Разработка научных и практических основ по предотвращению раннего трещинообразования при возведении массивных монолитных железобетонных конструкций

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 25-19-00164

НазваниеРазработка научных и практических основ по предотвращению раннего трещинообразования при возведении массивных монолитных железобетонных конструкций

Руководитель Чепурненко Антон Сергеевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" , Ростовская обл

Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-110 - Проектирование зданий и сооружений, строительство эксплуатация

Ключевые слова массивные железобетонные конструкции, температурные деформации, экзотермия, усадка, математическое моделирование, напряженно-деформированное состояние, раннее трещинообразование

Код ГРНТИ67.01.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема раннего трещинообразования в твердеющих массивных монолитных железобетонных конструкциях существует практически так же давно, как и сам железобетон. Впервые с этой проблемой столкнулись в начале XX века при бетонировании плотин. В массивных монолитных конструкциях вследствие неравномерного распределения температуры по сечению и деформаций усадки бетона, особенно контракционной, возможно формирование собственного поля напряжений, превышающих на стадии формирования структуры бетона его прочностные показатели, следствием чего является раннее трещинообразование с последующим развитием трещин, что не только негативно отразится на эксплуатационных свойствах конструкции, но в принципе может поставить вопрос о невозможности ее эксплуатации. В настоящее время постоянно растут объемы высотного строительства, и данная проблема является актуальной не только для гидротехнических сооружений, но и для фундаментных плит, толщина которых может достигать 2 м и более, при этом в большинстве случаев плиты с толщиной 0,7 м уже подпадают под категорию массивных. Также массивные монолитные железобетонные конструкции широко используются в сооружениях военного назначения, объектах ядерной энергетики, при возведении некоторых специальных сооружений, например, резервуаров для хранения СПГ. Массивность конструкции предопределяет необходимость разработки специальных технологических решений по регулированию параметров тепло- и массообмена, темпа бетонирования, а также подбору рецептуры бетонных смесей. Выбор рациональных технологических решений может быть осуществлен в том числе на основе методов компьютерного моделирования. Решение задачи определения напряженно-деформированного состояния в период возможного раннего трещинообразования (обычно 2-7 сут) в массивных монолитных железобетонных конструкциях в процессе твердения требует расчета нестационарного температурного поля при наличии внутренних источников тепловыделения, а также учета при расчете внутренних напряжений таких факторов, как ползучесть и усадка бетона с учетом изменения этих и других характеристик бетона во времени, а также влияние на указанные факторы температуры и технологии изготовления конструкции (темп бетонирования, толщина укладываемых слоев, время перекрытия слоев, продолжительность перерыва перед укладкой последующего слоя, условия тепло и массообмена, рецептурные особенности бетонной смеси). В такой постановке анализ напряженно-деформированного состояния стандартными средствами существующих программных комплексов сильно затруднен, либо практически невозможен. Научная новизна: Проект предусматривает построение и компьютерную реализацию новых моделей для прогнозирования напряженно-деформированного состояния при твердении массивных монолитных конструкций с учетом перечисленных выше факторов. После апробации моделей на натурных конструкциях путем замера реальных напряжений и температур планируется проведение многофакторных численных экспериментов по влиянию граничных условий (температура окружающей среды и теплоотдача поверхностей конструкции), экзотермии цемента, интервалов в бетонировании слоев, армирования конструкции и др. с целью разработки практических рекомендаций и корректировки технологии изготовления. Также планируется проведение численных экспериментов по варьированию характеристик слоев (экзотермия, расширение или усадка в процессе твердения) с целью выравнивания температурного поля и поля собственных деформаций с целью управления полными вынужденными деформациями в конструкции. На основе проведенного анализа будут предложены новые технологические регламенты возведения массивных монолитных конструкций с минимальным риском раннего трещинообразования.

