Методическое пособие 784

температура увеличилась на 1,5 С. Изменение температуры пласта относительно второго этапа (2 года) незначительно и составляет в среднем 0,2 С, что находится в пределах погрешности расчетов.

Рис. 3. Изменение температурного поля при положительной тепловой нагрузке на пласт в течение 6 месяцев:

а) температурное поле; б) температурный график

Исследования показали, что при наличии регенерации изменение температуры по циклическому закону достигается раньше, чем без регенерации. Таким образом, через 2,5года наступает квазистационарное состояние, когда сезонные изменения входят в установившийся циклический режим. Проверка результатов расчета по состоянию на 3 года подтверждает сделанные выводы [7].

Рис. 4. Изменение температурного поля при знакопеременной нагрузке на пласт за 1 год:

а) температурное поле; б) температурный график

121

Научный журнал строительства и архитектуры

Обобщая результаты исследования, можно констатировать, что работа теплового насоса в знакопеременном режиме эффективнее режима эксплуатации с прерывистым подводом или отводом тепла без его реверса [7]. Снижение температурного напора теплового насоса определяется приближением температуры в геотермальной скважине к фоновому значению температур.

В [7] представлены результаты влияния на температурное поле на этапе 1 года эксплуатации коэффициента регенерации kр для величин активных нагрузок в диапазоне +100…−100 Вт и коэффициента регенерации kр в диапазоне 0,25…1. Изменение температуры пласта от значений коэффициента регенерации (kр = 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1) при различных величинах тепловой нагрузки показано на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость температуры грунта

от коэффициента регенерации kр

Коэффициент регенерации kр

Очевидно, что при отводе тепла пласт охлаждается, а при подводе нагревается, но последовательное реверсирование теплового насоса приводит к появлению системы тепловых волн, которые обусловливают изменения температуры скважины и влияют на техникоэкономические параметры оборудования. Результаты исследования позволили прийти к выводу о том, что ежегодное падение грунтовой температуры будет постепенно сокращаться в условиях регенерации. То есть процесс регенерации позволяет компенсировать «недостающие» величины тепловой нагрузки. При этом объем грунтового массива, подверженного изменению температурного режима, будет расширяться с каждым годом.

Стоит отметить, что при условиях эксплуатации с регенерацией необходимо ввести некоторые ограничения. Достижение отрицательных температур на забое скважины Tоси может привести к образованию льда. Хотя это явление и приводит к некоторому увеличению съема теплоты за счет увеличения теплопроводности и включению в процесс теплообмена фазового перехода. Следует отметить, что это же явление приводит к дополнительным проблемам:

увеличение объема грунта при замерзании приводит к его вспучиванию, что может негативно сказаться на дальнейшей эксплуатации скважины;

возникает сжатие трубопроводов коллектора или зонда, вплоть до их разрушения. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что при работе геотер-

мальной скважины со знакопеременным направлением теплового потока (с регенерацией) снижаются долгосрочные последствия эксплуатации, связанные с отклонением температуры пласта от фонового значения.

5. Обобщение полученных результатов в критериальное уравнение. Сложный ха-

рактер взаимного влияния определяющих параметров не позволяет формализовать однозначное решение, в связи с чем используется традиционный подход к виду критериального уравнения как степенной зависимости. Согласно описанным зависимостям [8], введенным безразмерным критерием, общее уравнение принимается в виде:

122

где Fo — критерий Фурье; Q — активный безразмерный тепловой поток (введен в рамках исследовательской работы); n — степенной показатель критерия Fo; m — степенной показатель безразмерного активного теплового потока.

Обобщающее уравнение (7) для режима работы c изменением направления теплового потока (с регенерацией) можно описать в виде степенного ряда. В условиях, когда тепловой насос работает в режиме знакопеременного активного теплового потока, общие закономерности процесса сохраняются. Отличием данного режима эксплуатации теплового насоса является использование эффекта регенерации тепла за счет аккумулирующей способности грунта. Указанная особенность определяет возможность использования уравнения [10] как базового с его дополнением в виде поправки на коэффициент регенерации kр. Тогда выражение будет выглядеть следующим образом:

где k1, 2, … n — определяемые коэффициенты; f(kр) — функция, поправка на коэффициент регенерации.

