Оцінка механічних властивостей модифікованого цементного каменю методом наноіндентування

The mechanical properties of materials began to appear higher requirements. The development of various technologies has become widespread in the modern world, which has contributed to the creation of new building materials. The nanoindentation method has become an alternative approach to the study of the mechanical properties of materials at the nanoscale. In this case, it is not the dimensions of the sample that are reduced, but the size of the deformed region. During nanoindentation, most solid and superhard non-metallic materials are deformed elastically-plastic, which allows characterizing such mechanical properties as hardness and elastic modulus.Based on an analysis of literature, it was found that C-S-H exists in at least three different structural forms: low, high, and ultrahigh densities, which have different average values of hardness and hardness and various volume concentrations. The average values of hardness and hardness turned out to be properties inherent in the С–S–H structure, which do not change in various materials based on cement.In this work, the nanoindentation method was used, preliminary results of the studied cement samples were obtained. The studies were carried out by an automated Hysitron TI 950 TriboIndenter nanoindent. During mechanical measurements, a diamond probe tip was used.It was found that the elastic modulus M increases in samples that contain a complex additive containing nanosized particles. The effect is also observed when a sol of nanosilica or carbon nanomaterial is introduced into a plasticizing additive. The results are presented by histograms of the distribution of nanoindentation points modulo elasticity E and stiffness H.До механічних властивостей матеріалів стали з'являтися більш високі вимоги. Розвиток різних технологій набули широкого поширення в сучасному світі, що сприяло створенню нових будівельних матеріалів. Метод наноіндентування став альтернативним підходом до дослідження механічних властивостей матеріалів на нанорівні. В цьому випадку зменшуються не розміри зразка, а розмір деформованої області. При наноіндентування більшість твердих і надтвердих неметалічних матеріалів деформується пружно-пластично, що дозволяє характеризувати такі механічні властивості, як твердість і модуль пружності.На основі аналізу літературних джерел виявлено, що C-H-S існує, принаймні, в трьох різних за структурою формах: низькою, високою і надвисокою щільності, які мають різні середні величини жорсткості та твердості й різні об'ємні концентрації. Середні величини жорсткості та твердості виявилися властивостями, притаманними структурі C-H-S, які не змінюються в різних матеріалах, заснованих на цементі.У даній роботі використаний метод наноіндентування, отримані попередні результати досліджуваних цементних зразків. Дослідження здійснювалися автоматизованим наноіндентом Hysitron TI 950 TriboIndenter. Під час проведення механічних вимірювань використовувався алмазний наконечник зонда.Встановлено, що модуль пружності M збільшується у зразків, які містять комплексну добавку, що містить нанорозмірні частинки. Ефект також спостерігається і при введенні в пластифікуючі добавку, як золь нанокремнезема, так і вуглецевий наноматериал. Результати представлені гістограмами розподілу точок наноіндентування по модулю пружності E і жорсткості H

Алгоритм расчета трещиностойкости бетона в раннем возрасте при капиллярной усадке по обобщенному критерию

