2.10 д.в. к

Д.В. Козлов, Д.А. Крутов
СВОБОДНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ БЕТОНА ПЛОТИНЫ
БОГУЧАНСКОГО ГИДРОУЗЛА ПРИ ДЕЙСТВИИ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ
ТЕМПЕРАТУРЫ
МГУП, ОАО «НИИЭС»
Бетон в сооружениях гидроузлов, расположенных в северных районах, находится
под воздействием отрицательных температур. Установлено существенное отличие свойств
замороженного бетона от бетона, работающего при положительных температурах.
Экспериментальные исследования установили условия существенно влияющие на
свойства бетона при действии отрицательных температур. Однако результаты этих
исследований не могут отразить изменений, происходящих в массивном
гидротехническом бетоне, так как:
размеры испытывавшихся образцов малы;
большая интенсивность замораживания не имеет места в бетонных сооружениях.
В суровых климатических условиях Сибири, с температурами, достигающими –500С
в зимний период, возведены гидроузлы: Братский, Красноярский, Мамаканский, УстьИлимский, Усть-Каменогорский, Бухтарминский, Саяно-Шушенский и др.. Результаты
обобщения и анализа материалов натурных наблюдений за деформативностью
замороженного бетона нашли отражение в основном в работах С.Я. Эйдельмана и В.Н.
Дурчевой. Так, следуя [5], кристаллизация воды в замороженном бетоне устраняет
дефекты его структуры, увеличивая ее однородность. Следствием этого является
увеличение прочности бетона при сжатии и растяжении в 1,5-2 раза и его предельной
растяжимости до 2-3 раз.
Измерения деформаций в бетонных плотинах производятся как в массивном бетоне,
так и в свободном объеме (конусе), где развиваются собственные деформации, вызванные
термовлажностными и структурными изменениями в бетоне.
Анализ деформаций свободного бетона по данным натурных наблюдений проведен в
[2]. Установлено [1-4] влияние замораживания и оттаивания на физико-механические
свойства бетона:
1. Замораживание бетона начинается в диапазоне -2-4 0С.
2. Коэффициент линейного расширения (к.л.р.) замороженного бетона составляет
1,210-51,910-5 1/0С.
3. Коэффициент линейного расширения при повторном промораживании
увеличивается либо сохраняет значение равное к.л.р. первого цикла.
4. При температурах ниже –12 0С наблюдается уменьшение к.л.р..
5. После оттаивания появляется необратимая деформация удлинения, равная
(0,52,8)10-5.
Целью настоящей работы являлось проведение анализа деформаций свободного
бетона и назначение рекомендаций для проведения расчетов термонапряженного
состояния, а также дальнейшее обобщение и уточнение информации о деформациях
замороженного свободного бетона с учетом конструктивных особенностей плотины
Богучанского гидроузла и климатических условий, в которых она находится.
Бетонная гравитационная плотина Богучанского гидроузла возводится с 1982 года в
местности с суровым резко континентальным климатом со среднегодовой температурой
воздуха –3,20С. В настоящее время по экономическим условиям достройку ГЭС намечено
завершить с пониженным НПУ 185 м.
Плотина состоит из четырех функционально различных частей:
станционной, длиной 270 м;
водосбросной, с глубинными и временными донными водосбросами, длиной 110 м;
водосбросной, в виде водосливной плотины, длиной 90 м;
глухой, длиной 309,5 м.
Напорная грань плотины – вертикальная, низовая – наклонная с заложением 1:0,7.
По длине напорного фронта плотина разрезана деформационными швами на 34
секции. Контрольные наблюдения за состоянием плотины проводятся в пяти исследуемых
секциях: станционной 12-й, двух водосбросных – 21-й (водосливная плотина) и 28-й
(плотина с глубинными водосбросами); двух глухих – 31-й и 34-й (секция, примыкающая
к каменно-набросной плотине).
Были рассмотрены измерения 35 конусов, которые когда-либо подвергались
попеременному замораживанию и оттаиванию. Минимальная наблюденная температура
составляет –250С. Минимальное число циклов «замораживания-оттаивания» – 2,
максимальное – 10. Для каждого цикла построен график зависимости деформаций от
температуры, и по методике [2] определялись:
а) К.Л.Р..
б) Температура замораживания (Тз).
в) Изменение к.л.р. бетона во времени.
д) Величина остаточных деформаций расширения.
Остаточные деформации расширения, которые возникают после оттаивания,
оказались равными (0,52,2)10-5, что сопоставимо с данными [4].
Вода в микропорах и наличие солей «сдвигают» точку замерзания в сторону
отрицательной температуры. Начало замерзания соответствует точке «перелома» кривой
зависимости свободных деформаций от температуры (рис 1, 35). Знание точки
«перелома» важно для определения границы между теплым и замороженным бетоном.
Выявлено 19 конусов, в которых температура замораживания близка к литературным
рекомендациям и составляет от –0,5 до –4 0С. В других 16 конусах температура
замораживания составляет –4,2–8,5 0С (см. рис. 1). Из рисунка 2 видно, что характерного
перелома, свидетельствующего о начале замерзания бетона, не происходит и при
температуре в –6,4 0С. В некоторых случаях Тз несколько «смещается» во второй цикл
замораживания в сторону более высокой отрицательной температуры как, например,
на рис. 3 от –8 до –5 0С.
