Исследование механических свойств серосодержащих арболитовых блоков Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ü

ЭКСПЕРТ: 2020 NO 3 (6) EXPERT:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА J \ THEORY AND PRACTICE

УДК 666.972.16 DOI 10.24411/2686-7818-2020-10026

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ АРБОЛИТОВЫХ БЛОКОВ*

© 2020 Ю.А. Соколова, М.В. Акулова,

Б.Р. Исакулов**

Серосодержащие арболитовые блоки при своей небольшой плотности (600-650 кг/м3) имеют достаточно высокую прочность, позволяющую использовать их в качестве теплоизоляционно-конструкционного материала, удовлетворительную морозостойкость и хорошие теплотехнические показатели. В работе проведены исследования механических свойств для определения их поведения при монтаже и эксплуатации. Показаны результаты поведения блоков в крупноблочной кладке при центральном сжатии, возникающие напряжения сжатия, растяжения, изгиба и среза, которые вызывают разрушение блоков в кладке. Выведены формулы для определения начального модуля упругости призм и блоков из арболитобетона. Установлена новая экспериментальная зависимость для вычисления величины несущей способности серосодержащего арболита при внецентренном сжатии.

Ключевые слова: серосодержащие конструкционные материалы, арболит, механические свойства.

Серосодержащие арболитовые блоки болитовых блоков может быть выражена фор-при своей небольшой плотности (600-650 кг/ мулой:

м3) имеют достаточно высокую прочность, R^ , =120с2 - 40,5с +12,5. (1)

' II/ куб сух сух v '

позволяющую использовать их в качестве Коэффициент однородности k будет оп-

теплоизоляционно-конструкционного мате- ределяться соотношением:

риала, достаточную морозостойкость и хо- k = R ./R = M-(1 - 3o/M)/R =

1 /i—i / I min norm v ' norm

рошие теплотехнические показатели. Для = M-(1-3C )/R , (2)

I i i \ v// norm7 x '

определения их поведения при монтаже и где Cv- коэффициент вариации, Rmin- мини-

эксплуатации проведены исследования ме- мальный предел прочности бетона при

ханических свойств серосодержащих арбо- сжатии, Rnorm- нормативный предел проч-

литовых блоков. ности бетона при сжатии, M - среднее

Исследованию подверглись блоки из арифметическое по выборке, x - текущее

серосодержащего арболита плотностью 600- значение прочности, о - среднее квад-

650 кг/м3. Как известно, предел прочности ратичное отклонение прочности.

при сжатии легких бетонов зависит от их Для предварительных подсчетов сопро-

плотности. Эта зависимость между плотностью тивлений коэффициент однородности k на за-

и кубиковой прочностью серосодержащих ар- водах, где технология хорошо отработана,

* Работа представлена в качестве доклада на XI Академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Долговечность, прочность и механика разрушения строительных материалов и конструкций», посвященной памяти первого Председателя Научного совета РААСН «Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов» Почетного члена РААСН, д.т.н., профессора Зайцева Юрия Владимировича (Саранск, ФГБОУ ВО "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва", 2020 год).

** Соколова Юлия Андреевна - доктор технических наук, профессор, академик РААСН, Научно-исследовательский университет Московский государственный строительный университет (РФ, Москва); Акулова Марина Владимировна (m_akulova@mail.ru) - доктор технических наук, профессор, советник РААСН, Ивановский государственный политехнический университет (РФ, Иваново); Исакулов Баизак Разакович - доктор технических наук, доцент, «Баишев Университет» (Казахстан, Актобе).

следует принимать равным 0,5. Для заводов, где технология производства недостаточно отработана, к = 0,25. Анализ коэффициентов однородности для показателей прочности серосодержащего арболита показал, что их значение ниже, чем у обычных бетонов, вследствие влияния изменчивости показателя плотности.

Исследования изменения прочности с течением времени показали, что предел прочности при сжатии серосодержащего арболита в первые два месяца возрастает на 28%, при дальнейшем хранении в естественных условиях в течение 180 сут. прочность практически остается постоянной. Незначительные изменения прочности с течением времени следует отнести за счет изменения влажности опытных образцов. Наличие свободной влаги серосодержащих арболитов ведет к снижению их предела прочности при сжатии. Влияние свободной влаги-на предел прочности при сжатии выражается формулой:

П ВС

1\уб

— сУх -^куб

= 0,00Ш2 - 0,04W + 1,

(3)

К = 0,5И сКуб Р

К = 0,7Я

куб

(5)

где КвКуб и Кб-соответственно кубиковая

прочность серосодержащего арболита в воздушно-сухом и высушенном состоянии, МПа; W - влажность, % по массе. Серосодержащий арболит является достаточно однородным материалом. Предел прочности при сжатии его, как показали испытания, не зависит от ориентации направления сжимающей силы.

