Имитационное моделирование долговечности бетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Имитационное моделирование долговечности бетона

Выполнил:

Троян Вячеслав Васильевич

Современный уровень развития информационных технологий позволяет моделировать физико-механические свойства бетонов как функцию их внутреннего строения и внешних факторов в заданных условиях эксплуатации конструкций, определить наиболее эффективную структуру, а также оценить долговечность бетона без длительных экспериментов. Описание многоуровневых цементных систем возможно за счет применения структурно-имитационного моделирования методом конечных элементов (МКЭ). Именно поэтому в последнее время сформировалось новое научное направление - “компьютерное материаловедение”, которое быстро развивается.

Первая структурная модель бетона, содержащая зерна заполнителя расположенного в матрице цементного камня с вычислением распределения напряжений, получила развитие в работах B.T. Ерофеева, И.И. Меркулова, М.В. Бунина и др. В развитие этого А.Н. Харитоновым предложена методология структурно-имитационного моделирования бетона, включающая наноразмерный уровень. Главные направления исследований с использованием МКЭ реализуются в форме решения интегральных уравнений, отражающих математические модели температурно-механических и электрохимических систем и процессов. При этом важной составляющей исследования долговечности является изучение и математическое описание механизма развития микротрещин, которые влияют на скорость карбонизации, перенос хлоридов и последующие процессы на поверхности арматуры, приводящие к ее коррозии.

Таким образом, целью данной работы является разработка имитационной модели долговечности бетона путем комплексной оценки воздействия на бетон агрессивной среды, климатических факторов с учетом характера его пористости, и параметров трещинообразования.

Имитационная модель долговечности бетона.

В общем случае предлагаемая имитационная модель долговечности бетона задается граничными условиями, которые определяются геометрией бетонной конструкции или ее части и предусматривает три иерархических уровня. На микроуровне, в качестве структурного параметра пригодного для моделирования МКЭ предлагается использование эффективной пористости бетона. Под эффективной пористостью П_Е понимается часть открытых капиллярных пор и микротрещин бетона, в которых в реальных климатических условиях вода находится в «свободном» состоянии, то есть может переходить в лед при сезонном замораживании, удаляться при высыхании и насыщать поры при сезонном увлажнении бетона. Мезауровень имитационной модели предусматривает моделирование МКЭ образования и развития термических и усадочных трещин в бетоне с использованием положений теории механики разрушения.

Макроуровень имитационной модели предусматривает моделирование МКЭ коррозии защитного слоя бетона, основываясь на законах диффузии с учетом изменения граничных условий при образовании трещин. Решение МКЭ иерархической имитационной модели долговечности бетона предусматривает моделирование термонапряженного состояния бетона и реальных климатических воздействий на конструкцию, результатом чего является прогнозируемая глубина деструкции бетона конструкции в течение проектного срока эксплуатации.

а) микроуровень б) мезоуровень

в) макроуровень

Рис. 1. Структурно-имитационная модель долговечности бетона

а) - эффективная пористость бетона;

б) - образование и развитие трещин в бетоне;

в) - коррозия бетона в результате внешних воздействий

Морозостойкость бетона при моделировании рассматривали как накопление повреждений, вызванных циклами объемных деформаций бетона вследствие замерзания в его порах льда до начала разрушения бетона. Поскольку циклы замораживания-оттаивания в реальных условиях происходят в широком спектре температур окружающей среды и сопровождаются образованием в порах бетона разного количества льда, при моделировании весь спектр возможных циклов замораживания-оттаивания бетона аналитически сводили к эквивалентному по разрушительному действию количеству циклов с замораживанием до минус 18 ± 2 °С, путем учета количества льда образующегося в порах по сечению бетона конструкции при различных температурах (рис.2).

Рис. 2. Образование (оттаивание) льда в зависимости от температуры и прогнозируемая морозостойкость бетона

Для моделирования образования и развития трещин в бетоне была использована классическая модель Гриффитса-Ирвина. Параметры раскрытия трещин получали путем подбора параметров трещинообразования, при которых напряжение в системе минимальны или не приводят к дальнейшему развитию трещин (рис.3).

