Моделирование капиллярной усадки и трещинообразование бетона в раннем возрасте

За основу взята научная гипотеза о механизме влажностной усадки цементного камня и бетона. В качестве теоретической основы метода расчета трещиностойкости при капиллярной усадке приняты физические представления о механизме приращения объема пустотности (трещин) в модели бетона, представленной как двухуровневая структура: матрица твердеющего цементного камня с включениями и пустоты различной формы (трещины) как результат воздействий, изменяющих напряженно-деформированное состояние в точке и объеме. При теоретическом обосновании метода расчета усадочной трещиностойкости бетона с использованием подходов механики разрушения по обобщенному критерию приняты следующие допущения. Бетон рассматривается как упругая квазиоднородная двухкомпонентная среда, состоящая из: а) конструктивной части: матрицы – цементного камня со структурными элементами щебня, песка; б) деструктивной части: пустот – капилляров-трещин и пор (полостей с начальными трещинами в стенках). Пустоты в матрице и контактных зонах представлены соподчиненной пятиуровневой системой по форме и размерам, кратным диаметру, под воздействиями по достижении критических размеров, переходящие из уровня в следующий уровень по схеме: стабилизация размеров – делокализация накопления – критическая концентрация в единичном объеме – переход на следующий уровень. Процесс формирования и движения трещин рассматривается как результат несиловых воздействий на основе принципов теории трещин из условия, что в вершине каждой трещины своего уровня в каноническом объеме бетона возникают поля деформаций и напряжений, создающие схемы нормального отрыва и сдвига. В качестве обобщенной константы свойства трещиностойкости бетона во времени, его сопротивления образованию, накоплению в объемах микротрещин и формированию магистральных трещин критических величин принят параметр Ксij(t) как алгебраическая сумма критических значений Kij во всей системе всех уровней трещин-пустот, заполняющих канонический объем до критической концентрации. Внешние температурные, влажностные длительные воздействия создают поля напряжений в вершинах пустот – трещин. Процессы разрушения бетона трещинами рассматриваются как обобщенное напряженно-деформированное состояние в некотором каноническом объеме, обладающем физическими особенностями, присущими композиту с прочностными и деформативными свойствами. Аналитические расчеты для оценки напряженного состояния и трещиностойкости бетона в раннем возрасте на основе обобщенного критерия в терминах коэффициентов интенсивности напряжений возможно реализовать благодаря современным экспериментальным данным о величине капиллярного давления (70 кПа через 180 мин после укладки). Разработанный алгоритм расчета позволяет учесть влияющие на капиллярное давление факторы: вид цемента, модификаторы и минеральные добавки, условия выдерживания бетона.

1. Kaprielov S., Sheynfeld A., Kardumian H., Dondukov V. (2006) Characteristics of the Structure and Properties of High-Strength Concrete, Containing Multicomponent Modifiers Including Silica Fume, Fly Ash and Metakaolin. 16 International Baustofftagung (IBAUSIL). Weimar, Deutschland, Vol. 2, 77–84.

2. Slavcheva G. S., Chernyshov E. M., Kim L. V. Moist Shrinkage of the Modified Cement Stone in the COurse of Early Dehydration and After Aging // Modern Technologies and Development of Political Education: Far East Federal Un-t, on Sept. 19–23, 2016. Vladivostok, 2016.

3. Yang Y., Sato R., Kawai K. (2005) Autogenous Shrinkage of High-Strength Concrete Containing Silica Fume under Drying at Early Ages. Cement and Concrete Research, 35 (3), 449–456. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2004.06.006.

4. Zhutovsky S., Kovler K. (2012) Effect of Internal Curing on Durability-Relared Properties of High Performance Concrete. Cement and Concrete Research, 42 (1), 20–26. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2011.07.012.

5. Aïtcin P. C. (2003) The Durability Characteristics of High Performance Concrete: a Review. Cement & Concrete Composites, 25 (4–5), 409–420. https://doi.org/10.1016/s0958-9465(02)00081-1.