Для исследования прочности серосодержащего арболита были испытаны блоки по четырехрядной и двухрядной разрезке. Размеры блоков достигали 1200x400x400 и 1200x200x400 мм. Предел прочности стеновых серосодержащих блоков при центральном сжатии может быть определен по формулам:

(4)

бр

где 1^, 1К2- прочность серосодержащего арболита в МПа; Р и Р - соответственно

нт 6р

площади сечения блока по нетто и брутто в см2.

Формулы (4) и (5) применимы для сплошных серосодержащих арболитовых блоков при проценте пустотности Р с1" 5%. Блоки при сжатии испытывают сложное напряженное состояние, и прочность их зависит отряда факторов: опорных условий, равномерности передачи нагрузки, однородности блока, относительной длины опорного контура и др. Разрушение крупных блоков носит хрупкий характер, однако, в отличие от призм, появление первых трещин в блоках отмечается при нагрузках, составляющих 0,5-1 % от разрушающей нагрузки (а в отдельных случаях и раньше). После появления первых трещин, которые обычно отмечаются на противоположных широких гранях блоков, в них происходит перераспределение дав -лений, и они выдерживают значительную нагрузку - до 50% и более.

Многочисленные исследования серосодержащего арболита при сжатии, растяжении, изгибе и срезе позволили получить достаточно достоверные значения механических характеристик данного исследуемого материала. В зависимости от плотности и класса прочности серосодержащего арболита могут быть рекомендованы следующие нормативные сопротивления в МПа (табл. 1).

При исследовании прочности кладки сте -новых блоков из серосодержащего арболита было произведено испытание более 10 образцов кладки из двух, трех и четырех крупных блоков на растворах с прочностью от 50 до 75 МПа. Кроме того, были испытаны образцы кладки на разных растворах.

Для кладки были использованы стеновые блоки, изготовленные на Актюбинском заводе железобетонных изделий совместно с Актюбинским региональным государственным университетом и Ивановским государственным политехническим университе-том[1]. Опыты показали, что в крупноблочной

КС

ü

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2020. № 3 (6)

Таблица 1. Нормативные сопротивления серосодержащего арболита, МПа

Плотность, кг/м3 Класс прочности Предел прочности, МПа при

осевом сжатии растяжении растяжения при изгибе срезе

550 В 1,5 0,75 3 6 5

600 В 2,0 1,0 6 10 8

650 В 2,5 1,25 10 16 14

кладке при центральном сжатии возникают напряжения сжатия, растяжения, изгиба и среза, которые вызывают разрушение блоков в кладке (см. рисунок).

Первые трещины в образцах кладки на растворах низких марок появились при нагрузках 0,53-0,73 от разрушающих, а при кладке на растворах высоких марок - при нагрузках 0,69-0,96от разрушающих. Опыты показали, что относительная прочность кладки из блоков при изменении марки раствора от 0 до 50 и выше соответственно менялось от 0,64 до 1. Повышенная деформатив-ность и неравномерная плотность слабого раствора в горизонтальных швах, очевидно, явились причиной раннего появления трещин и разрушения образцов кладки на растворе низких марок. Кладка на растворах высоких марок не дала снижения прочности при сжатии. Проведенные испытания позволили установить зависимость прочности кладки от применяемого класса стеновых блоков и марки кладочных растворов.

Для определения нормативного сопротивления кладки из серосодержащих стеновых блоков может быть применена извест-

ная формула профессора Л.И. Онищика [2], предложенная им для каменных работ, с введением в формулу коэффициентов, полученных в результате испытания крупноблочной кладки:

Ккл = А 1\(1 - а /Ь + )у, (6)

где Ккл, 1^- пределы прочности при сжатии кладки, камня и раствора в МПа; А - кон -структивный коэффициент использования камня в кладке; а-Ь - коэффициенты, зависящие от вида и размеров камня (определяются опытным путем); у -коэффициент снижения прочности кладки на растворах низких марок. Для кладки стеновых блоков из серосодержащего арболита были установлены следующие значения опытных коэффициентов: А=0,85; а=0,1; Ь=0,4 и у=0,85-1 при изменении марок раствора от 0 до 10 МПа.

Таким образом, для кладки стеновых блоков формула (6) принимает следующий вид:

Ккл = 0,85^(1 - 0,1 /0,4 + )у. (7) Пределы прочности кладки при сжатии, определенные по формуле (7), подтверждаются экспериментальными данными. Откло-

Плотность арбояитовых блоков, кг/м

Рис. 1. Зависимость кубиковой прочности R серосодержащих арболитовых блоков от его плотности

нение опытных данных от теоретических составляет в среднем 1,9%.

