Численное исследование влияния двухуровневой поровой структуры на величину динамической прочности водонасыщенных бетонов

Abstract

Многие инфраструктурные объекты из бетонов, такие как дамбы, опоры мостов, основания портовых сооружений и морских буровых платформ, работают в условиях длительного контакта с водой. Наличие проницаемой трещинно-поровой структуры обусловливает функционирование поверхностных слоев таких бетонных элементов в условиях водонасыщения. При динамических воздействиях со стороны плавучих объектов поровая жидкость способна оказывать значимое механическое влияние на напряженно-деформированное состояние и прочностные характеристики поверхностных слоев, что важно учитывать при оценке интенсивности их изнашивания и прогнозировании ресурса работы. Настоящая работа посвящена теоретическому изучению и обобщению закономерностей механического влияния поровой жидкости на величину динамической прочности высокопрочных бетонов, обладающих двухмасштабной поровой структурой. Акцент в исследовании делается на анализе вкладов каждой из поровых подсистем в интегральный механический эффект жидкости. Для проведения такого анализа развита связанная гидромеханическая модель, учитывающая композиционную структуру бетона, наличие в цементном камне порового пространства двух различных масштабов, взаимовлияние поровой жидкости и твердофазного каркаса на основе модели пороупругости Био, а также фильтрацию жидкости в поровом пространстве. Развитая модель реализована в рамках развиваемого авторами численного метода однородно деформируемых дискретных элементов. С использованием развитой модели проведены численные исследования зависимости величины прочности на сжатие представительных объемов бетона мезоскопического масштаба от скорости деформации, размеров образца, вязкости поровой жидкости и параметров поровой структуры. Результаты моделирования показали возможность объединения полученных зависимостей в единую (обобщенную) кривую в терминах комбинированного безразмерного параметра, смысл которого аналогичен числу Дарси. Выявлены два ключевых фактора, контролирующие вид и параметры единой кривой динамической прочности. Первый фактор - мобильность поровой жидкости в сети капиллярных пор, которая определяет скорость выравнивания напряжений в пористом каркасе за счет фильтрации. Он определяет нелинейный характер изменения прочности со скоростью нагружения, который однозначно выражается логистической зависимостью динамической прочности от «числа Дарси». Второй фактор - интегрированность крупных микропор в сеть мелких капиллярных пор-каналов. Он определяет величину снижения концентрации напряжений в микропорах за счет фильтрации «избыточной» поровой жидкости в капиллярную поровую сеть. Установлено, что вклады перечисленных факторов в изменение величины динамической прочности водонасыщенного бетона являются аддитивными и приблизительно равнозначными, а величина их суммарного вклада достигает 25 %.

Many infrastructural concrete facilities, such as dams, bridge footings, foundations of port facilities and offshore drilling platforms, operate in a permanent contact with water. The permeable fractured-porous structure of concrete determines the water-saturated state of the surface layers of such concrete elements. Under dynamic contact loading, the pore fluid is capable of exerting a significant mechanical influence on the local stress-strain state and strength characteristics of the surface layers of concrete. This has to be taken into account when assessing the wear intensity of surface layers and predicting a concrete element's service life. The aforesaid determines the relevance of the study aimed at identifying the influence of the pore fluid and characteristics of the concrete pore structure on the strength and fracture pattern under quasistatic and dynamic compressive loading. The present work is devoted to the theoretical study and generalization of the laws of mechanical influence of the pore fluid on the dynamic strength of high-strength concrete with a two-scale pore structure. The emphasis in the study is on analyzing the contributions of each of the pore subsystems to the integral mechanical effect of the fluid. To carry out such an analysis, a coupled hydromechanical model is developed. It takes into account the compositional structure of concrete, the presence of a pore space in a cement stone of two different scales, the interaction of a pore liquid and a solid-phase skeleton based on the Bio poroelasticity model, as well as fluid filtration in a pore space. By using the developed model were performed the numerical studies of the dependence between the compressive strength of the representative concrete volumes of the mesoscopic scale on the strain rate, the sample size, the pore fluid viscosity, and pore structure parameters. The simulation results showed the possibility of combining the obtained dependencies into a generalized (master) curve in terms of a combined dimensionless parameter, which has the meaning similar to the Darcy number. We identified two key factors that control the type and parameters of the concrete master curve of the dynamic strength. The first factor is the mobility of the pore fluid in the network of the capillary pores. It determines the rate of stress equalization in the porous skeleton due to fluid flow. The second factor is the interconnection of large micropores with the network of the small capillary pore channels. It determines the magnitude of the decrease in stress concentration in micropores by filtering the excess pore fluid into the capillary pore network. It is shown that the contributions of these two factors to the amplitude of variation of the dynamic strength of the water-saturated concrete are additive, and their total contribution reaches 25 %.