2318

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

работанные на основе предложенных авторами математических методов моделирования [1, 5] программные модули, реализующие методологию математического моделирования композитов специального назначения [5].

Рис. 2. Укрупненная архитектура системы компьютерно-имитационного моделирования композитов

Логическая структура базы данных. База данных служит хранилищем знаний о свойствах материалов (связующих, модификаторов, наполнителей и заполнителей). В базе данных также хранятся результаты моделирования. Знания о свойствах материалов могут пополняться оператором путем занесения результатов натурных исследований, моделирования, внесения справочных данных. Физическая структура реализована для СУБД MySQL и SQLite.

На рис. 3 приведена логическая структура базы данных интегрированной системы компьютерного и имитационного моделирования композиционных материалов, содержащая связи между таблицами. Структура базы данных представлена в 3-й нормальной форме.

Выводы. Разработанный интегрированный комплекс программ моделирования композитов специального назначения объединяет следующие модули: обработки экспериментальных данных, синтеза наборов и пакетов нелинейных моделей структурных уровней композитов, анализа и оценки математических моделей, численной оптимизации, обеспечивающей решение задач математического моделирования и многокритериального синтеза композитов с заданными параметрами структуры и свойств.

Преимущества и новизна разработанной системы компьютерного и имитационного моделирования композитов заключается в том, что система объединяет в себя методики проведения численного и натурного эксперимента, методы моделирования макроуровней композита с учетом моделирования микроуровней, а также алгоритмы и комплексы программ, обеспечивающие получение эффективной технологии синтеза композитов специального назначения.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Рис. 3. Логическая структура базы данных

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

В результате применения разработанного интегрированного комплекса программ авторами было установлено, что реализованные в системе компьютерного и имитационного моделирования принципы, методики и алгоритмы обеспечивают моделирование физико-химических процессов структурообразования в граничном слое дисперсных фаз композитов и позволяют в 3–5 раз сократить объем натурного эксперимента, в 2 раза повысить точность моделирования и использовать при моделировании уженакопленный однофакторный экспериментально-статистическийматериал[2–5].

Результаты математического моделирования многокритериального синтеза композитов специального назначения внедрены в учебный процесс и на предприятиях оборонного комплекса в виде методов и методик анализа и синтеза, пакетов прикладных программ и программных комплексов. Выполненные экспериментальные исследования, промышленная апробация и эксплуатация созданных методик и программных средств подтверждают высокую эффективность разработанных теоретических основ и методологии моделированиякомпозиционныхматериаловспециальногоназначения[1–5].

Список литературы

1.Бормотов, А.Н. Математическое моделирование и многокритериальный синтез композиционных материалов / А.Н. Бормотов, И.А. Прошин, Е.В. Королёв. – Пенза:

Изд-во ПГТА, 2011. – 352 с.

2.Береговой, В.А. Моделирование структуры и прогнозирование свойств пористых композиционных материалов на стеклокристаллической матрице / В.А. Береговой // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2016. – № 4 (688). –

С. 22–29.

3.Аналитическое определение параметров лопастных смесителей для турбулентного перемешивания сухих смесей / В.В. Коновалов, А.В. Чупшев, В.П. Терюшков, Г.В. Шабурова // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. – 2012. – № 1. – С. 135.

4.Обоснование оптимальных конструктивно-режимных параметров смесителя непрерывного действия / В.В. Коновалов, А.С. Калиганов, В.П. Терюшков, А.В. Чупшев //

Нива Поволжья. – 2011. – № 3. – С. 63-67.

5.Бормотов А.Н. Математическое моделирование и многокритериальный синтез композиционных материалов специального назначения: дис... доктора техн. наук. –

Пенза, 2011. – С. 316.

References

1.Bormotov, A.N. Mathematical modeling and multicriteria synthesis of composite materials / A.N. Bormotov, I.A. Proshin, E.V. Korolev. – Penza: Publishing House of PGTA, 2011. – 352 p.

2.Beregovoy, V.A. Modeling the structure and predicting the properties of porous composite materials on a glasscrystalline matrix / V.A. Beregovoy // News of higher educational institutions. Building. – 2016. – No. 4 (688). – P. 22–29.

3.Analytic determination of the parameters of blade mixers for turbulent mixing of dry mixtures / V.V. Konovalov, A.V. Chupshev, V.P. Teriushkov, G.V. Shaburova // Bulletin of the Ulyanovsk State Agricultural Academy. – 2012. – No. 1. – P. 135.

4.Substantiation of the optimal constructive-regime parameters of a continuous mixer / V.V. Konovalov, A.S. Kaliganov, V.P. Teriushkov, A.V. Chupshev // Niva of the Volga region. – 2011. – No. 3. – P. 63–67.