Формула (7) является справедливой для кладки из крупных стеновых блоков четырехрядной разрезки, выложенных на растворах разных марок. Снижение предела прочности кладки за счет растворных швов следует объяснить тем, что сопротивление крупного блока в кладке срезу и изгибу снижается вследствие трудностей создания горизонтального шва на большой поверхности. Неровности горизонтального шва вызывают в блоках местное перенапряжение, ведущее к преждевременному разрушению блоков в кладке. Исследования показали, что относительная прочность кладки из мелких блоков сравнительна с относительной прочностью кладки из крупных блоков.

На основании полученных результатов рекомендуется для практических целей при -нимать нормативные сопротивления кладки из блоков (при высоте ряда кладки 500 мм и выше) согласно данным табл. 2.

тика кладки из серосодержащего арболита.

Анализ опытных данных по деформа-тивным свойствам образцов-призм из серосодержащего арболита показал, что зависи -мость между напряжениями и деформациями дает удовлетворительное совпадение с опытными данными, если принять среднюю величину 1^=1,75^ вместо принятого для обычного бетона и кладки 1^=1,1^ Оценка упруго-пластических свойств с использованием коэффициентов показывает, что при а=0,5К для образцов призм серосодержащего арболита, испытанных при выдержках на каждой ступени нагрузки в течение 5 и 15 минут, величина коэффициента упругости у=8 /в менялась в пределах от 0,92 до

а' полн 1 1 1 / п

0,97.Испытания с повторными нагрузками-разгрузками показали, что при а=0,45К коэффициент у= 0,9, а при а=0,75К у=0,85. Таким образом, даже при нагрузках, близких к разрушающим, серосодержащий арболит сохраняет свои упругие свойства.

Таблица 2. Нормативные сопротивления кладки из серосодержащего арболита

Плотность, кг/м3 Предел прочности стенового блока при сжатии, МПа Предел прочности кладки стен при сжатии в МПа при марке раствора в МПа

0 0,2 0,4 1,0 2,5 5,0 и выше

550 1,5 0,85 0,95 0,95 1,1 1,2 1,2

600 2,5 1,35 1,45 1,55 1,75 1,9 1,95

630 3,5 2,45 2,55 2,7 3,05 3,25 3,45

650 5,0 3,8 3,95 4,15 4,7 4,95 5,2

Для исследования деформативных свойств серосодержащего арболита замеряли деформации призм, блоков и кладки.

Значения относительных деформаций 8 и величины начального модуля упругости Е определяли по формулам:

Я1 п

Анализ результатов испытаний деформаций призм и блоков из серосодержащего арболита позволил вывести следующие формулы для определения начального модуля упругости этих материалов:

8 =

!п(1- ),

v"1" я1

(8)

Е0=^с,

Е0 = 4,77с

Я

пр

(10) (11)

Е = М1-Я)

(9)

''' 'сУ, гдеRпp- призменная прочность, МПа.

Значения модулей упругости Ео, вычисленные по формулам (10) и (11), дают удовлетворительное совпадение с опытными данными.

В зависимости от плотности и класса прочности серосодержащего арболита нормативные значения начального модуля упру© АНО "Институт судебной строительно-технической экспертизы", 2020 59

где а - рассматриваемое напряжение в МПа; К1- условный предел прочности при сжатии, МПа; Е -действительный модуль упругости, МПа; Е0=аК - начальный модуль упругости, МПа, а - упругая характерис-

t)

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2020. № 3 (6)

Таблица 3. Нормативные значения модуля упругости серосодержащих арболитов

Плотность, кг/м3 Кубиковая прочность, МПа Призменная прочность, МПа Начальный модуль упругости, МПа

550 2,0 1,9 1400

600 2,5 2,5 2400

650 3,0 3,0 4000

гости Ен0 следует принимать согласно данным табл. 3.

Таким образом, модули упругости серосодержащего арболита ниже модулей упругости бетонов в 3 раза при соответственно равных пределах прочности при сжатии. Предельная сжимаемость серосодержащего арболита при напряжении о=0,8К составляла 1,56 мм/м. Сжимаемость серосодержащего арболита при равных кубиковых проч-ностях в 3 раза выше, чем у тяжелых бетонов. Коэффициент Пауссона серосодержащего арболита ц при о= 0,5 К равен 0,2, что соответствует хрупкой природе материала.

Величина сдвига серосодержащего арболита, вычисленная по формуле (12), составила 0,416 Е .