Ожидаемые результаты
Предполагается разработать физико-математические модели и программное обеспечение для расчета напряженно-деформированного состояния возводимых массивных монолитных железобетонных конструкций как послойно наращиваемых неоднородных тел с учетом внутренних источников тепловыделения, собственных и вынужденных деформаций бетона, зависимости прочностных и деформационных свойств бетона от времени и температуры твердения. На основе разработанных моделей определить рациональные параметры теплообмена, темпы бетонирования и характеристики слоев (кинетика и величина тепловыделения бетона, собственные деформации бетона, в частности, контракционная усадка или расширение) с целью модернизации существующих и создания новых технологических регламентов бетонирования массивных монолитных железобетонных конструкций. В результате предотвращения или допустимого ограничения раннего трещинообразования в массивных монолитных железобетонных конструкциях будет получен значительный экономический эффект, повышена надежность возводимых зданий и сооружений, снижен риск чрезвычайных ситуаций техногенного характера. Теоретические положения работы, результаты натурных исследований и практического внедрения в производство будут реализованы в учебном процессе при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов. Результаты выполнения научно-исследовательской работы предполагают участие исполнителей в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных и окончательных результатов НИР (конференции, симпозиумы, семинары, выставки, в том числе международные, публикации в ведущих рецензируемых научных изданиях, публикации в изданиях, индексируемых в системах цитирования Web of Science, Scopus, RSCI).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе первого года реализации проекта выполнены комплексные экспериментально-теоретические исследования, направленные на разработку методов расчёта и принципов управления термонапряжённым состоянием в период возведения массивных монолитных бетонных и железобетонных конструкций и в ранний период твердения бетона. Полученные результаты носят фундаментальный и прикладной характер и включают: 1. Экспериментальные исследования суперпластифицирующих добавок на различной химической основе (PCE, NF, NFA) на кинетику и величину тепловыделения и прочности бетонов из высокоподвижных и самоуплотняющихся бетонных смесей, широко применяемых при возведении массивных монолитных конструкций. Получены численные значения величины тепловыделения и предложено уравнение кинетики тепловыделения по результатам исследований восьми портландцементов классов 42,5 и 52,5 как бездобавочных, так и с минеральными добавками в сочетании с тремя суперпластифицирующими добавками. На основе предложенного для описания кинетики тепловыделения цементов и бетонов с добавками уравнения, аналогичного по структуре уравнению кинетики прочности по EN 1992-1-1, предложена классификация цементов и бетонов по кинетике тепловыделения, сопряженная с классификацией по кинетике прочности при сжатии. Установлена неоднозначность зависимости активности цемента от тепловыделения, что важно для прогнозирования температурных полей. 2. Создан специализированный программный комплекс. В среде MATLAB/GNU OCTAVE реализована физико-математическая модель для трёхмерного расчёта температурных полей и напряжений в послойно возводимых массивных конструкциях. Ключевые преимущества: учёт зависимости скорости тепловыделения от температуры, прочностных и деформационных характеристик бетона от степени его зрелости, а также устранение необходимости динамического изменения геометрии КЭ-модели при добавлении новых слоёв. Программа верифицирована сравнением с расчетами в программном комплексе ANSYS и валидирована на экспериментальных данных, на неё получено авторское свидетельство. 3. Реализован натурный эксперимент и произведена верификация разработанных моделей. Проведено мониторинговое исследование температурных полей и деформаций в процессе бетонирования и в ранний (до 7 сут) период твердения бетона массивной фундаментной плиты объёмом 1642 м³ и толщиной 2 м. Получено хорошее совпадение расчётных и экспериментальных температур в характерных точках. Подтверждена высокая чувствительность НДС к виду зависимости модуля упругости бетона от времени в раннем возрасте. Предложено уравнение зависимости модуля упругости бетона от его прочности в интервале времени от 1 до 28 сут с учетом степени зрелости бетона. 4. Параметрический анализ и управляющие факторы. Установлено существенное влияние на уровень температурных напряжений таких факторов, как время перекрытия слоёв, кинетика и величина тепловыделения бетона и условия теплообмена с окружающей средой. Высказана гипотеза о наличии «рационального» значения теплоотдачи для минимизации температурных напряжений. 5. Разработка упрощённых расчётных методик. Предложен упрощённый подход к моделированию послойного бетонирования без динамического изменения сетки КЭ. Разработана методика сведения 3D-задачи расчёта НДС фундаментной плиты в стадии возведения к 2D-постановке на основе гипотезы о линейном распределении деформаций по толщине с учётом податливости основания (модель Пастернака). 6. Разработан и теоретически обоснован метод эквивалентного температурного воздействия. Метод позволяет рассчитывать термонапряжённое состояние в стандартных МКЭ-комплексах, не позволяющих по умолчанию учитывать зависимость деформационных характеристик бетона от степени зрелости, путём замены реального температурного поля на эквивалентное, вызывающее тождественные напряжения. Ключевые научные результаты: 1. Получены новые данные о влиянии химической основы суперпластифицирующих добавок на величину и кинетику тепловыделения, позволяющие проектировать состав бетонной смеси с учетом требуемых параметров тепловыделения бетона. 2. Установлена критическая важность корректного выбора зависимости «модуль упругости – прочность» для оценки термонапряженного состояния в раннем возрасте. Предложенная авторами формула согласуется с EN 1992-1-1 в интервале времени от 1 до 28 сут и диапазоне прочности от 9,3 до 69,2 МПа и даёт существенно (до 1.35 раза) более высокие значения модуля упругости бетона в первые сутки твердения по сравнению с известной формулой Н.И. Карпенко, что значительно влияет на величину расчётных напряжений. 3. Количественно подтверждено, что для оценки термоусадочной трещиностойкости необходимо использовать не фактическую, а рассчитанную по предложенному методу эквивалентную разность температур между ядром и поверхностью конструкции, учитывающую историю нарастания модуля упругости бетона. 4. Внедрение и публикационная активность. Результаты опубликованы в 4 статьях в журналах, индексируемых Scopus (Q1-Q3) и RSCI, доложены на 3 международных конференциях. Разработанные методики и программа представляют собой эффективные инструменты для инженеров-проектировщиков и исследователей, направленные на повышение точности прогнозирования и предотвращение раннего трещинообразования твердеющего бетона массивных монолитных конструкций.

