CC BY
23УДК 620.172.222
Н.Н. ЧЕРНОУСОВ, канд. техн. наук ([email protected]), Р.Н. ЧЕРНОУСОВ, канд. техн. наук, А.В. СУХАНОВ, инженер
Липецкий государственный технический университет (398600, г. Липецк, ул. Московская, 30)
Исследование механики работы мелкозернистого шлакобетона при осевом растяжении и сжатии
С целью определения физико-механических характеристик шлакобетона, подбора для него зависимостей и параметров для расчета элементов конструкций по диаграммной методике, проведены испытания мелкозернистого шлакобетона на осевое растяжение и сжатие. Представлены результаты испытаний, диаграммы деформирования шлакобетона. На основе экспериментальных данных получены зависимости, связывающие такие характеристики мелкозернистого шлакобетона, как прочность при растяжении, начальный модуль упругости, предельные относительные деформации при растяжении и сжатии, через кубиковую прочность. Для описания диаграмм деформирования мелкозернистого шлакобетона принята зависимость, рекомендуемая ЕКБ-ФИП.
Ключевые слова: мелкозернистый шлакобетон, начальный модуль упругости, предельные относительные деформации, диаграмма деформирования бетона.
N.N. CHERNOUSOV, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), R.N. CHERNOUSOV, Candidate of Sciences (Engineering), A.V. SUKHANOV, Engineer, Lipetsk State Technical University (30, Moskovskaya Street, 398600 Lipetsk, Russian Federation)
Research in Mechanics of Operation of Fine-Grained Slag Concrete under Axial Tension and Compression
To determine the physical-mechanical characteristics of the slag concrete, select the dependences and parameters for calculation of structural elements by diagram methodology the tests of fine-grained slag concrete under axial tension and compression were conducted. The results of tests and diagrams of slag concrete deformation are presented. On the basis of experimental data, dependences connecting such characteristics of the fine-grained slag concrete as tensile strength, initial tangent modulus, ultimate relative strains under tension and compression were obtained through the cube strength. The dependence recommended by EKB-FIP is accepted for describing diagrams of fine-grained slag concrete deformation. Keywords: fine-grained slag concrete, initial tangent modulus, ultimate relative strains, concrete deformation diagram.
В связи с возрастающими требованиями к эффективному и экономичному потреблению материальных и энергетических ресурсов, а также к снижению стоимости и трудоемкости технологических процессов в настоящее время происходит интенсивный рост области применения железобетонных конструкций из бетонов, позволяющих использовать для их производства вторичные отходы различных отраслей промышленности и местные заполнители. К таким бетонам, в частности, относится мелкозернистый шлакобетон на основе отсева дробления литого шлакового щебня.
Известно, что мелкозернистый шлакобетон нашел применение при проектировании конструкций транспортных сооружений: в устройстве оснований дорожных одежд, элементов перекрытий (балок), ребристых плит покрытия, безнапорных пропускных труб, люков смотровых колодцев из сталефиброшлакобетона классов В10, В15, В25, В30 и др [1].
Несмотря на столь широкое применение шлакобетонных и сталефиброшлакобетонных конструкций в современном строительстве, многие особенности их прочностных характеристик мало изучены. В частности, это относится к проблеме определения физико-механических характеристик шлакобетона, подбора для него зависимостей и параметров для расчета элементов конструкций по диаграммной методике.
Целью исследования является изучение физико-механических характеристик мелкозернистого шлакобетона, получение зависимостей и параметров, необходимых для достоверного расчета элементов шлакобетонных конструкций по диаграммной методике.
Значительная часть расчетов элементов строительных конструкций основывается на таких характеристиках материала, как призменная прочность бетона Rb, ку-биковая прочность Rm, прочность при осевом растяжении Rbt, начальный модуль упругости бетона Е0, а также предельные относительные деформации бетона при сжатии и растяжении еьт.
Основным источником информации о механических свойствах материала, содержащим данные величины, являются диаграммы деформирования бетона, связывающие относительные деформации с напряжениями £—о при одноосном сжатии и растяжении, для получения которых проводились испытания на образцах, изготовленных на основе шлаков металлургического производства ОАО «НЛМК». В исследуемых составах использовались в качестве вяжущего цемент марки ПЦ500 D0 Липецкого цементного завода и пластифицирующая добавка Реламикс (10% раствор), а в качестве заполнителя — отсев дробления литого шлакового щебня фракции 0—5 мм с насыпной плотностью от 1085 до 1135 кг/м3. Составы экспериментальных образцов представлены в табл. 1.
