CC BY
218
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №4 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-4 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/118TVN415.pdf DOI: 10.15862/118TVN415 (http://dx.doi.org/10.15862/118TVN415)
УДК 691.327
Несветаев Григорий Васильевич
ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»
Россия, г. Ростов-на-Дону1 Заведующий кафедрой «Технологии строительного производства»
Доктор технических наук Профессор E-mail: [email protected]
Халезин Сергей Валерьевич
ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»
Россия, г. Ростов-на-Дону Аспирант
E-mail: [email protected]
Деформационные свойства бетонов с каркасной структурой
1 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162
Аннотация. Бетоны, полученные из высокотехнологичных самоуплотняющихся бетонных смесей на основе современных суперпластификаторов наряду с рядом преимуществ технологического характера, с точки зрения конструкционных свойств, обладают рядом недостатков обусловленных повышенной концентрацией растворной составляющей, что приводит к понижению начального модуля упругости, повышению усадки и ползучести. Для улучшения деформационных показателей качества бетона необходимо минимизировать объем растворной составляющей, который в идеале должен быть равен объему пустот крупного заполнителя. Такие бетоны каркасной структуры получают по раздельной технологии нагнетанием маловязкой растворной составляющей в пустоты наброски крупного заполнителя, зафиксированной в объеме, либо посредством погружения в маловязкую растворную составляющую крупного заполнителя. Диаграмма «напряжения - деформации» бетонов каркасной структуры имеет S-образный характер, а начальный модуль упругости может в 1,59 раза превышать модуль упругости самоуплотняющихся бетонов при равной прочности. Бетоны характеризуются пониженным значением коэффициента Пуассона и коэффициента упругости, повышенным значением деформации при разрушении, что благоприятно для работы железобетонных конструкций.
Ключевые слова: бетон каркасной структуры; начальный модуль упругости; растворная составляющая; крупный заполнитель; коэффициент Пуассона; коэффициент упругости; относительная деформация; диаграмма «напряжение - деформация».
Ссылка для цитирования этой статьи:
Несветаев Г.В., Халезин С.В. Деформационные свойства бетонов с каркасной структурой // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №4 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/118TVN415.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/118TVN415
Бетоны, полученные из высокоподвижных, в т.ч. самоуплотняющихся бетонных смесей, преимущества которых неоднократно обосновывались [1,2], как правило, имеют недостатки, обусловленные повышенной концентрацией растворной составляющей и, следовательно, цементного камня. К основным недостаткам можно отнести повышенные усадку и ползучесть, пониженный модуль упругости [3,4], что приводит к росту прогибов конструкций, снижению усадочной трещиностойкости, росту потерь предварительного напряжения арматуры. В отличие от бетонов из самоуплотняющихся смесей, бетоны, полученные из жестких смесей, характеризуются низкими показателями усадки и ползучести, высокими значениями модуля упругости вследствие высокой концентрации крупного заполнителя. Но жесткие бетонные смеси во многих случаях нетехнологичны. Получения бетонов с высокой концентрацией крупного заполнителя в сочетании с преимуществами высокоподвижных смесей возможно по технологии раздельного бетонирования посредством заполнения пустот в плотной упаковке крупного заполнителя высокоподвижной растворной составляющей. Такие бетоны известны как «бетоны каркасной структуры» [5], и их эффективность подтверждена в случаях применения различных вяжущих [6]. В [7] показана эффективность производства бетонов по раздельной технологии посредством погружения крупного заполнителя в маловязкую растворную составляющую (далее - технология 2) относительно традиционной раздельной технологии нагнетания маловязкой растворной составляющей в пустоты крупного заполнителя, наброска которого зафиксирована в объеме (далее - технология 1). В настоящей работе представлены результаты исследований таких деформационных свойств бетонов, полученных по технологии 1 и 2, как начальный модуль упругости Ео, относительная деформация ея, соответствующая пределу прочности, коэффициент упругости Хя (отношение упругой деформации к полной), соответствующий пределу прочности. Указанные величины используются для аналитического описания диаграмм «напряжения - деформации» при расчете железобетонных конструкций с использованием диаграмм деформирования.
В качестве крупного заполнителя использован щебень с модулем упругости 48 ГПа производства «Донской камень» фракции 20 - 40 мм для технологии 1 (далее - К) и фракции 5 - 20 мм для технологии 2 (далее - М), 50%К+50%М - для технологии 2 (далее С), а также гранит с модулем упругости 70 ГПа Павловского карьера фракции 5-20 мм (далее - Гр).