Публикации

1. Чепурненко А.С., Несветаев Г.В., Корянова Ю.И.,Шуть В.В., Тюрина В.С. Experience of concreting a massive monolithic foundation slab Construction Materials and Products, Chepurnenko, A.S. Experience of concreting a massive monolithic foundation slab / A.S. Chepurnenko, G.V. Nesvetaev , Yu.I. Koryanova, V.V. Shut, V.S. Tyurina // Construction Materials and Products. 2025. Vol. 8(5). Article 2. URL: https://bstu-journals.ru/en/archives/12660 (год публикации - 2025)
10.58224/2618-7183-2025-8-5-2

2. Тюрина В.С., Чепурненко А.С., Ткачев Д.С. Equivalent Load Method in Calculating Thermal Stresses during the Construction of Massive Monolithic Concrete Structures The Open Construction & Building Technology Journal, Tyurina, V.S. Equivalent Load Method in Calculating Thermal Stresses during the Construction of Massive Monolithic Concrete Structures / V.S. Tyurina, A.S. Chepurnenko, D.S. Tkachev // The Open Construction & Building Technology Journal. – 2025. – Vol. 19. – Article e18748368418293. – URL: https://openconstructionbuildingtechnologyjournal.com/VOLUME/19/ELOCATOR/e18748368418293 (год публикации - 2025)
10.2174/0118748368418293250825205224

3. Несветаев Г.В., Чепурненко А.С., Языев Б.М., Корянова Ю.И. Modulus of elasticity of concrete at an early age Magazine of Civil Engineering, Nesvetaev, G.V. Modulus of elasticity of concrete at an early age / G.V. Nesvetaev, A. Chepurnenko, B.M. Yazyev, Yu.I. Koryanova// Magazine of Civil Engineering. – 2025. – Vol. 18(8). – Article no. 14001. – URL: https://engstroy.spbstu.ru/article/2025.140.1/ (год публикации - 2025)
10.34910/MCE.140.1

4. Тюрина В.С., Чепурненко А.С., Акопян В.Ф. Инженерный метод для определения температурных напряжений при возведении фундаментных плит с учетом податливости основания Architecture and Engineering, Tyurina V. S., Chepurnenko A. S., Akopyan V. F. Engineering method for determining thermal stresses during construction of foundation slabs considering foundation soil compliance //Architecture and Engineering. – 2025. – Т. 10. – №. 4. – С. 100-111. – URL: https://aej.spbgasu.ru/index.php/AE/article/view/1557 (год публикации - 2025)
10.23968/2500-0055-2025-10-4-100-111