Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 12
1.1. Морозная деструкция бетона и железобетона 12
1.1.1. Понятие морозостойкости бетона 12
1.1.2. Строение цементного бетона как композиционного материала 13
1.1.3. Льдообразование в бетоне 20
1.1.4. Теоретические представления о причинах разрушения бетона под влиянием попеременного замораживания и оттаивания 22
1.1.5. Характер разрушения бетона при морозной деструкции 25
1.2. Существующие способы определения и контроля морозостойкости
бетонов 27
1.2.1 Стандартные методы испытаний 28
1.2.2. Методы ускоренного контроля морозостойкости 31
1.3. Цели и задачи исследования 38
Глава 2. Физико-математическое моделирование процессов замораживания-оттаивания бетонов 40
2.1. Анализ моделей, описывающих коррозию бетона 40
2.2. Физико-математическая модель процесса циклического замораживания бетона 50
2.3. Условные обозначения 57
2.4. Уравнения задачи 59
2.4.1. Основные уравнения, описывающие процесс циклического замораживания бетона 59 .
2.4.2. Решение задачи с использованием метода малого параметра 63
2.4.3. Применение принципа Дюгамеля 64
Глава 3. Численное моделирование процессов циклического замораживания и оттаивания бетонов 66
3.1, Одномерная задача о промерзании бетона 66
3.2, Алгоритм расчета 67
3.2.1. Энергетический баланс внутри ячейки 67
3.2.2. Численное решение задачи 72
3.2.3.Анализ полученных результатов 72
3.3, Трехмерная задача о промерзании бетонного куба 78
3.3.1. Постановка задачи, уравнения и блок-схема 78
3.3.2. Влияние геометрии образцов бетона на кинетику промерзания и оттаивания 82
3.3.3. Влияние геометрии на потоки тепла и воды 83
3.3.4. Потоки тепла в трёхмерной задаче определяется следующим образом 85
Глава 4. Результаты моделирования процессов замораживания-оттаивания бетона . 88
4.1. Исследование влияния параметров бетона и компьютерного моделирования 88
4.2. Ускорение метода расчета 97
4.3. Условия образования в бетоне области «вечной мерзлоты» 101
4.4. Выводы по главе 4 104
Глава 5. Прогнозирование морозостойкости бетонов 106
5.1. Подбор состава бетонов на требуемую морозостойкость 106
5.1.1. Существующие методы подбора состава бетонов 106
5.1.2. Способ подбора состава тяжёлых цементных бетонов по методу МИИТа
5.2. Материалы, оборудование и методики, принятые в исследованиях 116
5.2.1. Материалы используемые в экспериментальных исследованиях 116
5.2.2. Используемое оборудование 118
5.3. Исследование свойств бетонных смесей и бетонов 120
5.4. Расчет экономии от использования ускоренного прогнозирования морозостойкости бетонов 125
5.4.1. Экономия оплаты труда рабочих и служащих 125
5.4.2. Экономия на работе холодильных установок 125
5.4.3. Экономический эффект от предотвращения появления брака 126
Основные выводы 127
Список использованных источников 129
Приложения 146
- Морозная деструкция бетона и железобетона
- Физико-математическая модель процесса циклического замораживания бетона
- Одномерная задача о промерзании бетона
- Исследование влияния параметров бетона и компьютерного моделирования
Введение к работе
Бетон и железобетон в настоящее время являются основными несущими строительными материалами, следовательно, материальный ущерб от устранения повреждений или восстановления поврежденных бетонных и железобетонных конструкций является также значительным. Взаимодействие бетонов с окружающей средой приводит к возникновению и развитию в них деструктивных процессов, и как следствие, к ограничению срока службы зданий и сооружений.
Большие разрушения бетонов вызывает морозная деструкция, являющаяся следствием недостаточной морозостойкости.
Морозостойкость во многом определяет долговечность бетонных и железобетонных конструкций и сооружений, и является причиной их преждевременного разрушения. Изучение и прогнозирование морозостойкости является актуальным и необходимым.
Морозостойкость бетонов, являясь одним из основных факторов, обеспечивающих высокую долговечность и работопригодность сооружений, также нуждается в постоянном изучении и корректировке нормативных требований к ней.