В качестве растворной составляющей использованы составы Ц:П = 1:1,3 на крупном (модуль крупности 2,87, далее К), среднем (С = 50% К + 50% М, далее - С) и мелком песке (модуль крупности 1,09, далее - М) при В/Ц 0,35; 0,4 и 0,45 соответственно с 1% суперпластификатора Иепшш 115 [7]. В шифрах состава бетона на первом месте указан вид заполнителя (К, С, М), на втором - вид песка (К, С, М). Составы, полученные по технологии 2, имеют дополнительно обозначение «о».
Свойства бетонов определены на образцах - цилиндрах диаметром 100 мм и высотой 400 мм, которые формовались и до испытаний выдерживались в герметичных пластиковых формах. Перед испытаниями торцы цилиндров обрезали алмазным диском и шлифовали.
На рис. 1,2 представлены диаграммы «напряжения - деформации» исследованных бетонов.
Рис. 1. Диаграммы «напряжения - деформации» бетонов при кратковременном центральном
осевом сжатии
Scc - самоуплотняющийся бетон класса В40; 25
20
ев
И
15
№
Я
и
$ 10 ев
п
■KM
•кк
■МК о •8сс ■ММ о МС о КС •Ссо ■ГрКо
10 20 30 40
Относительные деформации, 10(-5)
50
60
Рис. 2. Диаграммы «напряжения - деформации» бетонов при кратковременном центральном осевом сжатии при уровне нагружения до 0,3 предела призменной прочности
Scc - самоуплотняющийся бетон класса В40;
5
0
0
Вид диаграмм свидетельствует о том, что вид использованных материалов и, особенно, технология раздельного бетонирования (1 или 2) оказывают существенное влияние на характер зависимости «напряжения - деформации» исследованных бетонов. Очевидно, что ряд составов имеет значительно большую крутизну диаграммы, в т.ч. на ранних этапах нагружения, относительно диаграммы бетона класса В40, полученного из самоуплотняющейся бетонной смеси по традиционной технологии. Это закономерно вследствие более высокой концентрации крупного заполнителя в составах, полученных по раздельной технологии, а модуль упругости заполнителя превышает модуль упругости растворной составляющей. Хорошо видно, что диаграммы бетонов, полученных по раздельной технологии, имеют Б - образный вид, что обусловлено особенностью включения каркаса из крупного заполнителя в работу на ранних этапах нагружения. Этот факт подробно описан в [5]. Характер представленных на рис. 1,2 диаграмм свидетельствует о том, что бетоны, полученные по раздельной технологии, будут обладать более высоким значением начального модуля упругости бетона. Согласно [8], начальный модуль упругости бетона может быть определен с использованием трехкомпонентной модели «матрица - контактная зона - заполнитель»
~ __2_
Е " 1 К К К ' (1)
____|_ ' а | ' т \ 12
Е К + Е К + ЕК Е Е Е.
а а т т 12 а т 12
где Ea, Em, Etz - соответственно модуль упругости заполнителя, матрицы и контактной зоны, Va, Vm, Vtz - относительная объемная концентрация соответственно заполнителя, матрицы и контактной зоны. При Vtz = 0 модель (1) трансформируется в известную модель Хирча - Доугилла с параметром х = 0,5.
Самоуплотняющиеся бетонные смеси характеризуются, как правило, концентрацией крупного заполнителя порядка 0,34. В бетонах, полученных по раздельной технологии, концентрация крупного заполнителя может достигать 0,65 и выше. В таблице представлены результаты расчета по ф.(1) значений модуля упругости бетона (концентрация контактной зоны принята 0,05, модуль упругости контактной зоны - 0,8 от модуля матрицы, равного 28 ГПа).
Таблица
Расчетные значения модуля упругости бетона по ф.(1)
Бетон Va Еа, ГПа Vm E0, ГПа E0/E0
Самоуплотняющийся 0,34 70 0,66 37,2 1,0
0,34 45 0,66 32,2 1,0
Контактной структуры 0,65 70 0,4 46,0 1,29
0,65 45 0,4 36,2 1,15
Из данных в таблице следует, что повышение концентрации крупного заполнителя в структуре бетона приводит к повышению модуля упругости бетона, причем с ростом модуля упругости крупного заполнителя степень повышения возрастает.
