Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов
Скачать 1.47 Mb.
|
 ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г. УДК 691.554 Харитонов А.М., канд. техн. наук Петербургский государственный университет путей сообщения ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ БЕТОНА НА ОСНОВЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Вопросы прочности и деформативности бетона сохраняют свою актуальность, несмотря на многочисленные исследования в данном направлении. К настоящему время сформировано три подхода к решению задач разрушения бетона: феноменологический, статистический и структурный [1]. Феноменологические теории прочности бетона наиболее удобны для практического инженерного применения, однако гетерогенность бетона учитывается в них довольно абстрактно, что зачастую приводит к значительным ошибкам. Статистический подход также не учитывает механизма взаимодействия элементов структуры в процессе разрушения. Реальное строение материала и особенности его поведения под нагрузкой отражено в структурных теориях прочности. Однако практическое применение данного подхода ограничивается сложностью математического аппарата. На наш взгляд, одним из перспективных путей исследования и понимания процессов разрушения является применение метода конечных элементов (МКЭ) на основе твердотельного (физически и геометрически идентичного) моделирования структуры бетона на различных уровнях с учетом взаимодействия составляющих элементов и разнообразного сочетания воздействий внешних факторов. Развитие вычислительной техники в направлении увеличения мощности ЭВМ и их быстродействия обусловили широкое внедрение в расчетную практику программных комплексов, реализующих МКЭ, например, ANSYS. Современное поколение этих комплексов позволяют создавать и рассчитывать трехмерные модели с самой разнообразной геометрией с максимальной визуализацией получаемых решений. На данной вычислительной базе можно проследить кинетику разрушения материала, определить необходимые пути повышения долговечности. В случае применения МКЭ возможно объединение преимуществ структурной и феноменологической теорий прочности и деформирования бетона. С одной стороны, рассматривается структура, максимально приближенная к реальной, а с другой – локальное разрушение представлено как достижение величиной критерия прочности предельного значения в отдельной области материала. При этом трехмерное твердотельное моделирование позволяет рассматривать механизм трещинообразования при объемном процессе разрушения. Особый вопрос представляет выбор подходящего критерия локального разрушения материала. Современная теория разрушения основывается на следующих критериях: выделение упругой энергии системы при продвижении трещины, плотность энергии деформации в окрестностях вершины трещины, величина коэффициента интенсивности напряжений или модуль сцепления материала, максимальные растягивающие напряжения, величина раскрытия берегов трещин. Однако названные критерии не позволяют с полной ясностью охарактеризовать разрушение бетона, особенно при сложном напряженном состоянии [2]. При использовании МКЭ для моделирования трещинообразования в бетоне, на наш взгляд, наиболее целесообразно использование силового критерия, основанного на критерии максимальных растягивающих напряжений [3]:  , (1)где  - отношение предела прочности на растяжение к пределу прочности на сжатие;  – главные напряжения;  – характеристика "хрупкой" прочности.Исследование механизма разрушения бетона должно основываться на поуровневом моделировании структуры. Первым уровнем в наших расчетах принят уровень цементного геля с порами, расположенными в объеме случайным образом. В качестве сплошной изотропной матрицы такой модели принят цементный гель, физико-механические характеристики которого исследованы в работе [4]. На рис. 1 приведена конечно-элементная твердотельная модель цементного геля с пористостью 17,7%. Геометрия расчетных схем создавалась в программе твердотельного моделирования SolidWorks и затем передавалась в ANSYS для проведения дальнейших расчетов. Разбивка