5.Bormotov, A.N. Mathematical modeling and multicriteria synthesis of composite materials for special purposes: dis ... doktor of sciences / A.N. Bormotov. – Penza, 2011. – P. 316.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

BUILDING STRUCTURES,

BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

УДК 624

ОЦЕНКА РЕСУРСА ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ИЗГИБАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА, ПОДВЕРЖЕННОГО ДЕЙСТВИЮ ХЛОРИДНОЙ КОРРОЗИИ, ПО ПРОЧНОСТИ НАКЛОННОГО СЕЧЕНИЯ

В.П. Селяев, П.В. Селяев, М.Ф. Алимов, Е.Н. Гарынкина, Е.В. Сорокин

Рассмотрены деградационные модели железобетонных изгибаемых элементов, работающих в условиях хлоридной коррозии. Формирование расчетной модели основано на анализе предельных состояний по прочности наклонных сечений и применении фундаментальных законов физической химии, уравнений Гульдберга – Вааге, Фика, Лангмюра для описания кинетических параметров деградационной модели: глубинного показателя, коэффициента диффузии, предельной сорбционной емкости, коэффициента химического сопротивления.

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

Приведены результаты экспериментальных исследований работы железобетонных изгибаемых элементов с одиночным армированием стальными и композитными стержнями в условиях хлоридной коррозии.

Ключевые слова: хлоридная коррозия, расчетная модель прочности наклонного сечения, модель деградации, показатели химического сопротивления

ESTIMATION OF THE RESOURCE OF THE REINFORCED CONCRETE ELEMENT SUBJECTED TO THE ACTION OF CHLORIDE CORROSION BY THE STRENGTH OF THE INCLINED SECTION

V.P. Selyaev, P.V. Selyaev, M.F.Alimov, E.N. Garynkina, E.V. Sorokin

The paper considers degradation models of reinforced concrete bending elements operating in the conditions of chloride corrosion. The formation of the computational model is based on the analysis of limit states in terms of the strength of inclined sections and application of fundamental laws of physical chemistry, the Guldberg-Waage, Fick, and Langmuir equations, for describing the kinetic parameters of the degradation model: the depth index, the diffusion coefficient, the limiting sorption capacity, and the chemical resistance coefficient.

The results of experimental studies of the work of reinforced concrete bending elements with a single reinforcement of steel and composite rods in the conditions of chloride corrosion are presented.

Keywords: chloride corrosion, calculated model of strength of inclined section, degradation model, chemical resistance

Введение

Актуальность проблемы долговечности железобетонных конструкций обосновывалась в работах В.М. Бондаренко, Ю.М. Баженова, В.И. Соломатова, В.И. Колчунова, В.П. Селяева, Н.И. Карпенко [1–5]. Затраты на ремонт и восстановление поврежденных строительных конструкций в промышленно-развитых странах составляют до 40 % капиталовложений в строительство [6].

По мнению специалистов, затраты на ремонт и восстановление железобетонных конструкций, работающих в условиях действия агрессивных сред, можно сократить, если проектировать конструкции из условия обеспечения заданного ресурса эксплуатации.

Для этого необходимо развивать методы расчета, оценки ресурса железобетонных конструкций, учитывающие условия эксплуатации.

В предлагаемой статье рассматривается расчетная модель для оценки ресурса железобетонного изгибаемого элемента, работающего в условиях действия водных растворов, содержащих ионы хлора.

Расчетная модель

Расчетные модели прочности наклонных сечений железобетонных изгибаемых элементов, подверженных действию агрессивных сред, рассматривались в работах В. И. Бондаренко, В. И. Колчунова [7–9].

Аналитическую оценку параметров деформирования и трещинообразования нагруженных и коррозионно-поврежденных бетонных и железобетонных элементов предлагается выполнять с использованием модели В. М. Бондаренко [1, 2], которая описывает процесс взаимодействия материала конструкции с агрессивной средой одним дифференциальным уравнением. При этом выдвигаются гипотезы: об

аффинном подобии кинетики параметров (скорость коррозионного процесса) и кр

(критичечкая глубина коррозионного повреждения); о затухающем характере процесса деградации цементного бетона в агрессивных средах. Параметры , кр предлагается

аппроксимировать функциями, вид которых принимается без учета физических и химических процессов взаимодействия материала со средой.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

Экспериментальными и теоретическими исследованиями, проведенными под руководством В.П. Селяева, установлено, что кинетику разрушения структуры цементных композитов под действием агрессивных сред можно описать и оценить на основе фундаментальных законов: действия масс; сорбции; массопереноса [3–6].

Зависимость скорости и направления химических реакций от концентрации реагирующих веществ (закон действующих масс) описывается дифференциальным уравнением Гульдберга – Вааге:

где n, m, o – порядок реакций; k – константа скорости реакции, которая не зависит от концентрации c1, c2 , c3 , но зависит от температуры и природы реагирующих

веществ.

