Full Text

Введение Бетонные и железобетонные несущие конструкции промышленных зданий характеризуются большой надежностью, которую невозможно оценить на основе анализа статистических данных об отказах, как в электронике или машиностроении. Негативное воздействие масла на бетон и железобетон приводит к снижению надежности несущих конструкций промышленных зданий соответствующего назначения. Уже обследовано и установлено повреждение многих бетонных и железобетонных конструкций. Маслянистые жидкости влияют на перекрытия промышленных зданий, полы хранения, фундаменты для машин и нефтехранилищ и т.д. Пропитывание бетона маслянистыми жидкостями приводит к изменению деформативных свойств материала, из которого несущие конструкции изготовлены. 1. Анализ публикаций научно-технической информации При проектировании железобетонных конструкций основными задачами являются обеспечение прочности и эксплуатационной надежности. Проведен анализ широкого спектра экспериментальных баз данных и эмпирических моделей для оценки модуля упругости от прочности на сжатие и плотности бетона до верификации предложенной модели [1]. Исследованы механические свойства модуля упругости, прочности на растяжение и кривой напряжения - деформации сжатия (σ-ε) [2]. Целью исследования [3] является изучение влияния нефти (керосин, газойль и сырая нефть) на прочность на сжатие и растяжение высокоэффективного бетона. Результаты показали, что прочность уменьшалась со снижением вязкости нефти в течение всего периода воздействия. Исследовано влияние минерального масла на пропитанные бетонные каркасные фундаменты, используемые для крупногабаритных машин. Агрессивное воздействие нефти приводит к снижению сопротивления осевому сжатию для обычного и высокопрочного бетона на 17 и 11,8 % соответственно. Ключевую роль в формировании сопротивления сжатию пропитанного минеральным маслом и нефтепродуктами бетона играют пористость и проницаемость [4]. Взаимодействие модуля упругости бетона и трещиностойкости оказывает существенное влияние на критическую длину микротрещины [5]. В целях охраны и безопасности окружающей среды в современной строительной практике в качестве сырья в цементе и бетоне используются промышленные и сельскохозяйственные отходы и побочные продукты [6], а также загрязненный нефтью песок. Проведены исследования пригодности и прочностных свойств бетона, в качестве заполнителя которого используется ядро масличной пальмы. Выявлены особенности влияния изменяющегося содержания песка и оболочки ядра пальмы, а также минеральных примесей на прочность на сжатие и модуль упругости. Содержание песка влияет как на модуль упругости, так и на прочность при сжатии [7]. Рассмотрено воздействие загрязненного нефтью песка на прочность бетона на сжатие. При загрязнении 2,5-25 % прочность на сжатие 18-90 % была потеряна. Песок, содержащий более 5 % загрязнения сырой нефтью, снижает прочность бетона на сжатие более чем на 50 % [8]. Исследованиями влияния на бетон минерального масла И-30, топочного мазута, дизельного топлива, осветительного керосина, бензина А-80 [9] выявлены особенности изменения его деформативных свойств. Эти изменения заключаются в том, что при осевом сжатии продольные деформации уменьшаются, а поперечные - увеличиваются. Однако в представленных работах влияние растительного масла на свойства бетона не отражено. Исследованиями [10, 11] установлены закономерности влияния вязкости нефтепродуктов на деформативность пропитанного ими бетона. При экспериментальном исследовании установлены причинно-следственные связи между деформативными свойствами бетона и вязкостью минерального и растительного масла [12]. Анализ публикаций научно-технической информации показывает, что изучению изменения деформаций бетона под влиянием различных факторов посвящены многие исследования. Однако выполненные ранее исследования закономерности формирования