CC BY
171
Челночная технология изготовления фибробетона с агрегированным распределением фибр и его конструктивные свойства
Л.Р. Маилян, А.В. Шалимова, А.Л. Маилян, Э.С. Айвазян
(г.Ростов-на-Дону, РГСУ)
Введение. Одной из основных проблем фибробетона и фиброжелезобетона является создание равномерного (агрегированного) распределения волокон по длине или объему элемента.
Эту проблему, чаще всего без особого успеха, пытаются решить с помощью раздельных технологий перемешивания различных компонентов фибробетона в бетоносмесителях или с применением специальных их видов.
Ниже предлагается челночная технология создания фибробетона с агрегированным распределением волокон, исследуются его прочностные и деформативные характеристики и диаграммы деформирования «напряжения-деформации» при сжатии и растяжении, а также даются рекомендации по их расчетной оценке как основных параметров, используемых для расчета и проектирования строительных конструкций.
1. Идея челночной технологии основана также на раздельном, но не перемешивании, а смешивании основных компонентов фибробетона - бетона и фибр, и внутри не смесителя, а опалубки изготавливаемого элемента.
Так, для линейных элементов, например балок, плит или колонн, вдоль оси опалубки, слева и справа от нее устанавливаются две системы направляющих (салазок), вдоль которых по заданному режиму перемещаются каретки (рис.1):
- с одной стороны - с подающей бетон трубой бетононасоса, с другой стороны - с подающим фибры раструбом дозатора волокон.
Рис. 1. Челночная технология изготовления фибробетона.
Перемещения кареток могут быть заданы в 4 разных режимах:
- последовательного однонаправленного движения,
- последовательного разнонаправленного движения,
- одновременного однонаправленного движения,
- одновременного разнонаправленного движения.
Подача материалов - бетона и фибр - также может регулироваться задаванием различных режимов, соответствующих режимам движения кареток.
Для массивных элементов с размерами одного порядка по всем осям предлагаемая технология включает устройство подвижных кареток с подачей бетона и фибр по двум или четырем сторонам изготавливаемого элемента, режимы движения и подачи материалов при этом могут быть заданы в любой последовательности и продолжительности.
2. Исследования конструктивных свойств и диаграмм деформирования фиб-робетонов с агрегированным распределением волокон были проведены для проверки эффективности предлагаемой челночной технологии и включали испытания на осевое сжатие и растяжение 60 опытных образцов из фибробетона, изготовленных по обычной и челночной технологиям
В опытах варьировались (рис.2):
- технология приготовления фибробетона - обычная, челночная в четырех режимах (последовательного одно- и разнонаправленного и одновременного одно- и разнонаправленного движения);
- вид НДС - осевое сжатие, осевое растяжение;
- вид образцов - призмы 10х10х40см, восьмерки 10х10х70см;
- возраст бетона - 7, 28, 90 и 365 суток;
- режим испытаний - с постоянной скоростью нагружения, с постоянной скоростью деформирования.
Рис.2. Программа экспериментальных исследований.
В качестве исходных материалов принимались бетон обычный тяжелый, плотностью 2500кг/м3 класса В 30 и стальные волокна, с процентом фибрового армирования 4%.
Испытания опытных образцов проводили в возрасте 7, 28, 90 и 365 суток, дублируя их - с постоянной скоростью нагружения и с постоянной скоростью деформирования. При этом использовалось как тензометрическое, так и осциллографическое оборудование, позволившее получить не только прочностные и деформативные характеристики фибробетона, но и его полные диаграммы деформирования «напряжения-деформации» при сжатии и растяжении.
Перемещения кареток с подающей бетон трубой бетононасоса и с подающим фибры раструбом дозатора волокон осуществлялись с помощью горизонтальных лебедочных механизмов. Последние были установлены по обе стороны от опалубок опытных образцов всей серии, выставленных в ряд по одной оси, в начале и в конце.
Каретки перемещались вдоль опалубки со скоростью, равной примерно 0,2м/сек.
Скорости расхода бетона и фибр для большей равномерности распределения (агрегирования) волокон были подобраны таким образом, чтобы при одной проходке кареток заполнялась не более 1/8 высоты опалубки. Другими словами, полное заполнение опалубки обеспечивалось за 4 проходки каждой из кареток.