Зависимость скорости и направления переноса массы в твердое тело от градиента концентрации описывается дифференциальным уравнением Фика (скорость переноса пропорциональна градиенту):

где D – коэффициент диффузии, который в первом приближении не зависит от x и с. Закон сорбции предлагается записать в виде уравнения Лангмюра:

цесса сорбции, которая зависит от уровня напряжений, температуры.

Закон Гульдберга – Вааге дает возможность сформировать моно-, би- и тримолярные модели химического взаимодействия веществ [6]. Анализ экспериментальных данных изменения упруго-прочностных характеристик цементных композитов под действием агрессивных водных растворов показал, что наиболее адекватной является бимолярная модель. Тогда из решения уравнения (1) изменение прочности контактных

(внешних) слоев бетона t от длительного действия среды выражается функцией вида:

где k1 – характеристика активности химического взаимодействия; определяется по экспериментальным данным; c0 1; kх.с – коэффициент химического сопротивления.

Решение уравнение Фика, приведенное в работах [4, 5, 11], дает возможность определить глубинный показатель (глубину коррозионного повреждения) а по формуле вида

где k – коэффициент, определяемый по экспериментальным данным.

Совместное решение уравнений Лангмюра и Фика позволяет определить характеристики cm ,t0.5 [11] и коэффициент диффузии по формуле [11]

где k2 – коэффициент, равный 0,1–0,2; R2 – характерный размер образца (изделия).

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

Значения коэффициентов k и k2 зависят от соотношения c t , поэтому являются cm

аффилированными.

Зная кинетические характеристики D, kх.с , cm , t0.5 , a, модель деградации попереч-

ного сечения железобетонного изгибаемого элемента будем формировать на основе расчетной модели прочности наклонных сечений изгибаемых элементов, рекомендованной СП 63.13330.2012. Модель деградации (рис. 1) представляем в виде эпюр (изохрон деградации), характеризующих распределение свойств (модуля упругости, предела прочности, твердости) по высоте поперечного сечения конструкционного

элемента. Параметры деградации a и kх.с определяются по экспериментальным дан-

ным методом линеаризаци функций 3 и 4 [6].

Рассмотрим железобетонную балку с одиночным армированием, находящуюся под воздействием сосредоточенных сил и агрессивной внешней среды (см. рис. 1).

Рис. 1. Расчетная модель прочности наклонных сечений железобетонных изгибаемых элементов, подверженных действию агрессивных сред:

а– силовая модель; б – модель деградации

Вклассической теории расчета железобетонных конструкций предполагается, что разрушение бетона по наклонным сечениям происходит под действием растягиваю-

щих напряжений (первое условие прочности Rbt ). Тогда из расчетной модели (см. рис. 1) можем получить:

Если повреждений бетона нет, то принимаем A1 0 , получаем формулу М.С. Бо-

ришанского. Так как разрушение по наклонному сечению возможно под действием касательных усилий Tb , то принимаем в качестве предельного условия Rb (третье

Принимая за критерий разрушения четвертое условие прочности Кулона – Новье:

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

Балки с одиночным армированием композитными (Армастек Ø6 C-1) и стальными (Ø6 А400 М-1) стержнями перед испытанием выдерживались на воздухе (М-1, С-1) и в растворах (1 % HCl и 25 %NaCl), содержащих ионы хлора (балки С-1к).

Балки и призмы изготавливались из бетона на основе цемента ПЦ-М500-Д0 (ОАО «Мордовцемент»), В/Ц – 0,35, наполнители МК – 15 % и Пластанол-7 – 0,9 % от массы цемента.

На образцах-призмах по известной методике [6] определялись кинетические характеристики изменения прочности и сорбции цементных композитов в водных растворах, содержащих ионы хлора. Графики изменения прочности и сорбционные кривые представлены на рис. 4.

Рис. 4. Графики изменения прочности (а) и сорбции (б) цементных композитов в водных растворах:

1 – 1 % HCl; 2 – 25 % NaCl

Линеаризация графиков (см. рис. 4,а) с применением формулы (4) позволила определить функции химического сопротивления kх.с .

Линеаризация сорбционных кривых, приведенных на рис. 4,б, в осях 1/ c 1/ t позволила определить по уравнению Лангмюра предельную сорбционную емкость cm ,

кинетическую характеристику t0.5 и по формуле (6) коэффициент диффузии D. Кинетические характеристики сорбции и снижения прочности приведены в табл. 2.

Т а б л и ц а 2 Показатели химического сопротивления цементных композитов

Испытания балок проводили по нормативной методике (ГОСТ 8899-94) на установке, общий вид которой приведен на рис. 5. Нагружение проводилось ступенями 5– 10 % от разрушающей нагрузки. Деформации измерялись прогибомерами часового типа, ширина раскрытия трещин – микроскопом МПБ-2.