В настоящее время бетоны рассматриваются как композиционные материалы, имеющие капиллярно-пористое строение.
Все решения по предотвращению морозной деструкции бетона или ее существенному замедлению являются дорогостоящими, трудоемкими и не дают должного эффекта.
Поэтому, бетоны высокой морозостойкости можно получить, только решая задачу морозостойкости в комплексе и последовательно.
Во-первых, необходимо обосновано назначить проектную нормативную морозостойкость бетона будущей конструкции или сооружения.
Затем, на стадии проектирования состава бетона, необходимо оценить, возможно ли на данных составляющих бетонной смеси и имеющемся технологическом оборудовании получить требуемую морозостойкость, и, в случае необходимости, внести требуемые коррективы.
Далее необходимо подобрать состав бетона с учетом требований о морозостойкости. Если есть необходимость, то вводить в состав бетонных смесей специальные добавки или приготавливать бетон на специальных вяжущих, а также строго контролировать расход составляющих бетона и особенно его водоцементное отношение.
После укладки и качественного уплотнения бетонной смеси подобранного состава, должен быть осуществлен надлежащий уход за твердеющей бетонной смесью, обеспечивающий высокую степень гидратации цемента, и, как следствие, формирование морозостойкой структуры с необходимым объемом условно замкнутой пористости.
После набора бетоном проектной прочности, необходимо оперативно определить морозостойкость затвердевшего бетона и также, в случае необходимости, внести коррективы в его состав.
Затем, в процессе эксплуатации сооружений, необходимо регулярно оценивать морозостойкость бетона, а также осуществлять уход за ним. Это позволит повысить фактическую морозостойкость уложенного бетона.
Осуществляя все эти этапы, возможно получить бетоны заданной высокой морозостойкости, что позволит создать долговечные конструкции и сооружения, снизить затраты на ремонт и эксплуатацию, а также обеспечить их безаварийную работу.
Однако, определение морозостойкости бетонов, особенно высоких марок (F 300...400), согласно действующему ГОСТу 10060-95, требует значительного времени, что не позволяет вовремя бетонов, а главное, в случае недостаточной морозостойкости - оперативно вносить коррективы в его состав.
Надежное прогнозирование морозостойкости бетонов возможно лишь на основе теории о причинах разрушения бетона и представлений о связи морозостойкости бетонов с характеристиками их структуры, так как морозостойкость определяется суммой факторов качества сырьевых материалов, состава бетона и технологии его производства.
В связи с этим, определение морозостойкости бетонов в сжатые сроки, позволяющее избежать получения бетонов недостаточной морозостойкости и появления брака при приготовлении бетонных и железобетонных конструкций является актуальной задачей современного бетоноведения.
Целью настоящей работы является разработка способа ускоренного прогнозирования морозостойкости тяжёлых бетонов, базирующегося на современных представлениях о процессах, протекающих в бетонах при их попеременном замораживании и оттаивании.
В соответствии с поставленной целю, необходимо было решить следующие задачи:
- на основе физической модели разрушения бетонов при попеременном замораживании и оттаивании разработать математическую модель процессов, происходящих явлений;
- разработать алгоритм решения задачи попеременного замораживания бетонов;
- провести экспериментальную проверку разработанного метода ускоренного определения морозостойкости бетонов.
- разработать методику ускоренного определения морозостойкости бетонов.
Научная новизна работы
- На основе физической модели разрушения бетонов разработаны: математическая модель процессов, протекающих при попеременном замораживании и оттаивании; алгоритм решения задачи попеременного замораживания бетонов при одномерном и трёхмерном промерзании и оттаивании.
- предложенная физико-математическая модель решает ряд важных задач по оценке состояния бетона:
- оценивает теплофизическое состояние бетона;
- рассчитывает поле температур и массоперенос в бетоне; -существенно сокращает время испытаний бетонов на морозостойкость;
- определяет влияние, оказываемое различными факторами, на состояние и морозостойкость бетонов.