деформаций бетона и цементно-песчаного раствора, пропитанного растительным маслом, не выявили. Используемые на промышленных предприятиях масла и нефтепродукты неодинаково влияют на деформативность бетонных и железобетонных конструкций, так как имеют различную вязкость. В анализируемых работах влияние минеральных и растительных масел и нефтепродуктов на деформативные свойства бетона и железобетона исследовано не в полной мере. Имеющиеся в настоящее время рекомендации по их оценке не учитывают вязкость масел и нефтепродуктов. Это сдерживает возможности решения задач оценки надежности несущих бетонных и железобетонных конструкций промышленных зданий. Целью исследования является изучение особенностей влияния вязкости маслянистых жидкостей на деформативные свойства бетона и цементно-песчаного раствора. В результате исследования влияния растительного и минерального масла с различной вязкостью на деформативные свойства бетона и цементно-песчаного раствора установлены закономерности их изменения. Разработаны эмпирические математические модели для прогнозирования деформаций бетона в зависимости от вязкости масла. 1. Методы исследования Из бетонной смеси (бетон класса В30) изготовлены 18 единиц стандартных призм (70´70´280). Образцы выдержаны в камере нормального твердения в течение 28 сут. После набора проектной прочности образцы разделены на группы: а) контрольные образцы - по 3 призмы из бетона и цементно-песчаного раствора; б) по 5 призм из бетона и цементно-песчаного раствора, пропитанных соответственно минеральным маслом И-30А, оливковым маслом, кукурузным маслом. Свойства нефтепродуктов и растительных масел приняты по справочным данным [13, 14]. Условная вязкость растительных масел определена по таблице перевода секунд Сейболта в градусы Энглера [15]. Для насыщения образцы помещены в емкости, которые заполнены растительным (оливковое, кукурузное) и минеральным маслом (индустриальное И-30А) соответственно. В указанных условиях образцы выдержаны до насыщения при комнатной температуре от 16 до 24° С. По мере поглощения масло в емкости доливали. Образцы были взвешены перед началом насыщения маслом. Точность измерения массы образца принята не менее ±0,5 г. Контроль степени насыщения выполнен взвешиванием образцов один раз в семь суток. Прекращение увеличения массы образца при двух последующих взвешиваниях принято определяющим признаком полного насыщения. В рамках экспериментального исследования определены продольные (εlong) и поперечные (εtran) деформации контрольных и пропитанных маслом образцов. Математическая обработка экспериментальных данных выполнена по известным методикам математической статистики. Это позволило получить статистически значимые результаты экспериментов с надежностью не ниже α = 0,90. Уровень относительного статического напряжения определялся по формуле σre = σ/Rb, (1) где σ - текущее напряжение от нагрузки осевого сжатия, МПа; Rb - проектная прочность образца на осевое сжатие, МПа. Исследование деформаций выполнено в диапазоне изменения относительного статического напряжения от σre = 0,054 до σre = 0,845 без разрушения образцов. При уровне относительного статического напряжения σre ≥ 0,950 поперечные деформации приводили к образованию открытых трещин и сколов на образцах. Этим обусловлено верхнее значение σre = 0,845, как условие неразрушения. К анализу приняты результаты исследований, выполненные другими авторами [1-4, 7-12]. Диаграммы изменения деформаций в зависимости от напряжения при осевом сжатии использованы при анализе экспериментальных данных. С применением метода регрессионного анализа разработаны эмпирические математические модели. Использование представленных материалов для экспериментального исследования, а также методов математической обработки и анализ полученных данных позволили уточнить причинно-следственные связи в аспекте влияния растительного и минерального масла на деформативные свойства пропитанного ими бетона и цементно-песчаного раствора. 