' о

6= Ео/2(1 + 2ц). (12)

Исследования деформаций образцов кладки из блоков серосодержащего арболита на разных марках растворов показали, что основными факторами, влияющими на величину модуля упругости, являются прочность материала бетонов и марка раствора. Зависимость между напряжениями о и деформациями 8 приближается к прямолинейной. Анализ прочности и деформаций блоков из серосодержащего арболита, испытанных отдельно, и блоков, испытанных в кладке, показал, что в кладке прочность блока используется в пределах от 0,5 до 0,71 по сравнению с блоком, испытанным отдельно. Этот процент использования в два с лишним раза выше процента использования кирпича в кладке.

На основании опытных данных была установлена зависимость между величиной упругой характеристики кладки из блоков серосодержащего арболита а и маркой раствора К,. Эта зависимость выражается формулой:

(13)

а = 500(1+1/1+20/Rl),

где а=

Eç R

- упругая характеристика кладки.

Для использования в практических целях следует принимать значения упругой характеристики кладки а согласно нижеприведенным данным табл. 4.

Исследования предела прочности призм из серосодержащего арболита при сжатии в условиях длительного воздействия нагрузки показали, что при напряжении а=0,3К в течение одного года деформации носили слабозатухающий характер. Установлено, что рост деформаций при длительном на-гружении идет за счет деформаций ползучести. Деформации растут интенсивно первые 100 дней, в дальнейшем начинают затухать. Также установлено, что нахождение блоков под нагрузкой 0,15Кразв течение одного года не вызывает снижения предела прочности образцов из серосодержащего арболита при сжатии. Анализ опытных данных позволил установить новую экспериментальную зависимость для вычисления величины несущей способности серосодержащего арболита при вне-центренном сжатии:

е\

Р™ = КК+(1 - -), (14)

Таблица 4. Значение упругой характеристики кладки

Марка раствора, МПа Упругая характеристика, отн. ед. Марка раствора, МПа Упругая характеристика, отн. ед

0-0,5 550 2,1-5,0 800

0,6 - 1,0 650 5,0 и более 850

1,1-2,0 700 10 1000

где Рр - разрушающая нагрузка при внецен-

тренном сжатии в кН; К- предел прочности при центральном сжатии в МПа; е0-эксцентриситет в см; у - расстояние от центра тяжести до более напряженной грани в см.

Полученная новая формула дает удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными; в среднем отклонение от опытных данных составляет 12,9 %, что примерно в 2 раза меньше отклонений при вычислении несущей способности по формулам сопротивления материалов. Исследования показали, что серосодержащий арболит яв-

ляется упруго-пластичным материалом и его можно использовать для малоэтажного строительства в виде стеновых материалов.

Библиографический список

1. Исакулов Б.Р. Технология получения высокопрочных арболитобетонов на основе композиционных шлакощелочных и серосодержащих вяжущих / Б.Р. Исакулов, М.В. Акулова, Т.Ж. Толеуов, Б.Б. Кульшаров. - Актобе: АРГУ им. К. Жубанова, 2017. - 200 с.

2. Онищик Л.И. Прочность и устойчивость каменных конструкций. Часть I. Работа элементов каменных конструкций. - М.; Л.: Гос. изд-во строит. лит., 1939. - 398 с.

Поступила в редакцию 28.04.2020 г.

STUDY OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF SULPHUR-CONTAINING ARBOLITE BLOCKS

© 2020 Yu.A. Sokolova, M.V. Akulova,

B.R. Isakulov*

Sulphur-containing wood concrete blocks characterized by low density (600-650 kg/m3) have a high enough strength that enables their application as a thermal insulating and structural material, satisfactory frost resistance and good thermal performance. The authors of the paper implemented research of mechanical properties in order to determine their behavior during installation and service life. In the paper, the results of the block's behavior in the large-block masonry exposed to central compression are shown as well as arising compression strength, stretching, bending and cut-off tensions that cause the blocks fracture in masonry. The authors proposed the formulas for estimating the initial elasticity modulus for wood concrete prisms and blocks. A new experimental dependence for calculating the value of wood concrete load-bearing capability for sulfur-containing wood concrete has been established under off-center compression.

Keywords: sulphur-containing structural building materials, wood concrete, mechanical properties.

Received for publication on 28.04.2020

* Sokolova Yulia Andreyevna - Doctor of Sciences, Professor, Academician of the Russian Academy of Architectural and Construction Sciences, Moscow State Construction University Research University, (Russia, Moscow); Akulova Marina Vladimirovna - Doctor of Sciences, Professor, Advisor of the Russian Academy of Architectural and Construction Sciences, Ivanovo State Politechnical University (Russia, Ivanovo); Isakulov Baizak Razakovich - Doctor of Sciences, Associate professor, «Baishev University» (Kazakhstan).