Анализ результатов исследований выявил следующую картину.
Прочность на сжатие (табл. 1,2) в возрасте 7 суток у фибробетонов, изготовленных по челночной технологии по режимам 1, 2, 3 и 4, была выше, чем у фибробетонов, изготовленных по обычной технологии, - на 6,3; 6,7; 6,4 и 6,9% соответственно. К 28 суткам эта разница составила соответственно 9,6; 9,8; 9,7 и 10,1%, к 90 суткам - 10,4; 10,8; 10,5 и 11% соответственно и на 365 сутки - 11,5; 12,1; 11,7 и 12,2% соответственно.
Прочность на растяжение (табл. 1,2) демонстрировала те же тенденции - здесь в возрасте 7 суток отклонения составляли 8,3; 7,9; 8,1 и 8,9% %, 28 суток - 10,2; 10,8; 10,0 и
11,1%, к 90 суткам - 12,3; 12,8; 12,6 и 12,9% соответственно и на 365 сутки - 12,4; 13,2; 12,7 и 13,3% соответственно.
Таблица 1
Прочность фибробетона при различных технологиях изготовления
на осевое сжатие и осевое растяжение
Технология изготовления Средняя прочность, МПа, в возрасте, сут.
7 28 90 365
фибробетона Яь К-ы Яь КЫ Яь К-ы Яь К-ы
Обычная 13,3 1,1 28,1 2,7 29,3 2,9 30,2 3,1
Челночная: режим 1 14,1 1,2 30,8 3 32,3 3,3 33,7 3,5
режим 2 14,2 1,2 30,85 3 32,5 3,3 22,85 3,5
режим 3 14,15 1,2 30,8 3 32,4 3,25 33,75 3,5
режим 4 14,2 1,2 30,9 3 32,5 3,3 33,9 3,5
Таблица 2
Отклонения прочности на осевое сжатие (числитель) и осевое растяжение (знаменатель) фибробетонов по челночной технологии от фибробетонов по обычной технологии,
Режимы челночной технологии фибробетона Отклонения прочности, %, в возрасте, сут.
7 28 90 365
режим 1 6,3 9,6 10,4 11,5
8,3 10,2 12,3 12,4
режим 2 6,7 9,8 10,8 12,1
7,9 10,8 12,8 13,2
режим 3 6,4 9,7 10,5 11,7
8,1 10 12,6 12,7
режим 4 6,9 10,1 11 12,2
8,9 11,1 12,9 13,3
Анализ полученных данных позволил сделать следующие выводы.
1 - причиной повышения прочности на осевое сжатие и растяжение фибробетонов,
изготовленных по челночной технологии по сравнению с фибрбетонами, изготовленных по обычной технологии в любом возрасте являлось равномерное (агрегированное) распределение волокон по сечениям, позволяющее, во-первых - сделать кластерообразование в таких фибробетонах более равномерным, а во-вторых - более полно использовать прочностные качества фибр.
2 - величина повышения прочности фибробетонов, изготовленных по челночной технологии по сравнению с прочностью фибробетонов, изготовленных по обычной технологии, находилась примерно в одних и тех же пределах практически независимо от режима челночной технологии.
3 - превышение прочности фибробетонов, изготовленных по челночной технологии над прочностью фибробетонов, изготовленных по обычной технологии, растет с увеличением возраста бетона вплоть до 365 суток при любом режиме челночной технологии, что объясняется упорядочением продолжающихся процессов гидратации в цементном камне в течение всего этого периода.
4 - относительное превышение прочности фибробетонов, изготовленных по челночной технологии над прочностью фибробетонов, изготовленных по обычной технологии, несколько больше при осевом растяжении, чем при осевом сжатии, хотя в целях упрощения расчетных рекомендаций их можно принять одинаковыми.
Предельные деформации (соответствующие максимальной прочности) фибробе-тонов как при осевом сжатии, так и при осевом растяжении демонстрировали обратную картину - у фибробетонов, изготовленных по челночной технологии, по сравнению с фибробетонами, изготовленными по обычной технологии, они снижались, причем во все контрольные сроки твердения.