The method of concrete crack-resistance prediction at early age is developed at capillary shrinkage with use of approaches of fracture mechanics, which is guided by the concept of accumulation of defects in structure in the form of capillaries and cracks to their critical concentration of Cc. At the same time process at two stages is considered: on the first – process of formation and growth of defects and on the second – the process, which is directly accompanying destructions (fragmentation) at critical concentration of defects. As a theoretical basis of a method physical ideas of the increment volume mechanism of hollowness of cracks in the concrete model, presented as two-level structure are accepted: a matrix of the hardened cement stone with inclusions and emptiness of various form (crack) as result of the external influences, changing the intense deformed state. The main criterion of a method – the generalized total parameter of crack-resistance calculated on the basis of model schemes of growth, association, localization of cracks system, their classification by types and relative quantity in volume at the initial concentration increasing to critical, that is caused by physical processes of capillary shrinkage is established. Being based on the considered regularities of process of concrete destruction, it is offered to divide all defects of structure, both initial, and developed as a result of power and not power influences, into 5 main types. The amount of pores and cracks of the first four types depends on concrete porosity, and type V – and on the volume content of grains of small or coarse aggregate. To each type of damages, there corresponds the stress intensity factor, extent of influence and which value on the general crack resistance of material depend on quantity of this type of pores and cracks in concrete volume. The new evidence-based algorithm of crack resistance calculation at concrete shrinkage at early age by the generalized criterion, which contains the sequence of operations of calculation as for selection of structure, taking into account the factors, influencing capillary pressure and according to characteristics of properties of concrete components, its technological parameters, and for residual resource definition of concrete on its structure and properties, and also on the samples, which are selected from structures at early age is offered.Разработан метод расчета трещиностойкости бетона в раннем возрасте при капиллярной усадке с использованием подходов механики разрушения, который опирается на концепцию накопления дефектов в структуре в виде пор, капилляров и трещин до их критической концентрации Сс. При этом рассматривается процесс на двух стадиях: на первой – процесс образования и развития дефектов и на второй – процесс, непосредственно сопровождающий разрушения (фрагментацию) при критической концентрации дефектов. В качестве теоретической основы метода приняты физические представления о механизме приращения объема пустотности трещин в модели бетона, представленной как двухуровневая структура: матрица затвердевшего цементного камня с включениями и пустоты различной формы (трещины) как результат внешних воздействий, изменяющих напряженно-деформированное состояние. Установлен основной расчетный критерий метода – обобщенный суммарный параметр трещиностойкости , вычисляемый на основании модельных схем развития, объединения, локализации системы трещин, их классификации по видам и относительному количеству в объеме при начальной концентрации, возрастающей до критической, что обусловлено физическими процессами капиллярной усадки. Базируясь на рассмотренных закономерностях процесса разрушения бетона, предложено разделить все дефекты структуры, как исходные, так и развившиеся в результате силовых и несиловых воздействий, на пять основных типов. Содержание пор и трещин первых четырех типов зависит от пористости бетона, а типа V – и от объемного содержания зерен мелкого или крупного заполнителя. Каждому виду повреждений соответствует свой коэффициент интенсивности напряжений, степень влияния и величина которого на общую трещиностойкость материала зависят от количества данного вида пор и трещин в объеме бетона. Предложен новый научно обоснованный алгоритм расчета трещиностойкости при усадке бетона в раннем возрасте по обобщенному критерию, содержащий последовательность операций расчета как для целей подбора состава с учетом влияющих на капиллярное давление факторов и по характеристикам свойств компонентов бетона, его технологическим параметрам, так и для определения остаточного ресурса бетона по его составу и свойствам, а также по образцам, отобранным из конструкций в раннем возрасте

3D-моделирование для жизненного цикла сооружения

Owners and construction management are in permanent search to increase competitiveness, reduce cost and time and maintain a high quality of products and services. In this objective project management tend to organize work execution by implementing comprehensive, linked and sequential processes, making full use of every work effort and limiting work duplication and rework. Since the ’90s, the 3D-modeling is used to coordinate, plan, build and manage future structures. The BIM approach proposes to stakeholders to participate in an intelligent centrally shared 3D-model making use of every contribution to this model, facilitating the coordination, solving the interfaces, reducing duplication efforts and carrying the developed data information throughout the life cycle of the structure and beyond the construction phase. Completing a complex structure requires an important level of design management and coordination of the interface between architect, designer, mechanic, electrician, and other designers. Basic input is required from equipment suppliers. Now, for a good reason, everyone in charge of the process is focused on achieving their process with less cost and less time. Thus, he inadvertently reduces the effort associated with surrounding or subsequent actions, and focuses on his main result. For example, structural engineering developing a 3D-model will focus on clean structural design focusing on structural continuity, geometry identification, and calculation model for finite elements of software. Likewise, a mechanical engineer will model plumbing and mechanical networks for fabrication and installation purposes. It is the same with other design disciplines.Собственники и руководители строительства находятся в постоянном процессе повышения конкурентоспособности, сокращения затрат и времени, поддержания высокого качества продукции и услуг. Цель управления проектами – организовать выполнение работ путем реализации комплексных, связанных и последовательных мероприятий, в полной мере использовать ограничения дублирования переделок. С 1990-х годов 3D-моделирование используется для координации, планирования, создания и эксплуатации будущего сооружения. BIM-подход предлагает заинтересованным сторонам участвовать в общей интеллектуальной 3D-модели, облегчая координацию, решая интерфейсы, уменьшая усилия по дублированию и сохраняя информацию о разработанных данных на протяжении всего жизненного цикла конструкции и по завершении этапа строительства. Для выполнения сложной структуры взаимодействия необходимы высокий уровень управления проектированием и координация интерфейса между архитектором, конструктором, механиком, электриком и другими проектировщиками. От поставщиков оборудования требуются основные входные данные. В связи с этим каждый ответственный за процесс нацелен на достижение собственного результата с меньшими затратами и временем исполнения. Тем самым он непреднамеренно сокращает усилия, связанные с сопутствующими действиями, и сосредоточивается на своем основном результате. Например, структурная инженерия, разрабатывающая  3D-модель, будет нацелена на чистый структурный дизайн, ориентируясь на непрерывность конструкции, идентификацию геометрии и модель расчета для конечных элементов программного обеспечения. Точно так же будут моделироваться водопроводные и другие сети для изготовления и монтажа