на конечные элементы произведена автоматически с использованием свободного способа разбивки, предусмотренного в ANSYS. Для моделирования работы материала «в массиве», боковые и нижняя грани куба были закреплены (запрещены линейные перемещения относительно соответствующих координат). По верхней грани прикладывалась равномерно распределенная сжимающая нагрузка. Увеличение нагрузки, приложенной к приведенной расчетной схеме, производилось в пошаговом режиме. Тем самым моделировался кинетический характер разрушения, связанный с постепенным накоплении ем дефектности структуры по мере роста нагружения. Для имитации разрушения материала использовалась функция Birth&Death («рождение» и «смерть») элементов.  Рис. 1 – Конечно-элементная модель цементного геля с порами В процессе решения в конце каждого шага производится поэлементная проверка по заданному критерию. В случае превышения критерия элементы деактивируются («убиваются»), и расчет проводится заново с сохранением напряженно-деформированного состояния, вычисленного на предыдущем шаге. На деактивируемых же элементах деформации, нагрузки и т. п. обнуляются. Следует отметить, что «смерть» элемента представляет собой умножение его матрицы жесткости на малое число (10-6), а не его физическое удаление из модели. При этом геометрическая нелинейность учитывается, а физическая – нет, что сокращает время расчета, но «огрубляет» задачу.  Рис. 2 – Распределение главных напряжений при нагрузке 30 МПа 1 – напряжения 1; 2 – напряжения 2; 3 – напряжения 3. Анализ проведенных нами расчетов по указанному критерию хрупкого разрушения позволяет сделать вывод, что процесс разрушения материала начинается вблизи пор (сверху и снизу), являющихся концентраторами напряжений. Развитие дефектности структуры (для указанных граничных условий) происходит вдоль оси приложения нагрузки (оси Y): постепенно разрушаются перемычки между порами, трещина достигает значительной величины. Таким образом, предложенная методика прогнозирование трещиностойкости бетона, как композиционного материала, позволяет учесть реальную структуру материала, влияние физико-механических характеристик элементов структуры на процессы разрушения под нагрузкой. Использование силового критерия прочности упрощает систему расчетов, делает ее применимой для оптимизации структуры за счет вариации степени упаковки и свойств включений в изотропной матрице. СПИСОК литературЫ 1. Зайцев Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушения. - М.: Стройиздат, 1982. - 196 с, ил. 2. Механика разрушений инженерных сооружений и горных массивов. Учебное пособие/ В.Г. Орехов, М.Г. Зерцалов – М.; Изд-во АСВ/ 1999. – 330 с. 3. Тарасенко И.И. О критериях хрупкой прочности материалов// Строительная механика и строительные конструкции. М.: Стройиздат, 1960. Вып. 26. С. 18-22. 4. К вопросу о самоармировании цементного камня // Тимашев В.В., Сычева А.И., Никонова Н.С., МХТИ. 92. М. 1976. УДК 666.972 Хижинкова Е.Ю, аспирант, Патрахина В.В., канд. техн. наук, Овчаренко Г.И., д-р техн. наук, профессор, Ланг А.В., Москалёв А.В., студенты Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК НА АКТИВНОСТЬ ЗОЛОПОРТЛАНДЦЕМЕНТА В Западно-Сибирском регионе как и во всей стране за последние два года стоимость цемента возросла в два и более раз, что заставляет производителей строительных материалов и конструкций искать варианты цементосбережения. Одним из эффективных путей экономии цемента в условиях заводов железобетонных изделий может являться производство золопортландцемента (ЗПЦ). Как известно, это особенно эффективно при использовании высококальциевых зол (ВКЗ). Предыдущими исследованиями в Алтайском Государственном Техническом Университете была показана такая эффективность [1] при использовании зол от сжигания углей Канско-Ачинского бассейна (КАБ). В данной публакации приводятся данные о влиянии добавок на свойства таких ЗПЦ. В работе использовались цемент Искитимского завода ПЦ 400 Д20, три пробы буроугольной золы (БУЗ) от сжигания углей КАБ на Барнаульской ТЭЦ-3 (табл 1), минеральные добавки в виде микрокремнезёма (МК) Новокузнецкого завода ферросплавов и химических соединений, в том числе ускорителя-пластификатора «Универсал-П2» Таблица 1 Характеристика сырьевых материалов