На рис. 3 представлена зависимость начального модуля упругости бетонов от предела прочности бетона.
50
45
а
И и
ст40 о
-
р
ь
л35 ^
д о
30
В"
а
М
25
20
25 30 35 40 45 50
Предел прочности на сжаие, МПа
55
60
■ КМ -Т
--Т1
□ КК А МК о Д ММ о Д МС о
□ КС
♦ ГрКо
• ССо О §сс ----Т-8сс
Рис. 3. Зависимость начального модуля упругости бетона Ео от предела
призменной прочности
0,05Я 2 + 57,2Я + 217
Т, Т1, T-Scc — по формуле Ео — к--р-- [8] соответственно при к = 1
(без учета влияния суперпластификатора на модуль упругости), к = 0,778 (выраженное негативное влияние суперпластификатора на модуль упругости), к = 0,88 (реальное значение для самоуплотняющегося бетона по традиционной технологии).
Из представленных на рис. 3 данных следует, что все бетоны, за исключением состава КК, имеют более высокий модуль упругости относительно самоуплотняющегося бетона при равной прочности (относительно линии Т- Scc). Это превышение достигает максимального значения 1,56 — 1,59 в составах МКо, ССо, ГрКо. В составе на гранитном щебне основной «вклад» в повышение модуля упругости бетона вносит высокий модуль упругости крупного заполнителя, в составах МКо и ССо это связано с максимальной концентрацией крупного заполнителя за счет рациональной гранулометрии.
На рис. 4 представлено соотношение начального и динамического модулей упругости бетона. Поскольку динамический модуль упругости определяется как [8].
V —
Ев 1 ~М
р (1 + мХ1 - 2М) \
Е
ЬЕ (2) р
или
Ев — cрV2
(3)
то очевидно, что значение величины «с» в ф.(3) будет зависеть от величины коэффициента Пуассона бетона ц. Эта зависимость имеет вид
с = 1,12 • ехр(-1,18- д). (4)
Из ф.(4) следует, что величина «с» изменяется от 0,978 при ц = 0,1 до 0,8 при ц = 0,27. В связи с этим можно предположить, что отмечаемое на рис. 4 различие между расчетными и фактическими значениями связано с различием коэффициентов Пуассона, причем эти значения, как правило, будут меньше относительно обычно принимаемого значения 0,2.
55
50
45
ь
л
^
д о
40
ы н ь
ча
а
М
35
30
Л
□
■ КМ
□ КК
▲ МК о
Т
д ММ о
• ССо
□ КС
А МСо
♦ ГрКо
— Т1
30
35 40 45 50 55
Динамический модуль упругости, ГПа
60
Рис. 4. Зависимость между динамическим Еа и начальным Ео модулем упругости бетона
Т,Т1 — по формуле Е0 = к • кг • Еа соответственно при к = 0,823 [8], к1 = 1,0; к = 0,823, к1 = 1,17 (соответствует повышению динамического модуля упругости при снижении ц от 0,25 до 0,1 из ф.(3)).
Влияние модуля упругости заполнителя на модуль упругости бетона наглядно демонстрируют данные на рис. 5.
60 58 56 54
ев
В 52 (-н 52
о н и \о •а ы
50 48 46 44 42 40
29
О
Д
□
31
33 35 37
Ed растворной части, ГПа
39
41
ДКК □ КМ О КС АМКо ■ ММо
• МСо
• ССо
• ГрКо
Рис. 5. Соотношение между динамическим модулем упругости растворной
составляющей и бетона
Очевидно, что бетон на гранитном заполнителе с модулем упругости 70 ГПа имеет модуль упругости на 13% выше в сравнении с бетоном на песчанике с модулем упругости 45 ГПа. Согласно [8], влияние модуля упругости крупного заполнителя на модуль упругости бетона может быть учтено коэффициентом
Е
к = 0,456 + 0,544 (5)
^ 67 " ()
Из ф.(5) следует, что модуль упругости бетона на граните (Еа = 70 ГПа) может превышать модуль упругости бетона на песчанике (Еа = 45 ГПа) в 1,2 раза, что достаточно близко к значению 1,13. Наличие экстремума у зависимости модуля упругости бетона на песчанике вероятно связано с влиянием контактной зоны, которая у некоторых составов ослаблена [7]. Максимальным значением модуля упругости на песчанике обладает бетон ССо, полученный на заполнителе с минимальной пустотностью и обладающий минимальным значением показателя удельного расхода цемента Ц/Я = 4 кг/(м3-МПа) [7].