При переключении теплового потока пласт оказывается переохлажденным или перегретым, а это соответственно меньшая разность температур для холодильной машины, а значит, меньший расход энергии. Зависимость безразмерной температуры от коэффициента регенерации показана на графике (рис. 6). Расчет выполнен при значениях Fo от 4675 до 11686 и безразмерного активного потока Q1 = 2000 и Q2 = 4000.

Рис. 6. Зависимость безразмерной температуры Θ от коэффициента регенерации kр при безразмерном активном потоке Q в диапазоне Fo от 4675 до 11686:

а) Q1 = 2000; б) Q2 = 4000

Принимая за основу зависимость (8), анализ выполняли последовательным сопоставлением получаемой безразмерной температуры при различных значениях коэффициента регенерации с имеющимися результатами для работы теплового насоса без регенерации [10]. На рис. 7 приведены графики, отражающие влияние регенерации на значения безразмерной температуры при коэффициентах регенерации kр от 0,5 до 1 в исследуемом диапазоне активных нагрузок на скважину. Представленные значения рассчитаны по модулю в диапазоне Fo от 4675 до 11686. На рис. 7а верхняя и нижняя линии — результаты при регенерации, две средние линии — без регенерации.

При kр = 0,5 значения безразмерных температур Θ следующее:

разница между 100/−50 и 75/0 составляет приблизительно 1,5;

при 50/0 и 200/−100 — порядка 2-х.

123

Научный журнал строительства и архитектуры

Как видно из представленных результатов (рис. 7а), регенерация приводит к повышению коэффициента трансформации тепла в тепловом насосе. Рассмотрим три плана работы: 200/100, 200/150 и 200/200. Регенерация тепла приводит к росту безразмерной температуры, т. е. работа при очередном переключении «тепло — холод» и «холод — тепло» начинается не с фоновой температуры грунта, а с более выгодной температуры для теплонасосной установки. Например, отбор тепла на цели теплоснабжения начинается с более высокой температуры грунта, чем фоновая пластовая температура. Как показали расчеты, продолжительное время (в данном случае диапазон — это более 30 календарных дней) при реверсе тепловой насос работает при более низком температурном напоре.

в)

Рис. 7. Влияние регенерации температурного поля при kр= 0,5 (а); 0,75 (б); 1 (в)

На рис. 7б представлены результаты обработки данных при kр = 0,75 и активных нагрузках (75/0, 100/−75, 150/0, 200/−150). Две верхние линии — результаты с регенерацией 200/−150 и без нее 150/0 соответственно. Разница между ними составляет при усредненном значении Θ = 5. Две нижние линии — с регенерацией 100/−75 и без нее 75/0. Разница значения безразмерной температуры очень мала и составляет в среднем 0,3.

На рис. 7в представлены результаты обработки данных при kр = 1 и активных нагрузках

(75/0, 100/−100, 150/0, 200/−200). Верхняя линия 200/−200 (с регенерацией) и вторая снизу

150/0 (без регенерации) — разница составляет Θ = 8. Вторая сверху 100/−100 и нижняя 75/0, разница Θ = 2.

Результаты оцифрованных расчетных данных (рис. 8) приведены в [10]. На основании этого был получен следующий вид уточненного критериального уравнения (8) с поправкой на коэффициент регенерации kр.

Таким образом, полученное уравнение (линия тренда) может служить поправкой к расчету основного выражения (8).

124

Тогда уравнение для знакопеременного теплового потока геотерамальной скважины с поправкой на коэффициент регенерации kp будет выглядеть:

В зависимости от режима работы теплового насоса в долгосрочной перспективе устанавливается разная температура пласта (рис. 9). Если просто отводить из пласта тепло, температура падает и через пару лет устанавливается на каком-то нижнем уровне; если чередовать подвод — отвод, то начинает приближаться к фоновой; если коэффициент регенерации равен 1, то практически фоновая.

