Modeling of Capillary Shrinkage and Cracking in Early-Age Concrete
Another Title
Моделирование капиллярной усадки и трещинообразование бетона в раннем возрасте
Bibliographic entry
Leonovich, S. N. Modeling of Capillary Shrinkage and Cracking in Early-Age Concrete = Моделирование капиллярной усадки и трещинообразование бетона в раннем возрасте / S. N. Leonovich // Наука и техника. – 2018. – №4. - С. 265-277.
Abstract
Scientific hypothesis on moistening shrinkage mechanism for cement stone and concrete has been assumed as a basis for the present paper. Physical ideas on a mechanism for cracks volume increment in a concrete model presented as two-level structure have been accepted as a theoretical basis for a calculation method of crack resistance during capillary shrinkage. These ideas are the following: a matrix of hardening cement stone with inclusions and emptiness of various forms (cracks) as result of influences that change an intense deformed state in a point and a volume. The following assumptions have been accepted while making a theoretical justification for a calculation method of shrinkable concrete crack resistance. Following this methodology approaches of fracture mechanics according to a generalized criterion have been applied in the paper. Concrete is considered as an elastic quasi-homogeneous two-component medium which consists of the following parts: a) constructive part: a matrix – a cement stone with structural elements of crushed stone, sand; b) destructive part: emptiness – capillaries cracks and pores (cavities with initial cracks in walls). Emptiness in a matrix and contact zones are presented by a coordinated five-level system in the form and sizes which are multiple to a diameter due to impacts while reaching critical sizes. These critical sizes make it possible to pass from one level into another one according to the following scheme: size stabilization – accumulation delocalization – critical concentration in single volume – transition to the following level. Process of cracks formation and their growth are considered as a result of non-power influences on the basis of crack theory principles from a condition that fields of deformation and tension creating schemes of a normal separation and shift occur in the top part of each crack at its level in the initial concrete volume. Ксij(τ) parameter as algebraic amount of critical values Kij in the whole system of all levels of cracks filling canonical volume up to critical concentration has been accepted as a generalized constant of property for concrete crack resistance in time, its resistance to formation, accumulation in volumes of micro-cracks and formation of trunk cracks with critical values. External temperature, moistening long influences create fields of tension in the top parts of cracks. Concrete destruction processes due to cracks are considered as generalized deformedintensed state in some initial volume having physical features which are inherent to a composite with strength and deformative properties. It is possible to realize analytical calculations for assessment of tension and crack resistance of concrete at early age on the basis of a generalized criterion in terms of stress intensity factor due to modern experimental data on capillary pressure value (70 kPa in 180 min after concrete placing). The developed algorithm of calculation allows to consider factors influencing on capillary pressure: type of cement, modifiers and mineral additives, concrete curing conditions.
Abstract in another language
За основу взята научная гипотеза о механизме влажностной усадки цементного камня и бетона. В качестве теоретической основы метода расчета трещиностойкости при капиллярной усадке приняты физические представления о механизме приращения объема пустотности (трещин) в модели бетона, представленной как двухуровневая структура: матрица твердеющего цементного камня с включениями и пустоты различной формы (трещины) как результат воздействий, изменяющих напряженно-деформированное состояние в точке и объеме. При теоретическом обосновании метода расчета усадочной трещиностойкости бетона с использованием подходов механики разрушения по обобщенному критерию приняты следующие допущения. Бетон рассматривается как упругая квазиоднородная двухкомпонентная среда, состоящая из: а) конструктивной части: матрицы – цементного камня со структурными элементами щебня, песка; б) деструктивной части: пустот – капилляров-трещин и пор (полостей с начальными трещинами в стенках). Пустоты в матрице и контактных зонах представлены соподчиненной пятиуровневой системой по форме и размерам, кратным диаметру, под воздействиями по достижении критических размеров, переходящие из уровня в следующий уровень по схеме: стабилизация размеров – делокализация накопления – критическая концентрация в единичном объеме – переход на следующий уровень. Процесс формирования и движения трещин рассматривается как результат несиловых воздействий на основе принципов теории трещин из условия, что в вершине каждой трещины своего уровня в каноническом объеме бетона возникают поля деформаций и напряжений, создающие схемы нормального отрыва и сдвига. В качестве обобщенной константы свойства трещиностойкости бетона во времени, его сопротивления образованию, накоплению в об ъемах микротрещин и формированию магистральных трещин критических величин принят параметр Ксij(τ) как алгебраическая сумма критических значений Kij во всей системе всех уровней трещин-пустот, заполняющих канонический объем до критической концентрации. Внешние температурные, влажностные длительные воздействия создают поля напряжений в вершинах пустот – трещин. Процессы разрушения бетона трещинами рассматриваются как обобщенное напряженно-деформированное состояние в некотором каноническом объеме, обладающем физическими особенностями, присущими композиту с прочностными и деформативными свойствами. Аналитические расчеты для оценки напряженного состояния и трещиностойкости бетона в раннем возрасте на основе обобщенного критерия в терминах коэффициентов интенсивности напряжений возможно реализовать благодаря современным экспериментальным данным о величине капиллярного давления (70 кПа через 180 мин после укладки). Разработанный алгоритм расчета позволяет учесть влияющие на капиллярное давление факторы: вид цемента, модификаторы и минеральные добавки, условия выдерживания бетона.
View/ Open
Collections
- №4[11]