Коноваленко И.С. Шилько Е.В. Коноваленко И.С.
Исследование зависимости механических свойств и характера разрушения водонасыщенного высокопрочного бетона при сжатии от параметров его поровой структуры
Докладчик: Коноваленко И.С.
В настоящее время значительная часть строительных конструкций, работающих в постоянном контакте с водой, в том числе опоры платформ, различные портовые сооружения, изготавливается из высокопрочных бетонов. В условиях длительного пребывания в воде поровое пространство бетона, характеризующееся наличием пор двух различных масштабов (микроскопического и капиллярного), как правило, полностью заполнено водой. Поровая вода считается ответственной за многочисленные явления преждевременного разрушения бетонных элементов при нагрузках существенно меньших, чем предельно допустимые для конструкций из сухого бетона. Отметим, что данный эффект имеет место не только для бетонов, длительное время пребывающих в контакте с водой и подвергающихся ее разрушающему физико-химическому действию, но и для образцов и элементов конструкций, находящихся в воде ограниченное время, недостаточное для деградации твердофазного каркаса.
В связи со сказанным актуальным является исследовать механическое влияние поровой воды на напряженное состояние и прочность водонасыщенного бетона и, в частности, проанализировать взаимосвязь параметров его поровой структуры и характеристик механического поведения. Такие исследования являются особенно актуальными для прогнозирования механических характеристик бетонов в условиях динамического нагружения, когда характерные времена изменения напряженного состояния каркаса при нагружении сопоставимы с характерными временами перераспределения флюида в поровом пространстве бетона. Поскольку экспериментально определить механический вклад флюида в поровом пространстве каждого из масштабных уровней в макроскопическое напряженно-деформированное состояние бетона крайне сложно, данная задача решалась путем компьютерного моделирования. В качестве эффективного метода моделирования, позволяющего непосредственно изучать процессы локализованного и множественного накопления повреждений и роста трещин, применялся гибридный численный метод – гибридный метод подвижных клеточных автоматов. Данный метод совмещает преимущества метода частиц (в формулировке дискретных элементов) и метода сеток и позволяет моделировать поведение контрастных (пористых флюидонасыщенных) материалов с многоуровневой поровой структурой.
В рамках данного метода развита двухмасштабная структурно-механическая модель насыщенного жидкостью тяжелого бетона, явно учитывающая наличие хрупких высокопрочных армирующих включений (агрегатов базальта) и поровой сети двух различных масштабов (сообщающихся микропор характерных размеров сотни микрометров и капиллярных пор характерных размеров менее микрометра) в цементном камне. Развитая компьютерная модель учитывает механическое взаимовлияние твердофазного каркаса бетона и порового флюида на основе модели пороупругости Био и с использованием эффективных напряжений Терцаги.
С использованием данной модели проведены исследования зависимости механических характеристик и характера разрушения представительных мезомасштабных объемов флюидонасыщенного бетона при одноосном сжатии от структурных параметров (включая параметры поровой структуры) и скорости нагружения.
Результаты моделирования показали, в частности, что величина прочности тяжелых водонасыщенных бетонов определяется отношением скоростей деформации твердофазного каркаса и фильтрации поровой жидкости. Установлено, что в качестве численного безразмерного параметра, характеризующего данное отношение, может быть использован аналог числа Дарси. Получен типичный вид зависимости прочности от аналога числа Дарси, который имеет логистический профиль и с хорошей точностью аппроксимируется сигмоидальной функцией с показателем степени, близким к 2.
Показано, что при малых значениях числа Дарси (в частности, при низких скоростях нагружения) величина прочности бетона определяется, главным образом, характеристиками микропористости. С увеличением числа Дарси (например, в результате увеличения скорости нагружения) поровая жидкость не успевает перераспределяться в сети капиллярных каналов, и величина прочности определяется параметрами этой поровой сети более низкого масштаба (удельным объемом и характерной проницаемостью). Важнейшим результатом исследования является установление того факта, что пористость каждого пространственного масштаба вносит ключевой вклад в механические характеристики бетонов в определенном интервале условий, однозначно характеризуемом соответствующим интервалом числа Дарси.
Работа выполнена в рамках интеграционного проекта «Развитие дискретного подхода к микромасштабному описанию разрушения поверхностных слоев высокопрочных бетонов в условиях механического нагружения морскими льдами» Программы Президиума РАН I.16 «Развитие физико-химической механики поверхностных явлений как фундаментальной основы для разработки современных конструкций и технологий».
К списку докладов