Рис. 8. Зависимость расчетных значений безразмерной температуры температурного поля

без регенерации с оцифровкой данных

Рис. 9. Сравнительная характеристика режимов эксплуатации

в зависимости

от коэффициента регенерации kp при эксплуатации теплового насоса

Выводы

1.Полученные результаты подтвердили, что в условиях работы теплового насоса со знакопеременным тепловым потоком (с регенерацией) температурное поле грунта стабилизируется уже на 2-м году эксплуатации. Выход на квазистационное состояние при каждом из режимов объясняется тем, что работающая геотермальная скважина представляет собой локальный источник (сток) тепла в фоновом температурном поле Земли. При подводе тепла тепловой поток скважины отдает поверхности Земли, а при отводе понижение температуры компенсируется фоновым тепловым потоком. Радиус влияния скважины определяется параметрами ее работы, теплофизическими свойствами грунта и плотностью фонового потока.

Если говорить о режиме теплоснабжения, то в случае отапливания тепло отбирается из земли и пластовая температура падает, температура приближается к фоновой. Когда непрерывно отбираем тепло, отклонение от фоновой сильнее.

2.Кроме того, получены критериальные зависимости для расчета параметров работы геотермальной скважины с учетом долгосрочной ее эксплуатации в циклическом режиме.

125

Научный журнал строительства и архитектуры

Библиографический список

1.Амерханов, Р. А. Тепловые насосы / Р. А. Амерханов. — М.: Энергоиздат, 2005. —160 с.

2.Амерханов, Р. А. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства / Р. А. Амерханов; под ред. Б. Д. Драганова. — М.: Колос-Пресс, 2002. — 426 с.

3.Васильев, Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли: дис. … д-ра тех. наук: 05.23.03 / Васильев Григорий Петрович. — М., 2006. — 423 с.

4.Денисова, А. Е. Моделирование тепловых процессов в грунтовой тепловой трубе теплонасосной системы тепло- и хладоснабжения / А. Е. Денисова, А. В. Мармусевич // Труды Одесского политехнического университета. — 2006. — № 1 (25). — С. 65—69.

5.Мацевитыи, Ю. М. Восстановление теплового потенциала грунта за счет выбора рациональных режимов работы теплонасоснои системы / Ю. М. Мацевитыи, В. А. Тарасова, Д. Х. Харлампиди // Тезисы докладов и сообщении XIV Минского международного форума по тепло- и массообмену. — Минск, 2012. — Т. 1. — С. 736—739.

6.Руденко, Н. Н. Выбор граничных условий для моделирования температурного поля грунта [Электронный ресурс] / Н. Н. Руденко, И. В. Бондарев // Инженерный вестник Дона. — 2013. — № 4. — Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2137.

7.Сапрыкина, Н. Ю. Исследование факторов, влияющих на работу грунтовых тепловых насосов при длительных сроках эксплуатации / Н. Ю. Сапрыкина // Известия КГАСУ. — 2018. — № 2 (44). — С. 177— 183.

8.Сапрыкина, Н. Ю. Моделирование температурного поля эксплуатируемого грунтового массива в

условиях длительной эксплуатации геотермального теплонасосного оборудования / Н. Ю. Сапрыкина, П. В. Яковлев // Инженерно-строительный вестник Прикаспия. — 2015. — № 4 (14). — С. 60—66.

9.Сапрыкина, Н. Ю. Формирование условий однозначности при нестационарном режиме работы для долгосрочного срока эксплуатации грунтового теплового насоса // Инженерно-строительный вестник Прикаспия. — 2016. — № 3 (17). — С. 40—48.

10.Сапрыкина, Н. Ю. Энергосберегающие технологии портовых сооружений на основе применения геотермальных тепловых насосов / Н. Ю. Сапрыкина, П. В. Яковлев // Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. — 2017. — № 1. — С. 116—124.

11.Серьогин, А. А. Охлаждение оборотной воды сахарного завода с использованием грунтовых контуров тепловых насосов / А. А Серьогин, А. А. Осьмак, Н. В. Рябоконь // Вiстник АМУ. Сер.: Технiка. — 2014. —

№2. — С. 122—132.

12. Федянин, В. Я. Использование грунтовых теплообменников в системах теплоснабжения / В. Я. Федянин, М. К. Карпов // Ползуновский вестник. — 2006. — № 4. — С. 98—103.

13.Шишкин, Н. Д. Оценка эффективности применения теплонасосных установок в системах теплоснабжения Астраханской области / Н. Д. Шишкин, И. С. Просвирина // Известия АЖКХ. — 2000. — № 4. — С. 7.