Практическая значимость работы
- Разработана методика ускоренного определения морозостойкости бетонов, без проведения непосредственного замораживания и оттаивания бетонных образцов;
- Получены данные о кинетике процессов, протекающих в бетонах при их циклическом замораживании (изменении влажности, температуры и давления во времени для любого участка бетона и по сечению бетона в конкретный период времени);
- Изучено влияние геометрических характеристик образцов бетона на динамику протекающих процессов при циклическом замораживании;
- Установлено влияние, оказываемое на морозостойкость бетонов таких факторов, как его толщина, проницаемость, начальное влагосодержание, временные параметры цикла замораживания-оттаивания.
Достоверность результатов работы подтверждается:
- большим числом проведенных расчетов, данные которых совпадают с результатами выполненных экспериментов;
- получением результатов, подтверждающих теоретические и экспериментальные данные, полученные другими исследователями;
- использованием аттестованных и проверенных средств измерений и оборудования
Апробация работы основные материалы диссертации представлялись и докладывались на II Международной научно-технической конференции "Экология: образование, наука, промышленность и здоровье" (Белгород, 2004), IV Международной научно-технической конференции "Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов" (Волгоград, 2005), Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2005), Всероссийской научно-практической конференции "Строительное материаловедение - теория и практика" (Москва, 2006), Международной научно -технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, ПГУАС, 2007).
Реализация результатов исследований разработанная методика ускоренного определения морозостойкости бетонов использовалась для определения морозостойкости тяжелых бетонов на Очаковском заводе железобетонных конструкций ОАО «Мосметростроя» в г.Москве.
Личный вклад соискателя работы выразился:
- в разработке математических моделей протекающих процессов;
в разработке алгоритма решения задачи попеременного замораживания бетонов при одномерном и трехмерном промерзании и оттаивании;
- в проведении расчетов и выполнении экспериментальных исследований;
- в формировании выводов и подготовке публикаций.
Публикации по теме диссертации опубликовано работ:
1. Добшиц Л.М., Портнов И.Г., Аль-Омаис Джалаль. Ускоренное определение сопротивления бетона циклическому замораживанию и оттаиванию. // журнал железнодорожный транспорт, серия Строительство. Проектирование 2004, выпуск 3-4, с 23-28.
2. Добшиц Л.М., Аль-Омаис Джалаль. Метод прогнозирования морозостойкости бетона. // Вестник БГТУ имени В.Г. Шухова. II Международная научно-техническая конференция. Экология: образование, наука, промышленность и здоровье, №8. 2004г. Часть V, с 185... 187.
3. Добшиц Л.М., Аль-Омаис Джалаль. Метод прогнозирования морозостойкости бетона. //IV Международная научно-техническая конференция. Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов. Волгоград, 12-14 мая 2005г. Част I с 229...232.
4. Добшиц Л.М., Портнов В.И., Аль-Омаис Джалаль. Математическое моделирование циклического замораживания-оттаивания в бетонных образцах. Квази-вариационный метод // Материалы международной научно технической конференции "Актуальные вопросы строительства". Саранск, Изд-во Мордовского университета, 2005. С. 285-286.
5. Добшиц Л.М., Портнов В.И., Аль-Омаис Джалаль. Характер изменения параметров и соотояния бетона при его циклическом замораживании-оттаивании. // Научные труды ОАО ЦНИИС, обеспечение качества железобетона транспортных сооружений, выпуск №236 2006г.С 78-83.
6. Добшиц Л.М., Портнов В.И., Аль-Омаис Джалаль. Результаты компьютерного эксперимента по моделированию процесса разрушения кубического образца бетона при его циклическом замораживании-оттаивании. // Всероссийская научно-практическая конференция «Строительное материаловедение - теория и практика», с 76...77.
7. Добшиц Л.М., Портнов В.И., Аль-Омаис Джалаль. Прогнозирование морозостойкости бетона с использованием метода параметрической экстраполяции. Вестник МИИТа, выпуск 15, 2006г. С 76...78.
8. Добшиц Л.М., Портнов В.И., Аль-Омаис Джалаль. Изучение влияния параметров процесса разрушения кубического образца бетона при его циклическом замораживании-оттаивании методом компьютерного моделирования. //Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. ИПК РУДН.- апрель 2007г. №1. С 89...97.
9. Добшиц Л.М., Портнов В.И., Аль-Омаис Джалаль. Прогнозирование морозостойкости бетона с использованием метода параметрической экстраполяции. // «Строительное материаловедение - теория и практика», 2006г. С 257...260.