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИИ КОНСТРУКЦИОННОГО БЕТОНА АЭС И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Civil engineering material science has accumulated a great amount of scientific data on corrosive processes occurring in the NPS concrete structures (including the Bushehr NPS, Islamic Republic of Iran) due to environmental conditions.This practical material creates appropriate prerequisites for generalizations, presentation of results in the form of mathematical models permitting to make calculations on durability of the NPS concrete and reinforced concrete  structures with the required accuracy. В строительном материаловедении накоплен большой массив научных данных о коррозионных процессах, протекающих в бетонах конструкций АЭС (в том числе Бушерской АЭС, Исламская Республика Иран) под влиянием окружающей среды.Этот практический материал создает предпосылки для обобщений, представления результатов в форме математических моделей, позволяющих с требуемой точностью рассчитать долговечность бетонных и железобетонных конструкций АЭС.

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ АЭС С ПОЗИЦИИ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

The paper presents calculations pertaining to survivability of NPS load-carrying elements with respect to crack-resistance. These calculations reflect their resistance ability to actions of mechanical, thermal, hydro-dynamic, electro-magnetic  loads in the case when there are defects in the elements (initially technological defects or operational ones). The most dangerous defects are micro- and macro-cracks that create maximum high concentration of stresses and deformations.Приведены расчеты живучести несущих элементов АЭС по критериям трещиностойкости. Эти расчеты отражают способность сопротивляться действию механических, тепловых, гидродинамических, электромагнитных нагрузок при наличии в элементах дефектов (исходных технологических или возникающих при эксплуатации). Наиболее опасными из дефектов являются микро- и макротрещины, создающие предельно высокую концентрацию напряжений и деформаций

Моделирование капиллярной усадки и трещинообразование бетона в раннем возрасте

. 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(t) 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.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 объемах микротрещин и формированию магистральных трещин критических величин принят параметр Ксij(t) 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

КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗОНЕ КОНТАКТА МАТРИЦЫ И ЗАПОЛНИТЕЛЯ

The presented approach and illustrative problems clearly demonstrate significant possibilities of destruction mechanics in development of the finished theory on frost concrete and reinforced concrete destruction which is based on peculiar features of structure and texture.Calculative mechanics of destruction makes it possible to evaluate kinetics of frost destruction in terms of power and energy parameters at any combination of concrete structure and cryogenic action.Представленный подход и иллюстрационные задачи убедительно демонстрируют значительные возможности механики разрушения в создании законченной теории морозной деструкции бетона и железобетона, базирующейся на особенностях структуры и текстуры.Вычислительная механика разрушения позволяет оценить в терминах силовых и энергетических параметров кинетику морозной деструкции при любых сочетаниях структуры бетона и криогенных воздействий

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ДОЛГОВЕЧНОСТИ БЕТОНА ПО ОБОБЩЕННОМУ КРИТЕРИЮ

The paper describes problems pertaining to corrosion theory and forecast of reinforced concrete structure service life. The author considers that application of modern investigation methods on the basis of failure mechanics and analysis concrete porosity will make it possible to develop a general theory of concrete corrosion and calculation of reinforced concrete structure service life. Provision of the required longevity of reinforced concrete structures is not less important than the provision of their strength.Статья посвящена проблемам теории коррозии и прогноза срока службы железобетонных конструкций. Автор считает, что применение современных методов исследований на базе механики разрушения и анализа пористости бетона позволит развить общую теорию коррозии бетона и расчет долговечности железобетонных конструкций. Обеспечение требуемой долговечности железобетонных конструкций не менее важно, чем обеспечение их прочност