14.Шкрет, А. Ф. Методические особенности оценки экономической эффективности энергосберегающих мероприятий [Электронный ресурс] / А. Ф. Шкрет // Материалы 4-й Рос. науч.-техн. конф. «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности», Ульяновск, 24—25 апреля 2003 г. — Ульяновск, 2003. — Режим доступа: http://www.energosovet.ru/stat227.html.

15.Штым, А. С. Системы теплосбора для геотермальных тепловых насосов / А. С. Штым, И. А. Маркелова // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура. — 2011. — № 23. — С. 126—133.

16.Alberti, L. Borehole Heat Exchangers: How Flow Velocity and Dispersion Influence Heat Transfer [Электронный ресурс] / L. Alberti, I. L. Licata, A. Angelotti, M. Antelmi // Flowpath—2014 — National Meeting on Hydrogeology, June 18—20, 2014. — Режим доступа: http://www.engeology.eu/sites/default/files/news-attach/ antelmi_flowpath_extended_x_engeo.pdf.

17.Claesson, J. Analytical Studies of the Influence of Regional Groundwater Flow on the Performance of Borehole Heat Exchangers / J. Claesson, G. Hellstrom // Proceedings of Terrastock—2000, Stuttgart, August 28— September 1. — Stuttgart, 2000. — Vol. 1. — P. 195—200.

J.Desmedt, J. V. Bael // Strojarstvo. — 2010. — Vol. 52, №4. — P. 405—409.

20.Diao, N. Heat Transfer in Ground Heat Exchangers with Groundwater Advection / N. Diao, Q. Li, Z. Fang // Int. J. Therm. Sci. — 2004. — Vol. 43. — P. 1203—1211.

126

References

1.Amerkhanov, R. A. Teplovye nasosy / R. A. Amerkhanov. — M.: Energoizdat, 2005. — 160 s.

2.Amerkhanov, R. A. Teploenergeticheskie ustanovki i sistemy sel'skogo khozyaistva / R. A. Amerkhanov; pod red. B. D. Draganova. — M.: Kolos-Press, 2002. — 426 s.

3.Vasil'ev, G. P. Teplokhladosnabzhenie zdanii i sooruzhenii s ispol'zovaniem nizkopotentsial'noi teplovoi energii poverkhnostnykh sloev zemli: dis. … d-ra tekh. nauk: 05.23.03 / Vasil'ev Grigorii Petrovich. — M., 2006. — 423 s.

4.Denisova, A. E. Modelirovanie teplovykh protsessov v gruntovoi teplovoi trube teplonasosnoi sistemy teplo- i khladosnabzheniya / A. E. Denisova, A. V. Marmusevich // Trudy Odesskogo politekhnicheskogo universiteta. — 2006. — № 1 (25). — S. 65—69.

5.Matsevityi, Yu. M. Vosstanovlenie teplovogo potentsiala grunta za schet vybora ratsional'nykh rezhimov raboty teplonasosnoi sistemy / Yu. M. Matsevityi, V. A. Tarasova, D. Kh. Kharlampidi // Tezisy dokladov i soobshchenii XIV Minskogo mezhdunarodnogo foruma po teplo- i massoobmenu. — Minsk, 2012. — T. 1. — S. 736—739.

7.Saprykina, N. Yu. Issledovanie faktorov, vliyayushchikh na rabotu gruntovykh teplovykh nasosov pri dlitel'nykh srokakh ekspluatatsii / N. Yu. Saprykina // Izvestiya KGASU. — 2018. — № 2 (44). — S. 177—183.

8.Saprykina, N. Yu. Modelirovanie temperaturnogo polya ekspluatiruemogo gruntovogo massiva v usloviyakh dlitel'noi ekspluatatsii geotermal'nogo teplonasosnogo oborudovaniya / N. Yu. Saprykina, P. V. Yakovlev // Inzhenerno-stroitel'nyi vestnik Prikaspiya. — 2015. — № 4 (14). — S. 60—66.

9.Saprykina, N. Yu. Formirovanie uslovii odnoznachnosti pri nestatsionarnom rezhime raboty dlya dolgosrochnogo sroka ekspluatatsii gruntovogo teplovogo nasosa // Inzhenerno-stroitel'nyi vestnik Prikaspiya. — 2016. —

№3 (17). — S. 40—48.