ЗПЦ готовились совместным помолом цемента, 35% буроугольной золы и 1-5 % соответствующих добавок. Помол осуществляли в стандартной лабораторной шаровой мельнице с объёмом камеры 50 литров, количеством шаровой загрузки 55 кг и измельчаемого ЗПЦ -5 кг. Энергия помола была принята 75% от энергии стандартного помола клинкера и гипсового камня на ПЦ 400 Д20. Испытания активности ЗПЦ производили в бетоне М 200 при сравнении с контрольным ПЦ. Бетон изготавливали с применением Обского песка с модулем крупности 1.25 и Верх- Катунского щебня из гравия фракции 5-20 мм. Осадка конуса бетонной смеси 3-4 см. Бетон твердел в нормальных условиях и при пропаривании по режиму 3+6+3 ч. при 65 °С. В отдельные контрольные составы вводили ускоритель-пластификатор « Универсал – П2». Как видно из рисунков 1-3, условия твердения оказывают значительное влияние на набор конечной прочности бетона различных составов. Наилучшие результаты показывают бетонные образцы на ЗПЦ с добавкой МК. Это можно объяснить тем, что МК в результате пуццолановых реакций связывает свободную известь в золе, а также как высокодисперсный компонент уплотняет структуру бетона. При введении добавки Д1 также наблюдается значительный прирост прочности, как по сравнению с бетоном на бездобавочном ЗПЦ, так и с контролем, причём с увеличением содержания добавки в вяжущем прочность повышается. Несмотря на то, что в нормальных условиях прочность бетона на чистом ЗПЦ практически не уступает контролю, при ТВО эти составы показывают снижение прочности, что более наглядно проявляется при дальнейшем твердении. Это объясняется деструктивными явлениями, возникающими в золосодержащих материалах при ускоренном твердении бетона.  1-Контроль; 2- Контроль+ УП-2; 3- 65 % ПЦ + 35% БУЗ №1; 4- 35% БУЗ №1+5% Д1; 5-35% БУЗ №1+1% Д2; 6-35% БУЗ №1+3% Д1; 7-35% БУЗ №1+5%МК; Д1,Д2-химические добавки Рисунок 1 –Прочность при сжатии бетона М 200 на ЗПЦ (БУЗ №1) в зависимости от условий твердения  1-Контроль; 2- Контроль+ УП-2; 3- 65 % ПЦ + 35% БУЗ №2; 4- 35% БУЗ №2+5%Д1; 5-35%БУЗ №2+1%Д2; 6-35%БУЗ №2+3% Д1; 7-35% БУЗ №2+5% МК; Д1,Д2-химические добавки Рисунок 2 –Прочность при сжатии бетона М 200 на ЗПЦ (БУЗ №2) в зависимости от условий твердения  1- Контроль; 2- Контроль+ УП-2; 3- 65 % ПЦ + 35% БУЗ №3; 4- 35% БУЗ №3+5%Д1; 5-35%БУЗ №3+1%Д2; 6-35%БУЗ №3+3% Д1; 7-35% БУЗ №3+5% МК; Д1,Д2-химические добавки Рисунок 3 –Прочность при сжатии бетона М 200 на ЗПЦ (БУЗ №3) в зависимости от условий твердения Таким образом, заменяя часть цемента ВКЗ, мы не только получаем более дешёвое вяжущее, но и бетон на его основе с высокими прочностными свойствами. Добавление в ЗПЦ различных химических и минеральных добавок позволяет повысить прочность бетона на 35-60%. СПИСОК литературЫ 1. Патрахина В.В. Закономерности изменения состава и свойств золоцементных вяжущих и бетонов на их основе: Автореф. дисс. канд. техн. наук. – Барнаул, АлтГТУ им И.И. Ползунова, 2000. – 21 с. УДК 666.9.043.2 Хлыстов А.И. д-р техн. наук, профессор Самарский государственный архитектурно-строительный университет Риязов Р.Т., инженер ОАО «Гидроремонт-ВКК» Павлов А.А., Петрова Е.В., магистранты Самарский государственный архитектурно-строительный университет ЭФФЕКТИВНЫЕ ЖАРОСТОЙКИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ БЕТОНЫ НА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ Для повышения эффективности работы промышленных печей и тепловых агрегатов наряду с тяжелой футеровкой необходимо еще применение огнеупорных легковесов - весьма дорогостоящих и дефицитных керамических теплоизоляционных штучных изделий с пониженной теплопроводностью. Низкая теплопроводность теплоизоляционных огнеупорных материалов обеспечивается созданием в них большого количества пор, заполненных воздухом. При изготовлении пористых огнеупорных теплоизоляционных изделий часто используются методы введения в огнеупорную массу выгорающих добавок или газообразователей. Однако для производства шамотных и диатомитовых легковесных огнеупоров со средней плотностью 400-800 кг/м3 широко используется пеноспособ, т.