10. Добшиц Л.М., Аль-Омаис Джалаль. Прогнозирование морозостойкости бетона / Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сборник статьи Международной научно -технической конференции. - Пенза, ПГУАС, 2007. - С. 81 ...85.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, список использованных источников и приложений.
Морозная деструкция бетона и железобетона
Для объяснения и понимания физической природы морозной деструкции цементных бетонов и причин ее вызывающих, необходимо рассмотреть структуру материала, подвергающегося такому воздействию.
В настоящее время бетоны рассматриваются как композиционные материалы, имеющие капиллярно-пористое строение. Основным материалом для приготовления бетонов является портландцемент. Бетоны на других вяжущих будут отличаться некоторыми особенностями строения цементного камня, однако основные положения о строении бетонов на портландцементе можно распространить на бетоны и на других гидравлических вяжущих.
Под структурой бетона понимается его строение на самых различных уровнях: от атомно-молекулярных структур составляющих цементного камня, до макроструктуры бетона, состоящего из цементно-песчаного раствора и зерен крупного заполнителя.
Обычно для цементных бетонов принято выделять три основных типа структур [13,97]: - микроструктура-строение цементного камня; - мезоструктура - строение цементно-песчаного раствора; - макроструктура-строение собственно бетона.
Рассмотрим связь морозостойкости бетона с характеристиками микроструктуры, количеством и качеством.
Пористость бетона обусловлена наличием пор в цементном камне, пор в самом заполнителе, пор контактной зоны между цементным камнем и заполнителем, а также процессами воздухововлечения. Поры в твердеющем цементном камне образуются испаряющейся водой. Характер этих пор предопределяется формами связи влаги с материалом. В работах [60, 101] А.В.Лыкова приведена классификация форм связи влаги с материалом.
Согласно этой классификации связь бывает химическая, физико-химическая и физико-механическая.
Химическая связь - это наиболее сильная из всех форм, нарушается она лишь при прокаливании материала.
Физико-химическая связь в бетонах проявляется, в первую очередь, как связь влаги в гидратных оболочках частиц цементного геля.
Исследования М.Ф. Казанского проведенные на термографе [80], показали, что толщина полиадсорбционного слоя составляет около двух диаметров молекул воды. Согласно исследованиям Б.В.Дерягина [34, 153], полиадсорбционный слой имеет размеры до 1,5-10см, а так как расстояние между частицами геля примерно такой же величины, то можно считать, что вода в гидратных оболочках частиц геля связана адсорбционной связью. При ее испарении образуются, так называемые, «поры геля».
Физико-механической связью с материалом обладает вода, находящаяся между агрегатами частиц геля. Эта вода носит название «капиллярной», так как удерживается в материале капиллярным давлением. При испарении воды образуются капиллярные поры, вероятный размер которых от 5-Ю до 50-10см.
Кроме вышеназванных пор в цементном камне могут существовать так называемые контракционные поры. Эти поры возникают из-за того, что абсолютный объем системы, образовавшейся при гидратации цемента, всегда меньше абсолютного объема исходной системы (цемент-вода), и при гидратации цемента происходит контракционная (химическая) усадка. Контракция не приводит к уменьшению общего объема цементного камня, в результате чего возникают контракционные поры, занимающие от 4 до 8% объема цементного камня.
Лучше всего дифференцировать поры по их происхождению, поскольку это дает возможность применения расчетного метода для определения объемов отдельных групп пор. Наиболее обстоятельная классификация пор по происхождению предложена Н.А. Мощанским [97].
По этой классификации трудно установить связь между морозостойкостью и характером пористости, так как происхождение пор не всегда определяет ее влияние на морозостойкость. Так, например, поры одной группы (тупиковые и сквозные капилляры) оказывают различное влияние на морозостойкость бетона, а поры разного происхождения (контракционные и микрокапилляры) могут быть одинаково как пассивны, так и опасны при попеременном замораживании и оттаивании бетона.
Наиболее широкое распространение получили экспериментальные методы дифференциации пористости бетонов.
Определение дифференциальной пористости методом Бехгольца Думанского [154] основано на освобождении пор, заполненных жидкостью, газом под давлением, превышающем капиллярные силы. С увеличением давления будут открываться более мелкие поры.