10.Saprykina, N. Yu. Energosberegayushchie tekhnologii portovykh sooruzhenii na osnove primeneniya geotermal'nykh teplovykh nasosov / N. Yu. Saprykina, P. V. Yakovlev // Vestnik AGTU. Ser.: Morskaya tekhnika i tekhnologiya. — 2017. — № 1. — S. 116—124.

11.Ser'ogin, A. A. Okhlazhdenie oborotnoi vody sakharnogo zavoda s ispol'zovaniem gruntovykh konturov

teplovykh nasosov / A. A Ser'ogin, A. A. Os'mak, N. V. Ryabokon' // Vistnik AMU. Ser.: Tekhnika. — 2014. — № 2. — S. 122—132.

12. Fedyanin, V. Ya. Ispol'zovanie gruntovykh teploobmennikov v sistemakh teplosnabzheniya /

V.Ya. Fedyanin, M. K. Karpov // Polzunovskii vestnik. — 2006. — № 4. — S. 98—103.

13.Shishkin, N. D. Otsenka effektivnosti primeneniya teplonasosnykh ustanovok v sistemakh teplosnabzheniya Astrakhanskoi oblasti / N. D. Shishkin, I. S. Prosvirina // Izvestiya AZhKKh. — 2000. — № 4. — S. 7.

14.Shkret, A. F. Metodicheskie osobennosti otsenki ekonomicheskoi effektivnosti energosberegayushchikh meropriyatii / A. F. Shkret // Materialy 4-i Ros. nauch.-tekhn. konf. «Energosberezhenie v gorodskom khozyaistve, energetike, promyshlennosti», Ul'yanovsk, 24—25 aprelya 2003 g. — Ul'yanovsk, 2003. — Available at: http://www.energosovet.ru/stat227.html.

15.Shtym, A. S. Sistemy teplosbora dlya geotermal'nykh teplovykh nasosov / A. S. Shtym, I. A. Markelova // Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Ser.: Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2011. — № 23. — S. 126—133.

16. Alberti, L. Borehole Heat Exchangers: How Flow Velocity and Dispersion Influence Heat Transfer / L. Alberti, I. L. Licata, A. Angelotti, M. Antelmi // Flowpath—2014 — National Meeting on Hydrogeology, June 18— 20, 2014. — Available at: http://www.engeology.eu/sites/default/files/news-attach/antelmi_flowpath_extended_ x_engeo.pdf.

17. Claesson, J. Analytical Studies of the Influence of Regional Groundwater Flow on the Performance of Borehole Heat Exchangers / J. Claesson, G. Hellstrom // Proceedings of Terrastock—2000, Stuttgart, August 28— September 1. — Stuttgart, 2000. — Vol. 1. — P. 195—200.

J.Desmedt, J. V. Bael // Strojarstvo. — 2010. — Vol. 52, №4. — P. 405—409.

20.Diao, N. Heat Transfer in Ground Heat Exchangers with Groundwater Advection / N. Diao, Q. Li, Z. Fang // Int. J. Therm. Sci. — 2004. — Vol. 43. — P. 1203—1211.

127

Научный журнал строительства и архитектуры

INVESTIGATION OF CHANGES IN THE TEMPERATURE FIELD OF THE GROUND MASSIVE UNDER THE INFLUENCE

OF A CYCLIC SIGNIFICANT THERMAL FLOW

(REGENERATION OF THE TEMPERATURE FIELD)

N. Yu. Saprykina1, М. Ya. Panov2

Astrakhan State University of Architecture and Civil Engineering 1

Russia, Astrakhan

Voronezh State Technical Universit 2

Russia, Voronezh

1Senior lecturer of the Dept. of Engineering Systems and Ecology, tel.: +7-927-661-48-60, e-mail: nadin_id@ mail.ru

2D. Sc. In Engineering, Prof. of the Dept. of Heat and Gas Supply and Oil and Gas Business, tel.: (473)271-53-21

Statement of the problem. The problem is considered to restore the reservoir temperature of the soil massif under the alternating operating mode of the heat supply and conditioning systems in combination with the heat pump taking into account their long seasonal cyclic operation.