е. введение заранее приготовленной пены для получения пористой структуры изделия. В практике строительства жилья из ячеистых бетонов преимущество в эксплуатации имеют пенобетоны, нежели газобетоны. Основной недостаток газобетонов заключается в образующейся структуре, которая в основном состоит из сквозных пор. Пенобетонная технология, напротив, позволяет сформировать структуру материала, состоящую в основном из замкнутых пор, что положительно сказывается и на теплозащитных показателях. Целью данной работы являлась разработка технологических параметров производства теплоизоляционного жаростойкого пенобетона на базе гидравлических вяжущих: ПЦ, ШПЦ ГЦ, ВГЦ. Особенностью получения жаростойкого бетона на портландцементе является необходимость введения тонкомолотых добавок, которые связывают свободную известь. Выделение свободной извести обусловлено реакциями гидратации минералов портландцемента, главным образом, алита-трёхкальциевого силиката (3CaO·SiO2). Выделяющаяся при твердении свободная известь может гаситься влагой воздуха при нагреве, в результате чего происходят увеличение объёма, нарушение структуры и разрушение цементного камня. В качестве тонкомолотых добавок используют в основном огнеупорные материалы, содержащие достаточное количество кремнезема SiO2, глинозёма Al2O3, оксида хрома Сr2O3, которые взаимодействуют с гидрооксидом кальция. К ним относятся: шамот, хромит, огнеупорная глина, гранулированный доменный шлак, пемза, артикский туф, лессовидный суглинок, зола-унос, керамзит, диатомит и другие. Уже при твердении портландцемента активная гидравлическая добавка (микронаполнитель) частично связывает гидрооксид кальция и переводит его в гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. При определённых условиях химическая реакция между активными добавками может продолжаться в затвердевшем бетоне. Реакция в твёрдой фазе между свободным оксидом кальция портландцемента и активной составляющей добавок происходит с образованием новых соединений: силикатов, алюминатов кальция, устойчивых при высоких температурах. Связывание свободного оксида кальция цементного камня делает невозможным её гашение влагой воздуха после охлаждения бетона [1]. Из литературных источников [2] известно, что на основе жаростойких вяжущих, включая гидравлические цементы, жидкое стекло и фосфатные связующие, были получены теплоизоляционные газобетоны и пенобетоны с регулируемой плотностью от 400 до 800 кг/м3. Для проведения исследований в качестве тонкомолотых огнеупорных добавок в композиции с гидравлическими вяжущими использовались алюмосиликатные и высокоглиноземистые техногенные продукты с предприятий Самарской области: - керамзитовая пыль - попутный продукт, в производстве искусственного пористого заполнителя; - отработанный катализатор ИМ-2201 - алюмохромистый тонкодисперсный отход нефтехимии; - отработанная окись алюминия - гранулированный отход химической промышленности; - алюминатный шлам - отход, образующийся в результате щелочного травления алюминиевых изделий на предприятиях цветной металлургии. В результате экспериментальных исследований разрабатывались технологические параметры производства жаростойкого пенобетона способом изменения толщины стенок получаемой пены. Известно, что регулировать толщину стенок у пены возможно путем изменения ее кратности и применения ее минерализации. Этот способ получения пенобетона включает в себя следующие технологические операции: приготовление пены пониженной кратности, первичная минерализация пены сухим порошком вяжущего; вторичная минерализация тонкомолотыми или грубодисперсными огнеупорными компонентами. Достоинствами этого способа являются низкое водосодержание смеси, сравнительная простота и возможность регулирования структуры получаемой пены и пеномассы. С целью получения толстостенных перегородок в ячеистой структуре пеномассы использовались пены пониженной кратности (до 7). Как известно [2], толстые