На рис. 6 представлена зависимость относительной деформации ея при напряжении, равном пределу прочности, от соотношения Ярг/Ео. Из представленных на рис. 6 данных следует, что бетоны каркасной структуры способны к развитию неупругих деформаций, что приводит к значительному (до 45%) росту величины ея, которая практически у всех составов выше в сравнении со среднестатистическими значениями, т.е. бетоны каркасной структуры не могут быть отнесены к хрупким. Способность к развитию неупругих деформаций предопределяет пониженное значение коэффициента упругости, что подтверждает представленная на рис. 7 зависимость коэффициента упругости бетона при напряжении, равном пределу прочности, от соотношения Ярг/Ео.
330
о 310
290
а св 270
Я
а о 250
■&
о 230
№
Л Я 210
■а
Ч и 190
н
о 170
Я
н О 150
□
д
А
п
0,0009 0,001 0,0011 0,0012 0,0013
Ярг/Ео
0,0014 0,0015
0,0016
■ КК
□ КМ
□ КС
А МКо
Д ММо
А МСо
♦ ССо
• ГрКо
Т
Рис. 6. Зависимость относительной деформации при напряжении, равном пределу
прочности, от соотношения Ярг/Ео
Я
Т - по формуле £я = 0,058 • (^-)0,5 [8]
Еп
н о
о -
а
в
^
н я
щ
я я
я ■&
Л
о
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
0,45
0,4 0,0009
■ КК
□ КМ
□ КС А МКо Д ММо Д МСо
♦ ССо
• ГрКо -Т
0,001 0,0011 0,0012 0,0013
Ярг/Ео
0,0014 0,0015
0,0016
Рис. 7. Зависимость коэффициента упругости бетона при напряжении, равном пределу
прочности, от соотношения Ярг/Ео
Я
Т - по формуле = 17,2 • (——)0,5 [8]
Е0
Поскольку повышение начального модуля упругости приводит к росту жесткости сечений, влияет на момент трещинообразования, характеристики приведенного сечения, а увеличение величины £к сопровождается возможным ростом предельных напряжений в арматуре сжатой зоны сечений, особенности диаграммы «напряжения - деформации» бетонов с каркасной структурой обуславливают особенности напряженно-деформированного состояния сечений [9, 10]. Этот вопрос заслуживает специального исследования.
Выводы
1. Бетоны каркасной структуры, полученные посредством нагнетания маловязкой растворной составляющей в пустоты наброски крупного заполнителя зафиксированного объема, либо погружением крупного заполнителя в маловязкую растворную составляющую с вибрацией, обладают повышенным до 60% модулем упругости в сравнении с равнопрочными бетонами, полученными из самоуплотняющихся бетонных смесей, и пониженным в сравнении со среднестатистическими данными значением коэффициента Пуассона.
2. Диаграмма «напряжения - деформации» бетонов каркасной структуры имеет Б -образный вид, что обусловлено особенностью включения каркаса из крупного заполнителя в работу на ранних этапах нагружения, бетоны способны к развитию неупругих деформаций, т.е. не могут быть отнесены к хрупким, и характеризуются повышенным до 45% значением величины ея и, соответственно пониженным значением коэффициента упругости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баженов, Ю.М., Модифицированные высококачественные бетоны / Ю.М. Баженов, В.С. Демьянова, В.И. Калашников. - М: АСВ, 2006. - 368 с.
2. Калашников, В.И. Расчет состава высокопрочных самоуплотняющихся бетонов /
B.И. Калашников // Строительные материалы. - 2008. - №10. - С. 4 - 6.
3. Несветаев, Г.В. Самоуплотняющиеся бетоны: модуль упругости и мера ползучести / Г.В. Несветаев, А.Н. Давидюк // Строительные материалы. - 2009. -№6 - С. 68 - 71.
4. Несветаев, Г.В., Самоуплотняющиеся бетоны: усадка / Г.В. Несветаев, А.Н. Давидюк // Строительные материалы. - 2009. - №8 - С. 52 - 53.
5. Соломатов, В.И. Интенсивная технология бетонов / В.И. Соломатов, М.К. Тахиров, Тахер Шах Мд. - М.: Стройиздат, 1989. - 264 с.
6. Соломатов, В.И. Прочность композиционных строительных материалов каркасной структуры / В.И. Соломатов, Ю.Б. Потапов // Изв. вузов: Строительство и архитектура. - 1986. - №7. - С. 57-58.