Во ВНИИГ им. В.Е. Веденеева разработан метод определения размера пор в цементном камне и в строительных растворах путем продавливания воздуха через цилиндрический образец при увеличении давления [37].Этим методом определяется размер пор от 1 10 до 0,05 см.
А.С.Беркман и И.Г.Мельникова использовали метод ртутной порометрии для определения пористости стеновых материалов [98,76]. Метод ртутной порометрии применялся и для исследования пористости цементного камня.
Физико-математическая модель процесса циклического замораживания бетона
На основании анализа процессов, происходящих при циклическом замораживании бетонов в различных условиях, разработана физическая модель протекающих явлений, базирующаяся на представлениях, основные положения которых изложены в [50].
Предлагаемая физическая модель основана на том, что все поры в бетоне независимо от их диаметра и причин возникновения разделяются на две группы: открытые и условно-замкнутые. К открытым относятся поры, заполняемые жидкостью при погружении в неё бетона, а к условно-замкнутым - те поры, которые и после погружения бетона в воду остаются паро-воздушной смесью. Такое деление позволяет физически ясно описать процесс циклического замораживания и создать его математическую модель. Заполнение порового пространства бетона жидкостью: а) до замораживания; б) после n-циклов замораживания
Предлагаемая модель протекающих процессов позволяет физически ясно и обоснованно описать явления, происходящие при попеременном замораживании и оттаивании бетона, оценить влияние строения бетона, технологических и эксплуатационных факторов на его морозостойкость, предложить пути и методы повышения морозостойкости бетонов.
На основании предложенной физической модели была построена математическая модель явлений, происходящих при циклическом замораживании бетона, и получены функциональные зависимости изменения его параметров в процессе попеременного замораживания.
Для математического выражения и описания процессов, происходящих при попеременном замораживании и оттаивании водонасыщенного бетона, на основании физической модели была построена математическая модель процессов, происходящих при циклическом замораживании бетона. Такая модель позволяет получать качественные функциональные зависимости изменения его параметров (температуры, влажности, возникающих давлений) при циклическом морозном воздействии и находить количественные численные решения [42,43,44,50,108].
При построении математической модели были приняты следующие допущения. Бетон рассматривается как пористая среда, все поры которой существенно неоднородны по размерам. Наряду с открытыми порами с пористостью то {то - объем открытых пор в единице объема среды; эти поры в дальнейшем будем называть просто порами) существуют условно-замкнутые - поры с пористостью mj, пронизывающих цементный камень бетона. Общая пористость т=т0+ті. Предполагается, что вода, находящаяся в микропорах, обладает особыми свойствами и не замерзает при температурах Т Т3. Величина Тз 0 зависит от диаметра микропор и может иметь значение -65С и меньше. Начальная температура среды Т0 0. В исходном состоянии открытые поры заполнены водой, а условно-замкнутые паровоздушной смесью.
Предполагается, что при заполнении водой, она может мигрировать при достаточно больших градиентах давления из одних пор в другие. Механизм заполнения микропор водой и её перемещения в процессе попеременного замораживания и оттаивания бетона связан с действием капиллярных сил и подробно рассмотрен.
В начальный момент в бетоне температура Т0 0С, в частности, То=+20С, а давление равно атмосферному. Предполагается, что процессы теплообмена между структурным каркасом бетона и содержимым пор происходит намного быстрее, чем промерзание бетона, в силу чего температура в данной точке и в данный момент времени для них одинакова. Все теплофизические характеристики, а также плотность воды и льда считаются постоянными. Цикл замораживания состоит в выдерживании водонасыщенного бетона при температуре Т0, затем замораживании его при температуре Т=-Т0 на воздухе, выдерживании его при этой температуре и последующем оттаивании при Т=Т0 в воде, после чего цикл повторяется. Такие допущения могут быть приняты в связи с тем, что они аналогичны условиям испытания бетона на морозостойкость по первому базовому методу ГОСТ 10060 - 95.