Так, при 7 сутках предельные деформации при осевом сжатии sbR у фибробетонов, изготовленных по челночной технологии они были меньше, чем у фибробетонов, изготовленных по обычной технологии - на 7,7...9,3%. К 28 суткам эта разница составила 10,1...12,9%, к 90 суткам - 12,2.14,5% и на 365 сутки - 14,8.15,6% соответственно, причем независимо от режима челночной технологии.
Указанные тенденции характерны и для предельных деформаций и при осевом растяжении ebtR у фибробетонов, изготовленных по челночной и обычной технологиям.
Начальный модуль упругости при сжатии Еь и растяжении Еь у фибробетонов, изготовленных по челночной технологии практически при всех ее режимах и во все сроки твердения был одинаков и до 9,9.11,1% выше, чем у фибробетонов, изготовленных по обычной технологии.
Повышение начального модуля упругости объяснялось повышением прочности и уменьшением предельных деформаций фибробетонов, изготовленных по челночной технологии по сравнению с теми же характеристиками фибробетонов, изготовленных по обычной технологии, что смещало вверх и влево максимум на диаграмме «напряжения-деформации».
Диаграммы деформирования «напряжения-деформации» - для них при сжатии и при растяжении фибробетонов, изготовленных по челночной технологии по сравнению с фибробетонами по обычной технологии, принятых за эталонные, при всех сроках твердения характерны уже упомянутые выше особенности (рис.3): максимум смещается вверх и влево; угол подъема в начале координат растет; увеличивается подъемистость диаграммы в восходящей ветви.
В целом же очевидно, что при изготовлении по челночной технологии независимо от ее режима становится возможным получение фибробетонов улучшенной структуры и с более высокими физико-механическими характеристиками.
3. Предложения по аналитическому описанию характеристик фибробетонов при челночной технологии в различные сроки твердения сводятся к рекомендациям по аналитическому описанию коэффициентов изменения их прочностных и деформативных характеристик в зависимости от возраста бетона в виде:
к = / (г), (1)
где { - соответствующая функция; 1 - возраст фибробетонов.
За единую базовую функцию примем зависимость П. Сарджина, рекомендованную ЕКБ-ФИП для описания диаграмм деформирования бетона:
( V \ ( V У
к
Г _ V У V У ҐП\
Г ( У Л ’
й 1 + (К - 2) —
V У
где Хя, Уя - координаты максимума графика функции (2) в абсолютных показателях; К -управляющий параметр, влияющий на форму графика функции (2), трансформирующегося в прямую (К=1), квадратичную параболу (К=2) и действительную ветвь квадратичной гиперболы (1<К<2 и К>2).
В качестве функции Y/YR в выбранной нами функции (2) выступают приращения А прочностных Rb, Яы и деформативных вья, выя характеристик, а также начального модуля упругости ЕЬ=ЕЬ фибробетонов, приготовленных по челночной технологии, а в качестве аргумента Х/Хя - относительный возраст фибробетона (1/28).
Статистическая обработка полученных результатов позволила определить значения значений управляющих параметров К для прочностных Rb, , деформативных вья, выЯ
характеристик и начального модуля упругости ЕЬ=ЕЬ фибробетонов, изготовленных по челночной технологии и свести их в таблицу 3. При этом выяснилось, что значения К для всех указанных параметров при сжатии и растяжении близки между собой, что дало основание рекомендовать для расчетов единые значения К при сжатии и растяжении.
Таблица 3
Функции, аргументы и значения параметров зависимости (2) для определения
прочностных и деформативных характеристик фибробетонов
при челночной технологии изготовления и в разные сроки твердения
Вид бетона Вид функции Функция Аргумент Значения параметра К при сжатии и растяжении
Фибробетон по челночной технологии К Кя ї
КеЯ = / (ї) Кея ї
Ке=/(ї) Ке ї
Анализ показал хорошую сходимость разработанных теоретических рекомендаций с нашими экспериментальными результатами.
4. Аналитическое описание диаграмм деформирования "напряжения-деформации" фибропенобетонов, изготовленных по челночной технологии и сроках твердения, и их взаимосвязь при сжатии и растяжении.