7. Несветаев, Г.В. О прочности бетона с каркасной структурой / Г.В. Несветаев,
C.В. Халезин // Науковедение, т.7. №3 (выпуск 3(28) май-июнь. - Статья 92ТУШ15.
8. Несветаев, Г.В. Бетоны / Г.В. Несветаев. - Ростов/Д: «Феникс», 2013. - 381 с.
9. Маилян, Д.Р. Железобетонные балки с предварительным напряжением на отдельных участках / Д.Р. Маилян, Р.Л. Маилян, М.В. Осипов // Бетон и железобетон. - 2002. - №2. - С. 18 - 19.
10. Аксенов, В.Н. Работа железобетонных колонн из высокопрочного бетона / В.Н. Аксенов, Д.Р. Маилян // Бетон и железобетон. - 2008. - №6. - С. 5 - 8.
Рецензент: Маилян Дмитрий Рафаэлович, заведующий кафедрой «Железобетонных и каменных конструкций», доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет».
Nesvetaev Grigory Vasilievich
Rostov State University of Civil Engineering Russia, Rostov-on-Don E-mail: [email protected]
Halezin Sergey Valerievich
Rostov State University of Civil Engineering Russia, Rostov-on-Don E-mail: [email protected]
The deformation properties of concrete with contact structure
of coarse aggregate
Abstract. Concretes obtained from high self-compacting concrete based on modern superplasticizers, together with a number of technological advantages in terms of structural properties, have several drawbacks due to the high concentration of mortar component that lowers the initial modulus of elasticity, higher shrinkage and creep. To improve the quality of concrete deformation parameters necessary to minimize the amount of mortar component, which ideally should be equal to the void volume of coarse aggregate. Such concrete frame structure obtained by separate injection technology low-viscosity mortar component in the void outline of coarse aggregate fixed in volume or by immersion in low-viscosity mortar component coarse aggregate. Diagram "stress - strain" concrete frame structure is S-shaped, and initial modulus can exceed 1.59 times the elastic modulus of self-compacting concrete at equal strength. Concrete characterized by a low value of Poisson's ratio and coefficient of elasticity, increasing the strain at break, which is favorable for reinforced concrete structures.
Keywords: concrete with contact structure of coarse aggregate; E-modulus; mortar matrix; coarse aggregate; Poisson's ratio; relative strain; "stress - strain" diagram.
REFERENCES
1. Bazhenov, Y.M., Modified quality concrete / Y.M. Bazhenov, V.S. Demyanova, V.I. Kalashnikov. - M: DIA, 2006. - 368 s.
2. Kalashnikov, V.I. The calculation of mix proportion of high strength self-compacting concrete / V.I. Kalashnikov // Building materials. - 2008. - №10. - P. 4 - 6.
3. Nesvetaev, G.V. Self-compacting concretes: the elastic modulus and creep measure / G.V. Nesvetaev, A.N. Davidyuk // Building materials. - 2009. - №6 - pp 68 - 71.
4. Nesvetaev, G.V., Self-compacting concretes: shrinkage / G.V. Nesvetaev, A.N. Davidyuk // Building materials. - 2009. - №8 - pp 52 - 53.
5. Solomatov, V.I. Intensive technology of concrete / V.I. Solomatov, M.K. Tahir Shah Md. Taher. - M.: Stroyizdat, 1989. - 264 s.
6. Solomatov, V.I. The strength of composite building materials carcass structure / V.I. Solomatov, Y.B. Potapov // Math. universities: Construction and architecture. - 1986. - №7. - pp 57-58.
7. Nesvetaev, G.V. On the strength of concrete framing / G.V. Nesvetaev, S.V. Khalezin // Naukovedenie, vol.7. №3 (Issue 3 (28) in May-June. - Article 92TVN315.
8. Nesvetaev, G.V. Concretes / G.V. Nesvetaev. - Rostov / W: "Phoenix", 2013. - 381 s.
9. Mailyan, D.R. Concrete beams prestressed in some areas / D.R. Mailyan, R.L. Mailyan, M.V. Osipov // Concrete and reinforced concrete. - 2002. - №2. - p. 18 - 19.
10. Aksenov, V.N. Behavior of high-strength concrete columns / V.N. Aksenov, D.R. Mailyan // Concrete and reinforced concrete. - 2008. - №6. - C. 5 - 8.
