manuscript for publication and bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The author declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
The final manuscript has been read and approved by the author.
Information about the article
Статья поступила в редакцию 15.05.2023. The article was submitted 15.05.2023.
Одобрена после рецензирования 05.06.2023. Approved after reviewing 05.06.2023.
Принята к публикации 07.06.2023. Accepted for publication 07.06.2023.
ISSN 2227-2917 Том 13 № 3 2023 елл (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 538-544 544 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 13 No. 3 2023 _(online)_pp. 538-544