Одной из наиболее удобных и распространенных в мире зависимостей является функция, предложенная П. Сарджином, и рекомендованная ЕКБ-ФИП для расчетов железобетонных конструкций:
в в
увя У У£Я У
к
— — У УвЯ У /~>\
Я ~ '-V (3)
1 + (К - 2)
8
Увя У
где Я и вЯ - максимальная прочность и соответствующие ей деформации на сжатие или растяжение; К=вЯЕ/Я - численный параметр, равный отношению начального Е (касательного) модуля упругости к предельному (секущему) модулю упругости Я/вЯ в момент достижения максимума функции (5) с координатами Я и вЯ.
В тех же рекомендациях предлагалось принимать диаграммы деформирования бетона при сжатии "оь-вь" и при растяжении "оы-вы" подобными, имеющими одинаковый начальный Еь=Еы и секущий модуль упругости Яь/вья = Яы/выЯ , как и параметр К.
В целях единообразия предлагаемых расчетных зависимостей, применим единые функции (2)-(3) как для оценки изменения прочностных и деформативных характеристик, так и для описания диаграмм деформирования фибробетона в различные сроки твердения при сжатии и растяжении.
В целом, порядок расчетной оценки изменения свойств фибробетона при челночной технологии имеет вид.
На первом этапе определяется изменение прочностных ДЯь и ДЯы и деформативных Двья, ДвыЯ, ЛЕь, ДЕы при необходимых температурах воды затворения и сроках твердения при сжатии и растяжении - по зависимости (2) и табл. 3.
На втором этапе для описания диаграмм "о-в" фибробетона при челночной технологии и сроках твердения при сжатии и растяжении в различные сроки твердения используется функция (3) с подстановкой в нее вместо Я и вЯ соответственно (Яь + ДЯЬ); (в + Двья); ЛЕь, при сжатии и (Яы + ДЯы); (выя + Двыя); ДЕы при растяжении, при этом параметр К:
_ (вЬЯ + ДвЬЯ )(ЕЬЯ + ДЕЬ ) _ (вЬЯ + ДвЬЯ )(ЕЫ + ДЕЫ )
■ ( Яь + ДЯь ) “ (Яы + ДЯь) ()
Анализ показал хорошую сходимость опытных и расчетных результатов.
Взаимосвязь изменения диаграмм деформирования фибробетонов при сжатии и растяжении наиболее просто и достоверно отражена в уже упоминавшихся рекомендациях ЕКБ - ФИП - в них принимается равенство начальных модулей упругости при сжатии и растяжении Еь = Бы, то есть касательных к диаграммам “оь -вь” и “оы - вы” в начале координат и рекомендуется одинаковое значение параметра при сжатии и растяжении
то есть секущих в точках максимумов диаграмм “оь -вь” и “оы - вы”, а также дается одинаковая функция “о -в” при сжатии и растяжении - формула (3).
Тем самым диаграммы при сжатии и растяжении предполагаются подобными.
Анализ полученных нами опытных данных выявил дополнительные факты взаимосвязи изменения диаграмм “о-в” фибробетонов, приготовленных по челночной технологии, при сжатии и растяжении.
Это касается координат максимумов диаграмм “оь -вь” и “оы -вы” при каждом определенном сроке твердения - оказалось, что они лежат при сжатии и растяжении на одной прямой, проходящей через начало координат графика.
То есть, подобие диаграмм “оь -вь” и “оы -вы” имеет место и для фибробетонов, приготовленных по челночной технологии, при сжатии и растяжении в одинаковые возрасты твердения.
4. Нормативные и расчетные характеристики фибропенобетона при челночной технологии. После установления изменения характеристик фибробетонов при челночной технологии необходимы рекомендации по расчетному определению их нормативных и расчетных сопротивления для расчета по предельным состояниям I и II групп.
Для этого необходима определенная статистика, основанная на большом количестве экспериментальных данных.
С этой целью нами были проведены дополнительные экспериментальные исследования - изготовлено и испытано 80 кубов размером 10х10х10см из фибробетона, приготовленного по челночной технологии, из которых по 40 испытывались на осевое сжатие и растяжение при раскалывании.