Рис. 3. Напряжение в поверхностном слое бетона в зависимости от глубины трещин

Условие начала роста трещины формулировались как достижение коэффициентом интенсивности напряжений (КИН) в ее вершине критического значения K_ic c (рис. 4,а). Соответственно условием прекращения роста трещины принимали снижение КИН в ее вершине ниже K_ic. Анализ ширины раскрытия трещин (рис. 4,б) свидетельствует о их стабилизации на уровне 0,033 - 0,055 мм.

Рис. 4. КИН (а) и ширина раскрытия трещин (б) в зависимости от их глубины и шага трещинообразования

Повышение температуры бетона в результате саморазогрева при твердении или воздействия солнечной радиации, приводит к повышению парциального давления паров воды, вызывает ускорение диффузии воды из пор бетона в окружающую среду и ускоряет процессы усадки бетона. При таких условиях КИН в вершине трещин может превышать критическое значение K_ic, при этом возможно образование трещин глубиной 8-14 см, с шириной раскрытия 0,035-0,06 мм. Таким образом, суммарная ширина раскрытия трещин вследствие термонапряженного состояния и усадки бетона может превышать 0,1 мм при их глубине более 100 мм. Глубина и ширина раскрытия трещин существенно влияет на глубину карбонизации защитного слоя бетона. В результате расчетов по модели было установлено увеличение глубины карбонизации защитного слоя бетона с увеличением глубины трещин. В условиях экспозиционного класса ХС4, в трещинах 0,2-0,3 мм фронт карбонизации может достигать поверхности арматуры через 50 лет эксплуатации, с последующей коррозией стали (рис. 5). Фронт карбонизации в трещинах шириной до 0,1 мм достигает поверхности арматуры через 100 лет эксплуатации (рис. 5).

Рис. 5. Изменение рН защитного слоя бетона нормальной проницаемости в зависимости от ширины раскрытия трещин

Таким образом, при прогнозировании долговечности бетона комплексная оценка воздействия на бетон агрессивной среды, климатических факторов, с учетом характера поровой структуры бетона, наличия и параметров микротрещин возможна путем построения иерархической имитационной модели и ее решение МКЭ. Универсальность законов диффузии описывающих процессы коррозии бетона обуславливает возможность использования имитационного моделирования при прогнозировании долговечности бетона при воздействии различных агрессивных сред. Изменение граничных условий в результате прогрессирующего трещинообразования требует формулировки нелинейной задачи для МКЭ или ряда линейных задач с различными граничными условиями, отражающими динамику процесса.

Библиографический список

бетон морозостойкость трещиностойкость карбонизация

1. Кондращенко В.И. Оптимизация составов и технологических параметров получения изделий брускового типа методами компьютерного материаловедения / Кондращенко В.И. // Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.23.05. М., 2005. - 48 с.

2. Соломатов В.И. Развитие полиструктурной теории композиционных строительных материалов Текст. / В.И. Соломатов // Известия вузов. Архитектура и строительство. -1985. № 8. - С. 44-53.

3. Баженов Ю.М. Основные подходы к компьютерному материаловедению строительных композитных материалов Текст. / Ю.М. Баженов, В.А. Воробьёв, А.В. Илюхин // Строительные материалы. Наука. 2006. - № 7. - С. 2-4.

4. Wittmann F.H. Simulation and analysis of composite structures Text. / F.H. Wittmann, P.E. Roelfstra, H. Sadouki// Material Science Engineering. 1984. - № 68.-P. 239-248.

5. Метод численного моделирования для исследования механики разрушения бетонов и изделий на их основе Текст. / В.Т. Ерофеев, И.И. Меркулов, А.И. Меркулов, Е.А. Митина, П.С. Ерофеев // Строительные материалы. 2006. - № 4. - С. 72-75.

6. Методика оптимизации композиционных строительных материалов с использованием метода конечных элементов / В.Т. Ерофеев, И.И. Меркулов, А.И. Меркулов, П.С. Ерофеев // Моделирование и оптимизация в материаловедении - МОК'45: сб. науч. работ. - Одесса: Изд-во «Астропринт», 2006. - С. 22.

7. Бунин М.В. Структура и механические свойства дорожных цементных бетонов Текст. / М.В. Бунин, И.М. Грушко, А.Г. Ильин// Харьков, ХГУ, 1968. -- 321 с.

Размещено на Allbest.ru