Издаётся с сентября 1923 года
DOI: 10.33622/0869-7019
Russian Science Citation Index (RSCI) на платформе Web of Science


  • СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА
  • Модели описания ползучести бетона - из прошлого в будущее
  • УДК 624.044:539.376 DOI: 10.33622/0869-7019.2019.03.55-69
    Харальд С. МЮЛЛЕР, почетный профессор, доктор наук в области строительных материалов и конструкций, почетный президент ФИБ, иностранный член Российской инженерной академии, e-mail: hsm@mpa.kit.edu
    Технологический институт Карлсруэ, Кайзерштассе, 12, 76131 Карлсруэ, Германия
    Аннотация. Около 80 лет назад была установлена значимость явления ползучести для бетонных конструкций, ознаменовавшая собой начало широкомасштабных исследований ее характеристик, что оказалось довольно сложным. Результаты этих исследований за прошедшие десятилетия были включены в определяющие модели ползучести, которые необходимы для обеспечения надежного проектирования и расчета конструкционного бетона. В статье описаны общие подходы, главные достижения и основополагающие принципы этих моделей, а также параметры и характеристики бетона, влияющие на ползучесть. Приведены базовые приближения к расчетам деформаций ползучести, содержащиеся в действующих нормах и стандартах. Главное внимание при этом уделяется моделям, предложенным Европейским (международным) комитетом по бетону (СЕВ) и Международной федерацией по конструкционному бетону (fib), в частности модели ползучести в Модельном кодексе fib 2010 г., который стал основой разрабатываемых сегодня новых еврокодов. Эта модель представлена в сжатой форме, а также обсуждена с учетом точности ее прогнозирования. Автор намечает дальнейшие пути улучшения модели и рассматривает для примера новые направления исследований. Показано, что, несмотря на достигнутые огромные успехи, сохраняются значительные возможности для дальнейшего уточнения моделей ползучести. Для того чтобы устранить имеющиеся пробелы, необходимы дополнительные консолидированные исследования, в том числе запланированные в рамках инициативы fib по созданию Модельного кодекса 2020 г. К числу нерешенных проблем автор относит влияние на ползучесть ранней нагрузки, изменяющихся условий окружающей среды, прежде всего влажности, особенности поведения ультравысокопрочных бетонов классов прочности на сжатие более С100/С115 и т. д., что проиллюстрировано результатами последних исследовательских работ. Подчеркивается, что состав бетонов, используемых на практике, в настоящее время претерпевает заметные изменения в связи с возрастающей ролью учета принципов устойчивого развития. Так, количество портландцемента в конструкционных бетонах сейчас радикальным образом уменьшено. Его либо заменяют молотыми инертными минеральными наполнителями, либо применяют вторичные минеральные вяжущие материалы, такие как зола-уноса или гранулированный доменный шлак. Бетоны с данным составом демонстрируют несколько иную ползучесть по сравнению с обычными конструкционными бетонами. Кроме того, базы данных, используемые для оптимизации текущих моделей ползучести, в основном включают бетоны со стандартным составом, применявшиеся в период с 1960 по 2000 гг. Автор обращает особое внимание на тот факт, что при прогнозе развития ползучести самое надежное приближение получается, когда испытания бетона, который будут использовать при возведении здания или сооружения, выполняют до начала строительства. Такие испытания общеприняты в отдельных странах, но почти повсеместно лица, принимающие ключевые решения, как правило, неохотно выделяют несколько тысяч евро (что составляет лишь небольшую часть общей стоимости строительства, например мостов, многоэтажных зданий и т. д.) на столь важные работы. Предварительные лабораторные испытания наиболее уместны для эффективной оптимизации стандартных моделей, поскольку они позволяют создавать специализированные конструкторские решения. Это особенно актуально для новых видов экобетонов, которые поступают в настоящее время на рынок, хотя совершенствование моделей прогнозирования ползучести - это один из подходов к проектированию более функциональных железобетонных конструкций. Другой, даже лучший, подход заключается в минимизации ползучести и ее неблагоприятного влияния. Это, однако, требует более глубокого понимания микроструктурных механизмов и возможности управлять преобладающими механизмами. Однако причины ползучести изучены лишь в довольно ограниченной степени. Общепризнано, например, что ползучесть бетона почти исключительно обусловлена ползучестью гидратированного цементного камня, в то время как обычные заполнители практически не деформируются. При этом ползучесть цементного камня регулируется в основном состоянием воды внутри него. В дополнение к зависимым от напряжений перемещениям воды внутри системы пор могут происходить процессы сдвига и уплотнения. Увеличение ползучести при высоких напряжениях обусловлено в первую очередь зависящим от времени ростом микротрещин, что может привести даже к разрушению. Автором приведены ссылки на обзоры гипотез о причинах ползучести, однако отмечается, что с момента их появления до сегодняшнего дня достигнут только небольшой прогресс. С точки зрения понимания механизмов ползучести нужны новые экспериментальные подходы. По мнению автора, есть две методики, применение которых обещает гораздо более глубокое понимание: наноиндентирование и малоугловое рентгеновское рассеяние. Ожидания особенно высоки в отношении дальнейшей эволюции метода малоуглового рентгеновского рассеяния, который позволяет получить четкое и объективное представление о фактических микроструктурных процессах, происходящих при длительной загрузке бетона. Только в том случае, если эти процессы будут полностью поняты, могут быть разработаны осознанные меры для воздействия на ползучесть. В этом направлении сегодня ведутся весьма перспективные исследования.