2. Результаты экспериментального исследования 2.1. Исследование поперечных деформаций образцов при осевом сжатии Диаграмма изменения поперечных деформаций образцов, пропитанных оливковым маслом, представлена на рис. 1. Рис. 1. Изменение поперечных деформаций образцов, пропитанных оливковым маслом Fig. 1. Change in the transverse deformations of samples impregnated with olive oil В диапазоне нагружений от 0,054σ/Rb до 0,51σ/Rb поперечные деформации контрольных образцов изменяются от 0,1´10-4 до 0,8´10-4 мм при среднем значении 0,3´10-4 мм. При этом интенсивность нарастания поперечных деформаций составляет в среднем 0,05´10-4 мм на 0,1σ/Rb. В диапазоне нагружений от 0,51σ/Rb до 0,845σ/Rb поперечные деформации контрольных образцов изменяются от 1,16´10-4 до 4,4´10-4 мм при среднем значении 2,94´10-4 мм. Интенсивность нарастания поперечных деформаций составляет в среднем 0,42´10-4 мм на 0,1σ/Rb. Это в 8,4 раза больше нарастания поперечных деформаций в диапазоне нагружения от 0,054σ/Rb до 0,51σ/Rb. В диапазоне нагружений от 0,054σ/Rb до 0,51σ/Rb поперечные деформации образцов, пропитанных оливковым маслом, изменяются от 0,18´10-4 до 1,74´10-4 мм при среднем значении 0,93´10-4 мм. Интенсивность нарастания поперечных деформаций образцов, пропитанных оливковым маслом, составляет 0,15´10-4 мм на 0,1σ/Rb. Это в 3,1 раза выше, чем для поперечных деформаций контрольных образцов в данном диапазоне нагружений. В диапазоне нагружений от 0,51σ/Rb до 0,845σ/Rb поперечные деформации образцов, пропитанных оливковым маслом, изменяются от 1,54´10-4 до 7,6´10-4 мм при среднем значении 3,88´10-4 мм. Интенсивность нарастания поперечных деформаций в данном диапазоне составляет в среднем 0,55´10-4 мм на 0,1σ/Rb. Это в 3,6 раза выше, чем в диапазоне нагружений от 0,054σ/Rb до 0,51σ/Rb, и в 1,6 раза выше, чем у контрольных образцов в этом диапазоне нагружений. На рис. 2 представлена диаграмма изменения поперечных деформаций образцов, пропитанных кукурузным маслом. В диапазоне нагружений от 0,054σ/Rb до 0,51σ/Rb поперечные деформации образцов, пропитанных кукурузным маслом, изменяются от 0,14´10-4 мм до 1,9´10-4 мм при среднем значении 0,93´10-4 мм. Интенсивность нарастания поперечных деформаций образцов, пропитанных кукурузным маслом, составляет в среднем 0,11´10-4 мм на 0,1σ/Rb. Это в 2,2 раза выше, чем для поперечных деформаций контрольных образцов в данном диапазоне нагружений. В диапазоне нагружений от 0,51σ/Rb до 0,845σ/Rb поперечные деформации образцов изменяются от 1,12´10-4 до 6,9´10-4 мм при среднем значении 3,8´10-4 мм. Интенсивность нарастания поперечных деформаций в данном диапазоне составляет в среднем 0,54´10-4 мм на 0,1σ/Rb. Это в 4,9 раза выше, чем в диапазоне нагружений от 0,054σ/Rb до 0,51σ/Rb, и в 1,6 раза выше, чем у контрольных образцов в этом диапазоне нагружений. На рис. 3 представлена диаграмма изменения поперечных деформаций образцов, пропитанных индустриальным маслом И-30А. Рис. 2. Изменение поперечных деформаций образцов, пропитанных кукурузным маслом Fig. 2. Changing the transverse deformation of the sample impregnated with corn oil Рис. 3. Изменение поперечных деформаций образцов, пропитанных индустриальным маслом И-30А Fig. 3. Change in transverse deformations of samples impregnated with industrial oil I-30A В диапазоне нагружений от 0,054σ/Rb до 0,51σ/Rb поперечные деформации образцов, пропитанных индустриальным маслом И-30А, изменяются от 0,10´10-4 до 2,2´10-4 мм при среднем значении 0,73´10-4 мм. Интенсивность нарастания поперечных деформаций образцов, пропитанных индустриальным маслом И-30, составляет 0,10´10-4 мм на 0,1σ/Rb. Это в 1,97 раза выше, чем для поперечных деформаций контрольных образцов в данном диапазоне нагружений. В диапазоне нагружений от 0,51 σ/Rb до 0,845 