, 10-5
Т, 0С
Тз=-8,5 0С
Рис. 1. Зависимость свободных деформаций от температуры бетона Тз=-8,5 0С
, 10-5
Т, 0С
Тз=-6,4 0С
Рис. 2. Зависимость свободных деформаций от температуры бетона. Отсутствует перелом,
свидетельствующий о начале замерзания, Тз=-6,4 0С
Низкая отрицательная температура замораживания, возможно, объясняется характером поровой структуры.
, 10-5
Т, 0С
Тз1-80С
Тз2=-50С
Рис. 3. Зависимость свободных деформаций от температуры бетона.
В первый год Тз1-8 0С, во второй – Тз2=-5 0С
0
С
, 10-5
2,2910 5
Т, 0С
1,7410 5
Рис. 4. Зависимость свободных деформаций от температуры бетона.
В диапазоне отрицательных температур от –1 до –10 0С к.л.р. составляет 2,2910-5 10С
К.Л.Р. колеблется в широких пределах: от 1,2010-5 до 2,2910-5. На рисунке 4
показано, что в диапазоне температур -1-10 0С к.л.р. достигает значительных величин
(2,2910-5). При температурах ниже –12 0С, накапливаются структурные нарушения бетона
[3, 4], о чем свидетельствует уменьшение к.л.р. В бетоне Богучанской плотины
уменьшение к.л.р. сказывается при температуре около –10 0С (см. рис. 4). Однако, в
некоторых случаях уменьшение к.л.р. наблюдается при температурах ниже –12 0С. Из
рисунка 5 следует, что нелинейная связь между температурными деформациями и
температурой бетона проявляется при –19 0С.
, 10-5
1,4210 5
Т, 0С
1,2910-5
,,
Рис. 5. Зависимость свободных деформаций от температуры бетона.
Уменьшение к.л.р. приходится на температуру в –19 0С.
К.л.р.,10-5
Цикл
замораживания
Рис. 6. Изменение к.л.р. замороженного бетона во времени
Было построено поле точек, представляющее зависимость подсчитанных к.л.р.
замороженного бетона от цикла замораживания (рис. 6), и характеризующее, таким
образом, изменение к.л.р. во времени. Коэффициент линейного расширения
замороженного бетона является одним из показателей качества последнего. Увеличение
к.л.р. замороженного массивного бетона обратно пропорционально его прочности.
Используя эмпирические зависимости из [3], можно определить прочность бетона в
сооружении.
Всего на рис. 6 нанесено 111 подсчитанных значений к.л.р. Отрывочность данных
измерений затрудняет проведение регрессионного анализа, но можно заключить, что
повторные циклы промораживания приводят к увеличению к.л.р. в течение первых двухчетырех циклов с последующим его уменьшением. Общий характер графиков также имеет
тенденцию к уменьшению и, следовательно, к медленному набору прочности бетона.
Среднее значение к.л.р. для замороженного бетона Богучанской плотины колеблется в
пределах (1,510-51,610-5).
Выводы
1.
Температура замерзания бетона в отдельных блоках плотины Богучанского
гидроузла достигает –8 0С. А при повторном цикле «замораживания-оттаивания» Тз может
«сместиться» на 1-20С в сторону более высоких отрицательных температур.
2.
Величины коэффициентов линейного расширения замороженного бетона
колеблются в широких пределах и могут достигать 2,2910-5 (в диапазоне отрицательных
температур от –1 до –10 0С).
3.
Величина отрицательной температуры, которая приводит к накапливанию
структурных нарушений в бетоне, следствием чего является уменьшение к.л.р.
замороженного бетона, составляет около –10 0С. При этом к.л.р. в среднем уменьшается
на 13 %.
4.
Повторное промораживание приводит к увеличению коэффициентов
линейного расширения в течение первых двух-четырех циклов с последующим их
уменьшением.
5.
Изменение физико-механических свойств замороженного бетона плотины
Богучанского
гидроузла
необходимо
учитывать
в
расчетах
напряженнодеформированного состояния.
Библиографический список
Дурчева В.Н., Загрядский И.И. Анализ собственных деформаций бетона на
эксплуатируемых плотинах по данным натурных наблюдений. Известия ВНИИГ им.
Веденеева. Надежность бетонных и железобетонных энергетических сооружений.
С-П.. 2000. Т. 237. С. 54-62.
Дурчева В.Н., Майорова М.А. Тензометрические измерения свободных деформаций
бетона плотин. //Гидротехническое строительство. 2002. № 11. С. 6-9.
Дурчева В.Н. Натурные исследования монолитности высоких бетонных плотин. М.:
Энергоатомиздат. 1988. 120 с.
Дурчева В.Н. Натурные исследования свободных температурных деформаций бетона в
блоках плотины Братской ГЭС при длительном действии отрицательной температуры.
//Гидротехническое строительство. 1967. № 6. С. 28-33.
Эйдельман С.Я. Натурные исследования бетонной плотины Братской ГЭС. Л.: Энергия.
1975. 2-е изд. перераб. и доп. 294 с.