Results. The results of the study made it possible to come to the conclusion that the annual drop in the ground temperature will graduallydecrease in the conditions of regeneration. The process of regeneration makes it possible to compensate for the «missing» values of the heat load. It should be noted that in the regeneration mode a positive fact is that the stabilization of the temperature field of the soil massif occurs earlier than in the single-flow mode.

Conclusions. The stabilization of the temperature field in the conditions of the heat pump with an alternating heat active flow (with regeneration of the temperature field of the soil massif) is established as early as in the second year of operation.

Keywords: heat pump, regeneration of reservoir soil temperature, regeneration factor, temperature field.

XVМЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«КОМПЛЕКСНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОСФЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ»

Дата проведения: 28—29 марта 2019 г.

Место проведения: Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж.

Статьи принимаются до 1 февраля 2019 г.

На конференции планируется рассмотреть следующие вопросы: пожарная безопасность; средства спасения; ядерная, радиационная и химическая безопасность; экологическая безопасность; информационные технологии при построении безопасной среды; безопасность на водных объектах; медицина катастроф; комплексная безопасность на транспорте, а также другие аспекты, касающиеся проблем обеспечения техносферной безопасности.

Секции: 1. Комплексные проблемы обеспечения безопасности региона – пути решения; 2. Применение инновационных технологий для оценки рисков и обеспечения безопасности природных и техносферных систем; 3. Мониторинг окружающей среды и экологическая безопасность; 4. Обеспечение экологичности технических систем: малоотходные и безотходные технологии и производства; 5. Антитеррор и безопасность на транспорте; 6. Пожарная безопасность, совершенствование противопожарной защиты сложных и социальнозначимых объектов; 7. Медицинские аспекты обеспечения безопасности здоровья человека и повышения качества жизни в городской среде; 8. Нравственно-этические аспекты безопасности.

Предусматривается проведение пленарного заседания, секционных заседаний и стендовые доклады.

Материалы представляются в электронном виде на адрес conf.cpts@gmail.com с пометкой «на конференцию» и должны именоваться по фамилиям авторов (например, Ivanov.Petrov.doc).

128

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

DOI 10.25987/VSTU.2018.52.4.012

УДК 691.327.32

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ ОБРАЗОВАНИЯ МИКРОТРЕЩИН В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПЛОТНОСТИ КЕРАМЗИТОБЕТОНА*

С. Д. Семенюк1, Ю. Г. Москалькова2

Белорусско-Российский университет1, 2 Республика Беларусь, г. Могилев

1Д-р техн. наук, проф. кафедры промышленного и гражданского строительства, тел.: +375(29)7433872, e-mail: skzs@tut.by

2Канд. техн. наук, доц. кафедры промышленного и гражданского строительства, тел.: +375(29)7429183, e-mail: julia43@tut.by

Постановка задачи. Важным показателем работы бетона под нагрузкой является образование и развитие микротрещин. Существующие методики определения значений пределов микротрещинообразования для легких бетонов не обеспечивают достаточную сходимость с экспериментальными данными. В связи с этим целесообразно вывести новые зависимости, применимые для легких бетонов.

Результаты. Приведены результаты испытания керамзитобетона различных классов по прочности на сжатие и по плотности, предложены формулы для определения пределов образования микро- и макротрещин. По результатам исследований введен эмпирический коэффициент, учитывающий класс плотности легкого бетона в расчете микротрещинообразования.

Выводы. Предложена методика определения верхнего и нижнего пределов микротрещинообразования для легких бетонов различных классов по прочности на сжатие и по плотности. Расчет гармонизирован с положениями Еврокода 2. При этом обеспечена хорошая сходимость с экспериментальными данными.

Ключевыеслова: легкийбетон, керамзитобетон, границы микротрещинообразование, плотность, классплотности.

Введение. Применение конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов находит все более широкое применение в строительстве. Помимо хороших теплоизоляционных свойств такие бетоны обладают достаточной огнестойкостью [10], поэтому разработка положений по расчету и проектированию несущих конструкций из легких бетонов на сегодняшний день актуальна.