σ/Rb поперечные деформации изменяются от 1,1´10-4 до 7,6´10-4 мм при среднем значении 3,4´10-4 мм. Интенсивность нарастания поперечных деформаций в данном диапазоне составляет в среднем 0,48´10-4 мм на 0,1 σ/Rb. Это в 4,9 раза выше, чем в диапазоне нагружений от 0,054 σ/Rb до 0,51 σ/Rb, и 1,4 раза выше, чем у контрольных образцов в этом диапазоне нагружений. Анализ диаграмм показывает, что поперечные деформации контрольных и пропитанных различным маслом образцов изменяются по одинаковой закономерности. Нарастание поперечных деформаций имеет нелинейный характер. Абсолютные значения поперечных деформаций образцов, пропитанных различным маслом, неодинаковы и зависят от его вязкости. Разброс экспериментальных данных обусловлен неоднородностью бетонных образцов. При осевом сжатии поперечные деформации у пропитанных маслом образцов на 140-490 % больше, чем у контрольных образцов. Закономерности изменения поперечных деформаций образцов, пропитанных маслом, обусловлены тем, что маслянистые жидкости, заполнившие поры, являются несжимаемыми и передают нагрузку на скелет затвердевшей цементной пасты во всех направлениях. При этом передача нагрузки враспор приводит к разрушению скелета бетона, проявляющемуся в начальной стадии в виде микротрещин, которые увеличиваются по мере нагружения [5]. Совокупность признаков позволяет считать, что масло, пропитывающее бетонные и цементно-песчаные образцы, оказывает влияние на их деформативные свойства. При этом значения величины поперечной деформации пропитанных маслом образцов отличаются между собой и неодинаковы для каждого вида масла. Это позволяет считать, что важным фактором, влияющим на деформативные свойства бетона, является вязкость пропитывающего его масла. 2.2. Разработка и верификация эмпирических математических моделей изменения поперечных деформаций На основе результатов выполненного экспериментального исследования и с учетом анализа данных о влиянии растительного масла на деформативные свойства бетона разработаны эмпирические математические модели изменения поперечных деформаций при различных уровнях нагрузки осевого сжатия, которые происходят по следующим закономерностям: ¨ кукурузное масло: σre = 2,640+0,567lgεtran; (2) ¨ оливковое масло: σre = 2,634+0,567lgεtran (3) где σre - относительный уровень статического напряжения, д. ед.; etran - относительные поперечные деформации, д. ед. Предложенные модели валидны с коэффициентом детерминации не менее R2 = 0,95 в диапазоне осевой нагрузки сжатия от σre = 0,1Rb до σre = 0,9Rb и условной вязкости от V = 1,1 °Е до V = 26 °Е. Верификация математических моделей выполнена сравнением расчетных и фактических числовых значений деформаций. Отклонение не превысило ±3,9 %. Это ниже значения ошибки, принятой в плане эксперимента. 2.3. Исследование продольных деформаций образцов, пропитанных маслом На рис. 4 представлена диаграмма изменения продольных деформаций контрольных образцов и образцов, пропитанных оливковым маслом. Рис. 4. Изменение продольных деформаций образцов, пропитанных оливковым маслом Fig. 4. Changing the longitudinal deformations of samples impregnated with olive oil В диапазоне нагружения от 0,054 σ/Rb до 0,51 σ/Rb продольные деформации контрольных образцов изменяются от 0,6´10-4 до 4,2´10-4 мм при среднем значении 1,8´10-4 мм. Интенсивность изменения продольных деформаций составляет в среднем 0,4´10-4 мм на 0,1 σ/Rb. В этом же диапазоне нагружений продольные деформации образцов, пропитанных оливковым маслом, колеблются от 0,1´10-4 до 4,1´10-4 мм при среднем значении 0,8´10-4 мм. Интенсивность изменения продольных деформаций образцов, пропитанных оливковым маслом, составляет в среднем 0,14´10-4 мм на 0,1 σ/Rb. Это на 45 % ниже, чем у контрольных образцов в этом диапазоне. В диапазоне нагружения от 0,51 σ/Rb до 0,845 σ/Rb продольные деформации контрольных образцов изменяются от 4,2´10-4 