жидкие пленки низкократных пен позволяют ввести в их структуру при вторичной минерализации более грубодисперсные огнеупорные компоненты, что невозможно при традиционной технологии, базирующейся на применении тонкостенных пен высокой кратности (более 15). В связи с этим в работе использовался отечественный пенообразователь типа ПБ-2000 по ТУ 2481-185-05744685-01 производства ОАО «Ивхимпром», г. Иваново. Он позволяет получать пеномассы с кратностью до 7. Результаты исследований показали, что введение огнеупорных наполнителей в состав пенобетона повышает его прочность, способствует стабилизации пеноструктуры и увеличивает ее устойчивость. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработана технологическая схема производства теплоизоляционного жаростойкого пенобетона, которая включает в себя: помол гранулированных высокоглиноземистых отходов; приготовление сухой смеси вяжущего с тонкомолотой огнеупорной добавкой, приготовление пены и пеномассы путем введения при необходимости огнеупорных наполнителей. При формовании пенобетонных изделий с тяжелыми огнеупорными наполнителями возможно применение вибрирования смеси. Область применения, срок эксплуатации и эффективность жаростойких пенобетонов определяются совокупностью физико-механических и термических показателей. Для повышения физико-термических показателей жаростойких пенобетонов гидравлического твердения и с целью повышения его первоначального электросопротивления были исследованы смешанные высокоогнеупорные связующие с применением тонкодисперсного алюмохромистого отхода нефтехимии - отработанный катализатор ИМ-2201, алюминатного шлама и различных гидравлических вяжущих. Для получения смешанных высокоогнеупорных связующих в качестве глиноземосодержащего компонента использовали отработанный катализатор ИМ-2201, гидравлические цементы: портландцемент ПЦ-400-Д0, шлакопортландцемент ШПЦ-400. При введении указанных компонентов в композицию с отработанным катализатором образуются смешанные связующие, обладающие иными свойствами, чем чистый гидравлический цемент. Огнеупорности смешанных связующих возрастают практически прямо пропорционально количеству глинозёмсодержащего отхода, введённого в композицию. Сроки схватывания смешанных связующих удлиняются, но даже при введении 60-80% отхода ИМ-2201 сохраняется способность жаростойкого связующего схватываться в воздушных условиях и приобретать прочность. Первоначальное электросопротивление цементного камня также возрастает. На основе проведенных исследований установлена возможность получения широкой гаммы жаростойких пенобетонов со средней плотностью 400-800 кг/м3, с прочностью при сжатии 0,5-6,5 МПа, теплопроводностью 0,22-0,37 Вт/м0С, термостойкостью 25-40 воздушных теплосмен, с температурой применения 900-15000С. Кроме того, определены прочностные показатели жаростойких пенобетонов плотностью 400-800 кг/м3 после нагревания до 1000-15000С в зависимости от состава. Установлено, что пенобетон с керамзитовым наполнителем практически не имеет провала прочности в области температур 600-9000С. Это явление объясняется повышенной химической активностью керамзитовой пыли, в которой обнаружены оксиды SiO2 и Al2O3 в аморфном состоянии. При плотности пенобетона400-800 кг/м3 и увеличенном содержании Al2O3 в огнеупорном компоненте устойчивость пенобетона в этом температурном интервале снижается, что связано с понижением SiO2 в тонкомолотой добавке. В связи с этим, при определении температурной области применения жаростойких пенобетонов, необходимо учитывать некоторые особенности частичного разупрочнения данного материала. Эксплуатационные свойства и долговечность жаростойкого пенобетона зависят не только от правильного проведения операции сушки и первого нагрева, но и от максимального первоначального электросопротивления. Цель сушки и первого нагрева заключается в удалении из жаростойкого бетона воды в наиболее короткий технически обоснованный срок при сохранении монолитности бетона. Таким образом, жаростойкий теплоизоляционный бетон приводится в рабочее состояние, в котором он находится в течение