    Ключевые слова: модели ползучести бетона, состав бетонов, причины ползучести, экспериментальные подходы, международные стандарты.
  • ЛИТЕРАТУРА
    1. American Concrete Institute ACI, Committee 209 (2008), Guide for modeling and calculating shrinkage and creep in hardened concrete [Руководство по моделированию и расчету усадки и ползучести в затвердевшем бетоне].
    2. Anders, I. (2012), Stoffgesetz zur Beschreibung des Kriech- und Relaxationsverhaltens junger normal- und hochfester Betone [Закономерности для описания свойств ползучести и релаксации обычных и высокопрочных бетонов в раннем возрасте]. Dissertation, Karlsruher Institut fьr Technologie, Karlsruhe, Germany.
    3. Bazant, Z. P. (1972), Prediction of concrete creep effects using age-adjusted effective modulus method [Прогнозирование влияния ползучести бетона с использованием метода эффективного модуля с поправкой на возраст]. ACI Journal, Vol. 69.
    4. Bazant, Z. P.; Panula, L. (1978), Practical prediction of time-dependant deformations of concrete [Практическое прогнозирование деформаций бетона, зависимых от времени]. Matйriaux and Constructions, Vol. 11, No. 65, 1978; Vol. 11, No. 66, 1978; Vol. 12, No. 69, 1979.
    5. Bazant, Z. P. (1988), Mathematical modelling of creep and shrinkage of concrete [Математическое моделирование ползучести и усадки бетона]. John Wiley & Sons Ltd., Chichester, Great Britain.
    6. Bazant, Z. P.; Baweja, S. (1995), Creep and Shrinkage Prediction Model for Analysis and Design of Concrete Structures - Model B3 [Модель прогнозирования ползучести и усадки для расчета и проектирования бетонных конструкций]. Materials and Structures, Vol. 28, 1995, pp. 357-365.
    7. Bazant, Z. P.; Hubler, M. H.; Qiang, Y. (2011), Pervasiveness of Excessive Segmental Bridge Deflections: Wake-Up Call for Creep [Повсеместное присутствие избыточных сегментарных прогибов моста: первый тревожный признак ползучести]. ACI Structural Journal, Vol. 108, No. 6, pp. 766-774.
    8. Bazant, Z. P. and Yu, Q. (2013), Relaxation of Prestressing Steel at Varying Strain and Temperature: Viscoplastic Constitutive Relation [Релаксации преднапрягаемой стали при меняющихся напряжениях и температуре: физическое уравнение]. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, Vol. 139, No. 7, pp. 814-823.
    9. CEB-FIP Model Code (1978), Model Code for Concrete Structures [Модельный кодекс для конструкционного бетона]. Comitй Euro-International du Bйton (CEB), Paris.
    10. CEB Bulletin 199 (1990), Evaluation of the time dependent behaviour of concrete [Оценка поведения бетона в зависимости от времени]. Comitй Euro-International du Bйton, Lausanne, Switzerland.
    11. CEB Bulletin 215 (1993), Structural effects of time dependent behaviour of Concrete [Воздействия на конструкцию поведения бетона в зависимости от времени]. Comitй Euro-International du Bйton, Lausanne, Switzerland.
    12. DAfStb Guideline (2002), Erlдuterungen zu DIN 1045-1 [Пояснения к DIN 1045-1]. Deutscher AusschuЯ fьr Stahlbeton, Vol. 525, Beuth Verlag GmbH.
    13. DIN 1045 (2001), Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton. Teil 1: Bemessung und Konstruktion [Несущие конструкции из бетона, железобетона и преднапряженного бетона. Часть 1: Расчет и проектирование]. Ausgabe Juli 2001.
    14. DIN 4227 (1979), Spannbeton. Richtlinie fьr die Bemessung und Ausfьhrung [Преднапряженный бетон. Руководство по расчету и производству работ]. Last edition: July 1988.
    15. EN 1992-1-1:2004 (2004), Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings [Еврокод-2. Проектирование бетонных конструкций. Часть 1-1. Общие правила и правила для зданий].
    16. fib Bulletin 70 (2013), Code-type models for concrete behaviour. Background of MC2010 [Модели поведения бетона для норм проектирования. Основы МС2010]. International Federation for Structural Concrete (fib), Lausanne, Switzerland.
    17. fib Model Code 2010 (2013), fib Model Code for Concrete Structures 2010 [Модельный кодекс для конструкционного бетона 2010 года]. International Federation for Structural Concrete (fib), Lausanne, Switzerland.