до 15,2´10-4 мм при среднем значении 10,3´10-4 мм. Интенсивность изменения продольных деформаций контрольных образцов в указанном диапазоне нагружений составляет в среднем 1,1´10-4 мм на 0,1 σ/Rb. В диапазоне нагружения от 0,51 σ/Rb до 0,845 σ/Rb продольные деформации образцов, пропитанных оливковым маслом, колеблются от 3,3´10-4 до 12,2´10-4 мм при среднем значении 6,7´10-4 мм. Интенсивность изменения продольных деформаций контрольных образцов в указанном диапазоне нагружений составляет в среднем 0,73´10-4 мм на 0,1 σ/Rb. Это на 67 % ниже, чем у контрольных образцов в этом диапазоне нагружений. Диаграмма изменения продольных деформаций образцов, пропитанных кукурузным маслом, представлена на рис. 5. В диапазоне нагружения от 0,054 σ/Rb до 0,51 σ/Rb продольные деформации образцов, пропитанных кукурузным маслом, изменяются от 0,1´10-4 до 3,7´10-4 мм при среднем значении 0,66´10-4 мм. Интенсивность изменения продольных деформаций составляет в среднем 0,13´10-4 мм на 0,1 σ/Rb. Это на 37 % ниже, чем у контрольных образцов в этом диапазоне нагружений. В диапазоне нагружения от 0,51 σ/Rb до 0,845 σ/Rb продольные деформации образцов, пропитанных кукурузным маслом, изменяются от 2,75´10-4 до 11,2´10-4 мм при среднем значении 5,76´10-4 мм. Интенсивность изменения продольных деформаций контрольных образцов в указанном диапазоне нагружений составляет в среднем 0,72´10-4 мм на 0,1 σ/Rb. Это на 63 % ниже, чем у контрольных образцов в этом диапазоне нагружений. На рис. 6 представлена диаграмма продольных деформаций образцов, пропитанных индустриальным маслом И-30А. Рис. 5. Изменение продольных деформаций образцов, пропитанных кукурузным маслом Fig. 5. Changing the longitudinal deformations of samples impregnated with corn oil Рис. 6. Изменение продольных деформаций образцов, пропитанных индустриальным маслом И-30А Fig. 6. Altering the longitudinal deformations of samples impregnated with industrial oil I-30A В диапазоне нагружения от 0,054 σ/Rb до 0,51 σ/Rb продольные деформации образцов, пропитанных индустриальным маслом И-30А, изменяются от 0,1´10-4 до 3,8´10-4 мм при среднем значении 0,83´10-4 мм. Интенсивность изменения продольных деформаций в данном диапазоне нагружений составляет 0,17´10-4 мм на 0,1 σ/Rb. Это на 53 % ниже, чем у контрольных образцов в этом диапазоне нагружений. В диапазоне нагружения от 0,51 σ/Rb до 0,845 σ/Rb продольные деформации образцов, пропитанных индустриальным маслом И-30А, изменяются от 3,10´10-4 до 12,2´10-4 мм при среднем значении 6,0´10-4 мм. Интенсивность нарастания продольных деформаций составляет в среднем 0,66´10-4 мм на 0,1σ/Rb. Это на 52 % ниже, чем для контрольных образцов данного диапазона нагружений. Анализ диаграмм показывает, что продольные деформации исследованных образцов изменяются по нелинейной закономерности. При возрастании осевого сжатия увеличение продольных деформаций у пропитанных маслом образцов менее интенсивно, чем у контрольных образцов. Продольные деформации у пропитанных маслом образцов в среднем на 52 % меньше, чем у контрольных образцов. Масло в порах образцов оказывает дополнительное сопротивление осевому сжатию. В направлении осевого сжатия масло совместно со скелетом затвердевшей цементной пасты воспринимает давление и сдерживает развитие продольных деформаций. 2.4. Разработка и верификация эмпирических математических моделей изменения продольных деформаций На основе результатов выполненного экспериментального исследования и с учетом данных анализа влияния масла на деформативные свойства бетона разработаны эмпирические математические модели изменения его продольных деформаций. Модели изменения продольных деформаций пропитанных маслом образцов при осевом статическом нагружении сжатия имеют вид: ¨ кукурузное масло: lgσre = 1,824 + 0,653lgεlong, (4) ¨ оливковое масло: lgσre = 1,820 + 0,651lgεlong (5) где sre - относительный уровень статического напряжения, д. ед.; elong - относительные продольные деформации, д. ед. Предложенные модели валидны с коэффициентом детерминации не менее R2 = 0,95 в диапазоне осевого сжатия от sre = 0,1Rb до sre = 0,9Rb и условной вязкости от V = 1,1 °Е до V = 26 °Е. Верификация эмпирических математических моделей выполнена сравнением расчетных и фактических данных измерений. Установлено, что наибольшее отклонение не превышало ±4,4 %. Это ниже показателя ошибки, принятого при планировании эксперимента. 