Главной особенностью легких бетонов на пористых заполнителях является то, что практически невозможно разработать точные составы бетонной смеси, поскольку по прочностным и деформативным характеристикам пористые заполнители сильно различаются, а значит, и прочность бетона на разных заполнителях будет варьироваться в большом диапазоне [13, 15]. В связи с этим прочность легкого бетона и его плотность не будут связаны напря-

© Семенюк С. Д., Москалькова Ю. Г., 2018

*Исследования проведены в рамках государственной программы научных исследований по направлению «Физическое материаловедение, новые материалы и технологии», подпрограмма 8.8 «Строительные материалы», № гос. рег. 20162027, дата рег. 30.05.2016, ГБ 1621Ф.

129

Научный журнал строительства и архитектуры

мую: при более низкой плотности можно получить более высокую прочность на осевое сжатие в результате применения других заполнителей или добавок [13]. Следует отметить, что для получения конструкционного легкого бетона в качестве мелкого заполнителя используется плотный песок (речной, кварцевый или карьерный), а не пористый (керамзитовый песок, например). Связано это с тем, что использование пористого мелкого заполнителя существенно снижает прочность бетона [6, 13, 14, 16].

Одним из параметров, характеризующих работу бетона под нагрузкой, является процесс формирования и развития микротрещин. В частности, очень важно определять верхнюю границу микротрещинообразования (так называемый критический уровень нагрузки), поскольку ее превышение знаменует переход в третью стадию напряженно-деформированного состояния (стадию разрушения), а это означает не только исчерпание прочности и снижение эксплуатационных показателей, но также изменение некоторых других параметров. Например, в [19] доказано, что стойкость к воздействию хлоридов при превышении критической границы резко уменьшается.

Границы образования микро- и макротрещин в легких бетонах на любых заполнителях значительно выше, чем в бетонах нормальной плотности [12, 13, 17]. Причем чем выше пористость, тем выше граница образования микротрещин [1]. Обусловлено это несколькими причинами. Сцепление цементной матрицы с пористым крупным заполнителем значительно выше, чем с плотным, так как отсутствует четкая граница по контакту заполнителя и цементного камня [13, 14, 16, 18], что видно на фотографиях, сделанных при помощи электронного микроскопа [13, 18]. А первые микротрещины образуются обычно по контакту крупного заполнителя и цементной матрицы [24]. В [21, 23] также отмечено, что вокруг зерен пористого крупного заполнителя пористость цементного камня меньше по сравнению с обычным бетоном ввиду высокого водопоглощения, в результате чего в легких бетонах цементный камень имеет более высокую прочность и долговечность, чем в тяжелых.

Определение пределов микротрещинообразования (нижнего и верхнего) основано на эмпирических зависимостях и системе частных коэффициентов, учитывающих различные параметры. Традиционно для обычных бетонов используются формулы с использованием десятичного логарифма, предложенные в О. Я. Бергом [2], которые все чаще подвергаются критике в научной литературе, так как применимы только для бетонов на плотных заполнителях средней прочности [1, 3, 4, 7]. В работе [7] предложены зависимости с применением экспоненты, в [11] предложен метод конечных элементов для масштабного моделирования процесса микротрещинообразования и разрушения бетона. В [22] отмечено, что для определения момента образования первых трещин в железобетонных балках, выполненных из легких бетонов любого типа, большинство существующих методик расчета не обеспечивают корректный результат, и требуется введение поправочного коэффициента.

1.Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка методики расчета относительных значений нагрузок, соответствующих нижнему и верхнему пределам микротрещинообразования, для керамзитобетона, изготовленного на основе местного сырья.

Задачи исследования — учет влияния плотности керамзитобетона на величины пределов микротрещинообразования и гармонизация предлагаемой методики расчета с положе-

ниями Eurocode 2.

2.Характеристика опытных образцов. Для изготовления опытных образцов в виде кубов, призм и цилиндров использовались местные материалы:

гравий керамзитовый фракций 5—10 мм с насыпной плотностью 382 кг/м3, относительной прочностью в цилиндре 2,68 МПа (изготовитель — ОАО «Завод керамзитового гравия», г. Новолукомль);

гравий керамзитовый фракций 10—20 мм с насыпной плотностью 326 кг/м3, относительной плотностью в цилиндре 1,86 МПа (изготовитель — ОАО «Завод керамзитового гравия», г. Новолукомль);

130