    18. Mьller, H. S. (1993), Considerations on the development of a database on creep and shrinkage tests [Соображения по разработке базы данных для испытаний на ползучесть и усадку]. Creep and Shrinkage of Concrete, Proceedings of the 5th International RILEM Symposium on Creep and Shrinkage of Concrete (ConCreep 5), Bazant, Z. P.; Carol, I. (Eds.), E&FN Spon, London, pp. 859 - 872.
    19. Mьller, H. S.; Pristl, M. (1993), Creep and shrinkage of concrete at variable ambient conditions [Ползучесть и усадка бетона при переменных условиях окружающей среды]. Creep and Shrinkage of Concrete, Proceedings of the 5th International RILEM Symposium on Creep and Shrinkage of Concrete (ConCreep 5), Bazant, Z. P. und Carol I. (Eds.), E & FN Spon, London, pp. 15-26.
    20. Mьller, H. S.; Kьttner, C. H.; Kvitsel, V. (1999), Creep and shrinkage models for normal and high performance concrete - a unified code-type approach [Модели ползучести и усадки для обычного и высокофункционального бетонов - унифицированный подход к нормам проектирования]. Journal of the Revue francaise du genie civil, Paris, France.
    21. Mьller, H. S.; Kvitsel, V. (2002), Kriechen und Schwinden von Beton. Grundlagen der neuen DIN 1045 und Ansдtze fьr die Praxis [Ползучесть и усадка бетона. Основы нового DIN 1045 и подходы к практике]. Beton- und Stahlbetonbau, Vol. 97, No. 1, pp. 9-19.
    22. Mьller, H. S. (2006), Betonbautechnik - Neue Entwicklungen im Ьberblick. 3. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung "Innovationen in der Betonbautechnik" [Строительство из бетона - обзор новых разработок. 3. Симпозиум по строительным материалам и сохранению строительных сооружений "Инновации в строительстве из бетона"], Universitдt Karlsruhe (TH), Mьller, H. S. et al. (Ed.), Universitдtsverlag Karlsruhe, S. 9-22.
    23. Mьller, H. S. et al. (2010), Time-dependent behaviour of ultra-high performance concrete (UHPC) [Поведение ультравысокофункционального бетона в зависимости от времени]. Proceedings of the 3rd International fib Congress, Washington D. C.
    24. Mьller, H. S.; Eckhardt, J.-D.; Haist, M. (2013), New experimental approach to study creep and shrinkage mechanisms of concrete on the nano-scale level [Новый экспериментальный подход к исследованию механизмов усадки и ползучести бетона на нано-уровне]. Proceedings of the 9th International Conference on Mechanics and Physics of Creep, Shrinkage and Durability of Concrete and Concrete Structures (ConCreep-9), Ulm, F.-J.; Jennings, H. M. and Pellenq, R. (Eds.), ASCE, pp. 150-157.
    25. Mindess, S.; Young, J. G. (1981), Concrete [Бетон]. Prentice Hall Inc., New Jersey, USA.
    26. Neville, A. M.; Dilger, W. H.; Brooks, J. J. (1983), Creep of plain and structural concrete [Ползучесть неармированного и конструкционного бетонов]. Construction Press, London, Great Britain.
    27. RILEM TC 107-CSP (1998), Creep and shrinkage prediction models: Principles of their formation. Recommendations: Measurement of time-dependent strains of concrete [Модели прогнозирования усадки и ползучести бетона: принципы их формирования. Рекомендации: Измерение напряжений в бетоне в зависимости от времени]. Materials and Structures, Vol. 31, pp. 507-512.
    28. Rьsch, H.; Jungwirth, D.; Hilsdorf, H. K. (1973), Kritische Sichtung der Verfahren zur Berьcksichtigung der Einflьsse von Kriechen und Schwinden des Betons auf das Verhalten der Tragwerke [Критическая оценка способов учета влияния ползучести и усадки бетона на поведение несущих конструкций]. Beton- und Stahlbetonbau, Heft 3, 4 und 6.
    29. Trost, H. (1967), Auswirkungen des Superpositionsprinzips auf Kriech- und Relaxationsprobleme bei Beton und Spannbeton [Влияние принципа суперпозиции на проблемы ползучести и релаксации бетона и преднапряженного бетона]. Beton- und Stahlbetonbau, No. 10 and 11.
    30. Troxell, G. E.; Raphael, J. M.; Davis, R. E. (1958), Long time creep and shrinkage tests of plain and reinforced concrete [Долговременные испытания неармированного бетона и железобетона на ползучесть и усадку]. ASTM Proceedings, Vol. 58, pp. 1101-1120.
    31. Wittmann, F. H. (1977), Grundlagen eines Modells zur Beschreibung charakteristischer Eigenschaften des Betons [Основы моделей для описания характеристических свойств бетона]. Schriftenreihe des Deutschen Ausschusses fьr Stahlbeton, No. 290, Ernst & Sohn, Berlin, Germany.
  • Для цитирования: Мюллер Х. С. Модели описания ползучести бетона - из прошлого в будущее // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 3. С. 55-69. DOI: 10.33622/0869-7019.2019.03.55-69.

НАЗАД