2.5. Обобщение результатов экспериментального исследования Разработанные эмпирические математические модели позволяют прогнозировать изменение деформаций цементно-песчаного раствора и бетона, пропитанных растительным (оливковое, кукурузное) и минеральным (индустриальное И-30А) маслом, в фактических условиях эксплуатации при известных осевых статических нагрузках. В результате экспериментального исследования установлено, что с повышением вязкости масла возрастает эффект снижения продольных и увеличения поперечных деформаций пропитанного бетона. У бетона, пропитанного маслом, поры заполнены несжимаемой жидкостью. Вязкая и практически несжимаемая жидкость, заполнившая поры и капилляры, воспринимает часть осевой нагрузки сжатия. Вследствие этого явления деформации затвердевшей цементной пасты в направлении действия силы сжатия меньше, чем у контрольных образцов. В начале нагружения проявляются локальные микропластические деформации и микротрещины, которые постепенно разрастаются. Из существующих пор пропитавшее бетон масло проникает в образовавшиеся микротрещины. Скорость заполнения микротрещин маслом в значительной степени зависит от его вязкости. Постепенное накопление трещин различной величины и направленности приводит к деструктивным явлениям несущих бетонных и железобетонных конструкций [5]. Анализ и сопоставление полученных данных с результатами исследования других авторов в разные годы [1-4, 7-12] показывает, что применение разработанных эмпирических математических моделей целесообразно для оценки изменений бетона, пропитанного растительным и минеральным маслом с известной условной вязкостью. Анализ экспериментальных данных показывает, что растительные и минеральные масла, заполнившие поры и капилляры бетона, оказывают существенное влияние на его деформативные свойства. Это необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации несущих элементов конструкций зданий, где производят или используют в технологических процессах растительное или минеральное масло. Заключение На основе анализа и обобщения результатов исследования сделаны следующие выводы: 1. Деформативные свойства бетона при осевом сжатии находятся в зависимости от пропитавшего его масла. 2. Вязкость масла определяет особенности его влияния на деформативные свойства бетона. 3. Установлены закономерности изменения деформативных характеристик бетона в зависимости от вязкости пропитавшего его масла. Разработаны эмпирические математические модели изменения поперечных и продольных деформаций пропитанного маслом бетона при его осевом сжатии. Модели валидны с коэффициентом детерминации R2 = 0,95 в диапазоне осевого сжатия σre = (0,1-0,9) Rb при вязкости масла от V = 1,1 °E до V = 26,0 °E. Верификация моделей показала, что отклонение расчетных и экспериментальных значений не превышает ±4,4 %. 4. Полученные результаты могут быть использованы при решении инженерных задач обеспечения надежности несущих бетонных конструкций промышленных зданий. 5. Исследования влияния масла с различной вязкостью на деформативные свойства бетона продолжаются.

About the authors

A. P Svintsov

Peoples' Friendship University of Russia

S. L Shambina

Peoples' Friendship University of Russia

R. S Fediuk

Far Eastern Federal University

References

Statistics

Views

Abstract - 736

PDF (Russian) - 65

Refbacks

• There are currently no refbacks.