6. Ayano T., Wittman F. (2002) Drying, Moisture Distribution, and Shrinkage of Cementbased Materials. Materials and Structures, 35 (247), 134–140. https://doi.org/10.1617/13693.

7. European Standard EN 197-1. Cement – Part 1: Composition, Specifications and Conformity Criteria for Common Cements. European Commission for Standardization (CEN), 2000. 33.

8. State Standard 24544–81. Concrete. Methods of Definition of Deformations of Shrinkage and Creep. Moscow, Publishing House of Standards, 1982. 26 (in Russian).

9. ASTM C157/C157M-08 Standard Test Method for Length Change of Hardened Hydraulic-Cement Mortar and Concrete. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2008. 7.

10. Slowik V., Schmidt M., Fritzsch R. (2008) Capillary Pressure in Fresh Cement Based Materials and Identification of the Air Entry Value. Cement & Concrete Composites, 30 (7), 557– 565. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2008.03.002.

11. Flatt R. J. (1999) Interparticle Forces and Superplasticisers in Cement Suspensions’. PhD Thesis No 2040, EPFL. Lausanne, Switzerland. Available at: https://www.re searchgate.net/publication/37412786_Interparticle_Forces_and_Superplasticizers_in_Cement_Suspensions.

12. Flatt R. J. (2004) Dispersion Forces in Cement Suspensions’. Cement and Concrete Research, 34 (3), 399–408. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2003.08.019.

13. Flatt R. J. (2004) Towards a Prediction of Superplasticized Concrete Rheology. Materials and Structures, 37 (269), 289–300. https://doi.org/10.1617/14088.

14. Schmidt M., Slowik V. (2013) Capillary Pressure-Controlled Concrete Curing in Pavement Construction. Proceedings of 2013 Airfield and Highway Pavement Conference. June 9–12, 2013, Los Angeles, California, USA. American Society of Civil Engineers, 295–306. https://doi.org/10. 1061/9780784413005.023.

15. Schmidt M., Slowik V. (2013) Instrumentation for Optimizing Concrete Curing. Concrete International, 35 (8), 60–64.

16. Slowik V., Schmidt M., Kässler D., Eiserbeck M. (2014) Capillary Pressure Monitoring in Plastic Concrete for Controlling Early-Age Shrinkage Cracking. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2441 (1), 1–5. https://doi.org/10.3141/2441-01.

17. Irwin G. R. (1957) Analysis of Stresses and Strains Near the End of a Crack Traversing Plate. Journal of Applied Mechanics, 24 (3), 361–364.

18. Sih G. C. (1973) Handbook of Stress Intensity Factors. Vol. 1. Bethlehem, Lehigh University Press. 420.

19. Cherepanov G. P. (1974) Mechanics of Fragile Destruction. Moscow, Nauka Publ., 1974. 640 (in Russian).

20. Panasyuk V. V. (1968) Extreme Balance of Brittle Bodies with Cracks. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1968. 246 (in Russian).

21. Panasyuk V. V., Savruk L. S., Datsyshin A. P. (1976) Distribution of Tension About Cracks in Plates and Covers. Kiev, Naukova Dumka Publ. 246 (in Russian).

22. Savruk M. P. (1981) Two-Dimensional Problems of Elasticity for Bodies with Cracks. Kiev, Naukova Dumka. 324 (in Russian).

23. Savruk M. P. (1988) Coefficients of Intensity of Tension in Bodies with Cracks. Kiev, Naukova Dumka. 620 (in Russian).

24. Tada H., Paris P. C., Irwin G. R. (1973) The Stress Analysis of Cracks. Hellrtown, Del Research Corp. 385.

25. Hartranft R. J., Sih G. C. (1973) Alternating Method Applied to Edge and Surface Crack Problems. Methods of Analysis and Solutions of Crack Problems. Leyden, Noord Hoff INTERN. Publ., 179–238. https://doi.org/10.1007/97894-017-2260-5_4.