Другими допущениями и исходными данными, принятыми при выводе уравнений, являются следующие: - в начальный момент времени давление Р=ро, где -атмосферное давление, температура Т=Тп 0, влагосодержание в порах (р= ро; - замерзание воды происходит в фиксированном интервале температур (Тг.Т/); где -температура на поверхности бетона; - в области, где Тз Т2 Т Tj )=0, одновременно сосуществуют три фазы: лёд, жидкость в капиллярах и паро-воздушная смесь в порах;
Одномерная задача о промерзании бетона
Решение поставленной выше задачи возможно лишь с помощью численных методов, которые решаются в виде разностной схемы. Однако разностная схема, которая должна реализовать непрерывное движение границы раздела фаз, очень трудно осуществима на практике. Поэтому мы реализуем разностную схему в варианте, когда рассматриваемый материал разбивается на умозрительные ячейки, в каждой из которых определенное значение энергии и воды. Эти две величины соответствуют потокам тепла и воды, и, поэтому должны полностью определять состояние вещества внутри ячеек, т.е. температуры, давления и т.п. Важной особенностью такого подхода является точное решение уравнений энергетического и массового баланса на каждом расчетном шаге. Кроме того, ячейки могут иметь не 2, а 3 принципиально различных состояния: -Т 0, когда в ячейке находится только вода, -Т 0, когда в ячейке находится только лед, - Т=0, когда лед соседствует с водой.
Определение потоков тепла в бетоне учитывалось следующим образом. Во-первых, необходимо учитывать конвективный переноса тепла, то и здесь две модели дадут разные результаты. Мы будем исходить из того, что конвективный тепловой поток переносит воду температуры источника, например, поток jn-j-м задает конвективный поток тепловой поток св T„.j }„.}- „., где:
В численном расчете формулы для определения потоков воды и тепла(3.7)и(3.10)реализуются специальными подпрограммами. Блок-схема расчёта приведена на рис.3.1.Были приняты общие исходные данные для всех вариантов расчетов. Параметры, которые менялись в различных вариантах численного эксперимента, представлены таблицей 3.1.
Анализ данных, полученных при численном расчете (табл. 3.1.),показывает следующие результаты. Процессы, приводящие к разрушению бетона, сильно зависят от температурного режима на поверхности бетона. При значительно большем времени замораживания по сравнению со временем оттаивания разрушение происходит очень быстро, в то время как при равных временах необходимо больше 100 циклов лишь для двукратного повышения давления. Объясняется это тем, что при большем времени замораживания происходит образование нерастаивающего слоя льда. Это вызывает блокировку потоков воды в режиме оттаивания, и, как следствие, более быстрый рост влагосодержания. С увеличением давления его профиль (рис.3.2) приобретает характерный вид - нет ни градиента давления, ни потоков воды. Подобный профиль давления соответствует профилю влагосодержания с «провалом», т.е. наличию двух максимумов. При малых давлениях - гладкий «провал», при больших - достаточно резкий с крутыми «берегами».
С увеличением времени фазы оттаивания (при фиксированном времени цикла) время до разрушения бетона возрастает, что, видимо, так же связано с изменением времени блокировки потоков.
Вариации параметров дают следующие результаты. Уменьшение перепада температур приводит к сильному увеличению времени разрушения бетона. Увеличение продолжительности цикла приводит к увеличению времени разрушения, но при этом оно происходит за меньшее число циклов. Увеличение начального влагосодержания приводит к существенному уменьшению времени до начала разрушения бетона. [54].
На рис.3.2 изображена развертка во времени значений давления. При счёте были приняты следующие условия. Число ячеек на полуширину стены N = 50, пористость бетона m0 = 0.4, начальный градиент давления 10 = 0.05 Па/м, минимальный относительный объем воздуха бє = 0.0117, проницаемость цементного камня кБ = 10" см/с, плотность бетона рв = 2300 кг/м , удельная теплоемкость бетона сБ =1130 Дж/кг К, удельная теплопроводность бетона/1 = 1.28 Вт/м К, начальное влагосодержание по объему (ро = 0,25, начальная и конечная температура Т0 = 15С, Т2 = -15С, причем время каждой из них равно по 4 часа. Толщина бетонной стены 10 см, шаг по времени 1 сек. Время развертки - от 34,5 до 49 час.