всего времени эксплуатации теплового агрегата. При сушке из бетона удаляется «испаряющаяся вода». В ходе последующего первого нагрева в бетоне протекают сложные физико-химические процессы. При повышении температуры нагрева обезвоживаются кристаллогидраты, имеющиеся в затвердевшем цементном камне. При температуре 800-10000С частично разлагаются гидросиликаты, гидроалюминаты кальция с выделением свободного оксида кальция, одновременно протекают химические реакции в твёрдом состоянии между оксидом кальция и активным кремнезёмом тонкомолотой добавки, в результате связывается CaO и предотвращается его вредное действие. Полученные данные свидетельствуют о высоких физико-механических и термических свойствах разработанных бетонов. Необходимость в термообработке в данном случае отпадает, что позволяет изготавливать крупноразмерные изделия и детали, а также применять бетон в монолитных конструкциях различной конфигурации. | ||||||||||||||||
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Министерство образования Российской Федерации Санкт Петербургский... Задачи курса: Изучить основные математические результаты и методы, лежащие в основе метода конечных элементов и других вариационных... |  | Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями фгос во... Салтанова Т. В. Метод конечных элементов в расчётах прочности. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления... |
| Царев Федор Николаевич Разработка метода совместного применения генетического... История развития географической науки и роль выдающих ученых в формировании системы географических знаний | | Моделирование течения ледников методом конечных элементов ... |
| Методическая разработка по внедрению проектного метода на уроках географии Данная методическая разработка предполагает проведение уроков по дисциплине География с использованием элементов проектного метода... | | Методические указания к выполнению расчетно-графического задания... В методических указаниях изложены краткие сведения о пк «лира», о методе конечных элементов, реализуемом в системе «лира», рассмотрен... |
| Инженерный анализ методом конечных элементов (мкэ) Инженерный анализ представляет собой комплекс испытаний, предназначенных для определения способности оборудования, конструкций, а... | | Образовательная программа «Компьютерные и информационные науки» Форма... Ук-1 Способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских... |
| Реализация технологии деятельностного метода обучения Основная цель: знакомство педагогов с практикой реализации механизмов формирования универсальных учебных действий на основе дидактической... | | Курсовая работа на тему: «Моделирование и прогнозирование инфляции... «Моделирование и прогнозирование инфляции на основе индекса потребительских цен в Великобритании в период 1993–2011 годов» |
| Прогнозирование и планирование в налогообложении Рабочая программа учебной дисциплины «Прогнозирование и планирование в налогообложении» составлена в соответствии с требованиями... | | Разработка проекта по литературе с применением метода сравнительно-типологического... Традиционная для 11 класса тема «Основные темы и идеи литературы Русского Зарубежья» может быть изучена на основе метода проектов.... |
| Доклад ронжина Андрея Леонидовича по диссертационной работе «Разработка... «Разработка адаптивного метода робастного понимания слитной речи на основе интегральной обработки данных», представленной на соискание... | | Д. В. Лазутина Налоговое планирование и прогнозирование Д. В. Лазутина Налоговое планирование и прогнозирование: Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для бакалавров направления... |
| Программа по дисциплине «Прогнозирование и планирование в налогообложении» «Прогнозирование и планирование в налогообложении» составлена в соответствии с учебным планом соответствующих специальностей. Она... | | М. А. Леган, В. А. Блинов, 2013 совместное использование метода граничных... Учебно-методический комплекс по «Психологии и педагогике» составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного... |