По результатам статистической обработки опытных данных были определены нормативные сопротивления сжатию и растяжению при надежности 0,95. Их значения, являющиеся одновременно расчетными сопротивлениями для предельных состояний второй группы Яъ^ег и Яы,$ег для фибробетонов класса В 30 с процентом фибрового армирования ц=4% приводятся в таблице 4.
Расчетные сопротивления фибробетонов для предельных состояний первой группы Яъ и Яы получали как частное от деления нормативных сопротивлений сжатию и растяжению на соответствующие коэффициенты надежности по бетону при сжатии У Ъс 1,3
и при растяжении У ы = 1,5.
При расчете и проектировании фибробетонных элементов необходимо учитывать также деформативность тяжелых фибробетонов.
Для них при ц=4%, при обычной технологии изготовления предельную сжимаемость можно принимать при кратковременном нагружении равной 260 . 10"5 , а предельную растяжимость - 30 . 10"5. Другими словами, предельная сжимаемость увеличивается в 1,3 раза, а предельная растяжимость - в 1,5 раза по сравнению с нормированными значениями для бетона без фибр.
Для тяжелых же фибробетонов при ц=4%, при челночной технологии изготовления предельную сжимаемость можно принимать при кратковременном нагружении равной 235 . 10-5 , а предельную растяжимость - 27 . 10-5. Другими словами, предельная сжимаемость и растяжимость фибробетонов при челночной технологии снижается на 10% по сравнению с обычной технологией.
Таблица 4
Нормативные и расчетные характеристики фибробетона класса В 5
Нормативные и расчетные характеристики, МПа
Вид сопротивления нормативные сопротивления ЯЪп-, Яъ^ или расчетные сопротивления II группы ЯЪ^ег ЯЫ^ег расчетные сопротивления I группы Яъ, Яы начальные модули упругости Еъ(Ъг) 10 3
Сжатие осевое 29,7 22,8 3,57
Растяжение осевое 3,0 2,0 3,57
5. Выводы
1.Проведенные экспериментальные исследования фибробетонов класса В 30, изготовленных по предложенной челночной технологии, выявили, что они имеют лучшие конструктивные характеристики по сравнению с фибробетонами, изготовленными по обычной технологии.
2.Установлено, что у фибробетонов класса В 30, изготовленных по челночной технологии, в возрасте 28 суток - увеличивается прочность на осевое сжатие - до 10,1% ; прочность на осевое растяжение - до 11,1%; модуль упругости - до 12,9%; уменьшаются предельные деформации - до 12,8%.
3.Выявлено, что изменение характеристик фибробетонов, изготовленных по челночной технологии, продолжается и стабилизируется к возрасту 365 сут.
4. Предложены расчетные рекомендации для учета изменения прочностных и де-формативных характеристик фибробетонов, изготовленных по челночной технологии, в возрасте 7,28,90,365 суток при осевом сжатии и растяжении, определены их параметры и коэффициенты.
4. Выявлено изменение диаграмм деформирования «напряжения-деформации» фибробетонов, изготовленных по челночной технологии, в возрасте 7,28,90,365 суток при осевом сжатии и растяжении.
5.Предложено использовать для расчетного описания диаграмм деформирования «напряжения-деформации» в любом возрасте при осевом сжатии и растяжении формулу ЕКБ-ФИП с учетом разработанных рекомендаций по оценке изменения их прочностных и деформативных характеристик.
6. Выявлена взаимосвязь изменений характеристик и диаграмм деформирования фибробетонов, изготовленных по челночной технологии, в различном возрасте при осевом сжатии и растяжении. Предложена расчетная зависимость для описания этой взаимосвязи, имеющая в целях единообразия, одинаковый вид и структуру с расчетными рекомендациями, разработанными для характеристик фибробетона и его диаграмм деформирования.
7. По результатам статистической обработки опытных данных при надежности 0,95 определены и рекомендованы для применения при проектировании нормативные сопротивления на сжатие и растяжение Rbn и Rbtn фибробетона класса В 30, изготовленных по челночной технологии, при проценте фибрового армирования 4%, а также расчетные сопротивления для предельных состояний первой Rb и Rbt и второй группы Rb,ser и Rbt,ser.