Исследование влияния параметров бетона и компьютерного моделирования
К основным параметрам бетона, во многом определяющим его морозостойкость, относятся коэффициент проницаемости цементного камня кБ, общая пористость pi0 и начальное влагосодержание р0. К параметрам эксперимента относятся, прежде всего, размер образца L, продолжительность времен замерзания tt и оттаивания t2, а также температуры замерзания Т3 и оттаивания То.. К параметрам компьютерного эксперимента можно отнести степень дробления бетонного образца - размер минимальной условной ячейки бетона dx и время обновления массивов в процессе моделирования dt, которые являются артефактами метода. Ниже мы рассмотрим последовательно влияния перечисленных факторов [54].
В таблице 4.1. представлены данные компьютерного моделирования процесса разрушения кубического бетонного образца размером 10 х 10 х 10 см. Разбиение каждой стороны во всех случаях проводилось на 50 частей, т.е. на ячейки размером dx=0,2 мм. Время обновления массивов dt=\c. Прочерки в таблице означают, что за все время расчета (соответствующего времени больше 100 суток) разрушения не произошло. Полученные результаты свидетельствуют о следующем. Уменьшение проницаемости цементного камня приводит к увеличению времени, необходимого для разрушения бетонного образца.
Зависимость времени до разрушения бетона от константы его проницаемости становится обратно пропорциональной лишь при достаточно малых значениях kg. На рис. 4.1 показана эта зависимость в двойном логарифмическом масштабе. Видно, что при больших значениях кБ имеются существенные отклонения от обратно пропорциональной зависимости. Скорее всего, эти отклонения обусловлены задержкой, необходимой на установление температурного режима внутри образца, что приводит к тому, что точка максимального влагосодержания и давления перемещается по направлению от центра к вершине куба. В результате область, в которой реально происходит движение воды, уменьшается. Соответственно уменьшается и время разрушения образца. По-видимому, именно размер этой области имеет первостепенное влияние на время разрушения образца.
Большое влияние на скорость разрушения сказывают время замораживания и время оттаивания. На рис. 4.2. показана зависимость числа циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживает бетон размером 10 10 10 см, от времени оттаивания при неизменном времени замораживания, равным 2,5 часам. Как видно из рис. 4.2., при увеличении t2 до ti происходит резкий скачок времени разрушения образца. При дальнейшем росте t2 происходит еще большее увеличение времени разрушения [55].
В связи с тем, что в действующем ГОСТ 10060 - 95 допускается варьирование времени оттаивания, при экспериментальном определении морозостойкости возможно получение разных результатов для одних и тех же бетонов.По нашему мнению, в ГОСТ 10060 - 95 необходимо вносить коррективы, ужесточающие вариативность времени оттаивания образцов. Это позволит снизить влияние субъективных факторов на результаты экспериментального определения морозостойкости. Зависимость от времени (для последнего перед разрушением цикла) профиля температуры в бетоне показаны на рис. 4.3. Как видно из графиков, эти профили сильно зависят от соотношения между // и t2. Если они равны (рис. 4.3.а), то в центре образца образуется обширная область нулевых температур, совсем не меняющихся со временем. Для случая, когда t2 немного меньше, чем //, в центре образца образуется небольшая область нулевой температуры, за ней следует область, в которой температура может быть нулевой или отрицательной, а дальше -область, в которой температуры могут быть и положительными, и отрицательными (рис. 4.3.6). Если t2 значительно меньше чем //, то в центре формируется область отрицательных температур (рис. 4.3.в.).
Совмещение нормированных профилей температуры, влагосодержания и давления (на момент разрушения), представлены на рис. 4.4 -профили /2=2,5 (а), /2=Ь75 (б), /2=1,5 (в) и /2=4 (г). Видно, что во всех случаях, максимумы давления соответствуют прохождению температуры через 0С. Можно сказать поэтому, что вид температурного профиля имеет большое влияние на характер всего процесса.
Зависимость от времени нормированной температуры, влагосодержания и давления представлены на рис. 4.5. Время =2,5 (а), /2=1,75 (б), /2=1,5 (в) и t2= 4 (г). Из рисунка видно, что амплитуда колебаний температуры со временем уменьшается (вследствие общего увеличения теплоемкости бетона по мере насыщения его водой), а амплитуда колебаний давления растет при общем его росте. Для случая (б), когда время замораживания существенно больше времени оттаивания, виден постепенный сдвиг колебаний температуры в сторону ее уменьшения [56].