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В БЕТОНЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОРРОДИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ

Physical and numerical models of cracks are proposed for analysis of their formation and development which are based on the main assumption that there is a сut of circular shape in the place of the rusty bar and its contour is subjected to a pressure initiated by rust pressure.Предлагаются физические и численные модели трещин для анализа их образования и развития, основываясь на главном предположении, что в месте ржавеющего стержня расположен разрез круглой формы, контур которого подвергается давлению, инициированному давлением ржавчины

Нанофибробетон: многоуровневое армирование

Concrete is the most commonly used building material worldwide. One of its main disadvantages is the fragility of fracture and low crack resistance. The use of dispersed reinforcement of concrete composites is a promising direction in solving this type of problem. Dispersed fibers, evenly distributed over the entire volume of the material, create a spatial frame and contribute to the inhibition of developing cracks under the action of destructive forces. In order to increase the fracture toughness of concrete, dispersed fiber reinforcement is increasingly used in practice. The beginning of crack nucleation occurs at the nanoscale in the cement matrix. Thus, the use of nano-reinforcement with dispersed nanofibers can have a positive effect on the crack resistance of the cement composite. It is proposed to consider carbon nanotubes as such nanofibers. The presence of carbon nanofibers changes the microstructure and nanostructure of cement modified with carbon nanotubes. The result of the processes occurring in capillaries and cracks are deformations in the intergranular matrix, the free flow of which is prevented by rigid clinker grains and nanocarbon tubes, which creates a certain stress intensity at the tips of the separation cracks. The working hypothesis is confirmed that the required fracture toughness of structural concrete is provided by multi-level reinforcement: at the level of the crystalline aggregate of cement stone – carbon nanotubes, and at the level of fine-grained concrete – various macro-sized fibers (steel, polymer). Reinforcement of a crystalline joint with carbon nanotubes leads to an increase in the fracture toughness of the matrix (cement stone) by 20 %, compressive strength by 12 %, and tensile strength in bending by 20 %. When reinforcing at the level of fine-grained concrete, we obtain a composite – nanofibre-reinforced concrete with fracture toughness.Бетон является наиболее распространенным строительным материалом во всем мире. Основными его недостатками являются хрупкость при растяжении и низкая трещиностойкость. Применение дисперсного армирования бетонных композитов – перспективное направление в решении такого рода задач. Дисперсные волокна, равномерно распределенные по всему объему материала, создают пространственный каркас и способствуют торможению развития трещин под действием разрушающих сил. Для повышения трещиностойкости бетона на практике все чаще применяют армирование дисперсными волокнами. Начало зарождения трещины происходит на наноуровне в цементной матрице. Таким образом, применение наноармирования дисперсными нановолокнами может положительно сказаться на трещиностойкости цементного композита. В качестве таких нановолокон предлагается рассматривать углеродные нанотрубки. Присутствие углеродных нановолокон изменяет микроструктуру и наноструктуру цемента, модифицированного углеродными нанотрубками. Результатом процессов, происходящих в капиллярах и трещинах, являются деформации в межзерновой матрице, свободному течению которых препятствуют жесткие зерна клинкера и наноуглеродные трубки, что создает в вершинах разделительных трещин некоторую интенсивность напряжения. Подтверждена рабочая гипотеза, что требуемая трещиностойкость конструкционного бетона обеспечивается многоуровневым армированием: на уровне кристаллического заполнителя цементного камня – углеродными нанотрубками, на уровне мелкозернистого бетона – различными видами макроразмерной фибры (стальные, полимерные). Армирование углеродными нанотрубками кристаллического сростка приводит к повышению показателя вязкости разрушения матрицы (цементного камня) на 20 %, прочности на сжатие на 12 %, прочности на растяжение при изгибе на 20 %. При армировании на уровне мелкозернистого бетона получаем композит – нанофибробетон с вязкостью разрушения