© Н. В. Шлюнь, канд. техн. наук, доцент,
ORCID: 0000-0003-1040-8870,
е-mail:nataliyashlyun@gmail.com;
© О. І. Білобрицька, канд. техн. наук, доцент,
ORCID: 0000-0002-6751-6592,
е-mail: o.bilobrytska@ntu.edu.ua;
© Л. В. Шевчук, канд. техн. наук, доцент,
ORCID: 0000-0002-5748-9527,
е-mail: ludmilashevchuk25@gmail.com;
© Ю. О. Заєць, канд. техн. наук, доцент,
ORCID: 0000-0003-1836-2010,
е-mail: yzaets@gmail.com
Національний транспортний університет
КОНЦЕНТРАЦІЯ ТЕРМОНАПРУЖЕНЬ В ЦЕМЕНТОБЕТОНІ В ОКОЛІ КАПІЛЯРА, ЧАСТКОВО АБО ПОВНІСТЮ ЗАПОВНЕНОГО ВОДОЮ ПІД ЧАС ЇЇ ЗАМЕРЗАННЯ
DOI: 10.33868/0365-8392-2023-4-276-39-49
Анотація. Наведені результати теоретичного моделювання ефектів термосилового деформування цементобетонного середовища в околі капіляра, частково або повністю заповненого водою, на етапах зниження температури системи до нуля градусів за Цельсієм, перетворення води на лід при нулі градусів і подальшого падіння температури. На базі основних положень теорії термопружності побудовані диференціальні рівняння деформування системи з урахуванням несумісності термомеханічних характеристик її фаз і особливостей поведінки води при зміні температури, що полягає в її плинності, нестисливості, залежності коефіцієнта термічного розширення від температури і збільшення об’єму при перетворенні на лід. Для цих рівнянь побудовано розв’язки у замкнутій формі. Встановлено, що у всіх випадках термонапруження в цементобетонному середовищі концентруються в околах стінки капіляра і зменшуються обернено пропорційно квадрату радіальної координати. На етапі перетворення води на лід вони суттєво перевищують межу міцності цементобетону і є основною причиною утворення локалізованих радіальних тріщин, що знижують морозостійкість цементобетонної конструкції.
Ключові слова: дорожні матеріали, капілярні пори, замерзання води, розширення льоду, термонапруження.
References
1. Huliaiev V. I., Haidachuk V. V., Mozghovyi V. V., Zaiets Yu. O., Shevchuk L. V., Shliun N.V. (2018). Termopruzhnyi stan bahatosharovykh dorozhnikh pokryttiv [Thermoelastic state of multilayer road surfaces.], Kyiv, NTU, 272. [in Ukrainian].
2. Kovalenko, A.D. (1970). Osnovy termopruzhnosti [Thermoelasticity fundamentals]. Kyiv, Naukova Dumka, 239. [in Russian].
3. Elwardany M.D., King G., Planche J.P., Rodezno C., Christensen D., Fertig Ill R.S., Kuhn K.H., Bhuiyan F.H. (2019). Internal restraint damage mechanism for age-induced pavement surface damage. J. Assoc. Asphalt Paving Technol, 88.
4. Hadi S. Esmaeeli, Yaghoob Amir Farnam, D. P. Bentz, Pablo D. Zavattieri (2017). Numerical simulation of the freeze-thaw behavior of mortal containing deicing salt solution. Materials and Structures, 50, 1, 1-20.
https://doi.org/10.1617/s11527-016-0964-8
5. Ishfag Mohiud Din, Mohammad Shafi Miz., Mohammad Adnan Farooq (2020). Effect of freeze-thaw cycles on properties of asphalt pavements in cold regions: A review. Transportation Research Procedia, 48. 3634-3641.
https://doi.org/10.1016/j.trpro.2020.08.087
6. Ma B., Si W., Zhu D. (2015). Applying method of moments to model the reliability of deteriorating performance to asphalt pavement under freeze-thaw cycles in cold regions. J. Mater. Civ. Eng, 27. https://doi.org/04014103. 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0001027
7. Micah Hale W., Freyne S.F., Russel B.W. (2009). Examining the frost resistance of high performance concrete. Constr. Build. Mater, 23, 878-888.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2008.04.006
8. Michael Elwardany, Jean-Pascal Planche, Gayle King. (2020). Universal and practical approach to evaluate asphalt binder resistance to thermally-induced damage. Construction and Building Materials, 255, 119331, 1-18.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.119331
9. Mohammed A. Abed, György L. Balázs Concrete performance in cold regions: Understanding concrete’s resistance to freezing/thawing cycles. Chapter Metrics Overview. October 15, 2021.
https://doi.org/10.5772/intechopen.99968
10. Mossop S.C. (1955). The freezing of supercooled water. Proceedings of the Physical Society. Section B, 68, 4, 193.
11. Piotr Jaskula, Josef Judyski (2008). Verification of the criteria for evaluation of water and frost resistance of asphalt concrete. Road Materials and Pavement Design, 9, 1, 135-162.
https://doi.org/0.1080/14680629.2008.9690163
12. Pounder E.R. (1965). The Physics of Ice. Pergamon Press: Oxford, U.K.
13. Powell R.W. (1958). Thermal conductivities and expansion coefficients of water and ice. Advances in Physics, 7, 26, 276-297.
https://doi.org/10.1080/00018735800101277.
14. Qian Z., Chuang-jun L. (2010). Analysis of micro structural damage characteristics of freeze-thaw split asphalt mixtures. J. Highw. Transp. Res. Dev, 6-9.
15. Qiang Zeng, Teddy Fen-Chong, Patrick Dangla, Kefei Li. (2011). A study of freezing behavior of cementitious materials by poromechanical approach. International Journal of Solids and Structures, 48, 22-23, 3267-3273. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2011.07.018
16. Rakesh Kumar, Bishwajit Bhattacharjee. (2003). Porosity, pore size distribution and in situ strength of concrete. Cement and Concrete Research, 33, 155-164.
https://doi.org/10.1016/S0008-8846(02)00942-0
17. Simonsen E., Isacsson U. (1999). Thaw weakening of pavement structures in cold regions. Cold Reg. Sci. Technol., 29, 135-151.
18. Tahir Gonen, Salih Yazicioglu, Bohar Demirel. (2015). The influence of freezing-thawing cycles on the capillary water absorption and porosity of concrete with mineral admixture. KSCE Journal of Civil Engineering, 19, 667-671.
https://doi.org/10.1007/s12205-012-0207-7
19. Gulyayev V. I., Mozgovyi V. V., Shlyun N. V., Shevchuk L. V. (2022). Modelling negative thermomechanical effects in reinforced road structures with thermoelastic incompatibility of coating and reinforcement materials. System Research and Information Technologies, 2, 17-127. https://doi.org/10.20535/SRIT.2308-8893.2022.2.09
20. Xu H., Guo W., Tan Y. (2015). Internal structure evolution of asphalt mixtures during freeze-thaw cycles. Mat. Des, 86, 436-446.
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.07.073
21. Yi-qin T. Li-dong Z., Bi-Wel L. (2011). Research on freeze-thaw damage model and life prediction of asphalt mixtures. J. Highw. Transp. Res. Dev., 1-7.