Твердение бетона происходило в лабораторных условиях при температуре +18—20оС и влажности 70±5%. Нагружение шлакобетона при испытании на сжатие происходило со скоростью 0,6±0,4 МПа/с, при испытании на растяжение — 0,05±0,02 МПа/с.
Прочность бетона при сжатии и при растяжении определялась на стандартных образцах согласно указаниям ГОСТ 10180—90. Кубиковая прочность определялась на образцах 7x7x7 см, призменная прочность и прочность при растяжении определялись на призмах 7x7x28 см. Относительные деформации при испытании призм на растяжение и сжатие — с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,001 мм на базе 180 мм. Численные результаты испытаний представлены в табл. 2, эмпирические диаграммы £—о представлены на рис. 1.
При проектировании оптимальных составов стале-фибробетонных смесей при расчете риска возникновения трещин в конструкциях из сталефибробетона, а также для разработки автоматизированных программ, ведущих расчет конструкций по диаграммной методике, в основном используются такие физико-механические характеристики бетона, как кубиковая прочность Rm,
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2014
59
32
0 0,1 0,2 0,3 0,4 Относительные деформации, £. 10-3
4 6 8 10 Относительные деформации, Е10-3
12
№ состава Класс (марка) Расход компонентов, кг/м3
Цемент Отсев от дробления литого шлакового щебня Вода
1 В3,5 (М50) 330 1498 205
2 В5 (М75) 335 1520 200
3 В7,5 (М100) 350 1555 190
4 В10 (М150) 365 1510 180
5 В12,5 (М150) 400 1560 185
6 В15 (М200) 420 1510 190
7 В20 М(250) 440 1463 200
прочность при растяжении Яы, начальный модуль упругости Е°, значения предельных относительных деформаций бетона при растяжении еьяЯ и сжатии еья. На практике удобно пользоваться величиной Ят, в связи с чем многие специалисты проводят исследования по поиску зависимостей, выражающих характеристики отдельного вида бетона через его кубиковую прочность.
Общеизвестна формула, связывающая предел прочности бетона при растяжении Яы с его кубиковой прочностью Ят:
(1)
В [2] предложена следующая зависимость для мелкозернистого песчаного бетона:
(2)
К = 0,зуд,
14
Рис. 1. Эмпирические диаграммы £-о для мелкозернистого шлакобетона: а - при осевом растяжении; б - при сжатии
Таблица 1
Составы бетона для каждой партии образцов
Нашими опытами установлено, что прочность при осевом растяжении образцов из мелкозернистого шлакобетона составляет приблизительно 0,08—0,3 прочности при сжатии. В результате обработки опытных данных удалось получить следующую зависимость:
(3)
Опытные и полученные по формулам (1)—(3) зависимости прочности при растяжении от прочности при сжатии приведены на рис. 2.
Начальный модуль упругости бетона Е0 удобно вычислять через Ят и средняя плотность р, кг/м3.
С целью определения зависимости объемной массы мелкозернистого шлакобетона р от его кубиковой прочности
1 у 3
уЪ X 2
/ О
о
V ff о о
/Ж
14 21
Кубиковая прочность Rm, МПа
28
35
25000
20000
15000
10000
5000
❖ о £ О
¿¡г о о
>
14 21
Кубиковая прочность Rm, МПа
28
35
Рис. 2. Зависимость прочности при растяжении Яы от кубиковой прочности Ят: 1 - по формуле (1); 2 - по формуле (2); 3 - по формуле (3)
Рис. 3. Опытные данные и теоретическая кривая зависимости начального модуля упругости мелкозернистого шлакобетона от его кубиковой прочности
0
2
5
4
3
2
0
0
7
0
0
7
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
60 декабрь 2014 ' Ы ®
Таблица 2
Результаты испытания опытных образцов на осевое растяжение и сжатие
№ состава Средние значения начального модуля упругости E0, МПа Средние значения прочности бетона, МПа Средние значения относительных деформаций в вершине диаграммы
при сжатии при осевом растяжении Rbt при сжатии EbR'10-3 при осевом растяжении Ebffi-10-3
кубиковая прочность, Rm призменная прочность Rb
1 8,036 4,58 4,44 1,115 1,397 0,154
2 9,453 7,06 6,71 1,362 1,603 0,169
3 11,594 8,78 8,6 1,679 1,741 0,178
4 15,248 15,15 15,1 2,099 2,101 0,202
5 17,663 19,06 18,3 3,079 2,239 0,211
6 19,715 22,69 22,01 3,154 2,382 0,219
7 21,606 28,81 27,6 3,415 2,568 0,231
Rm были проведены отдельные испытания на образцах бетона размером 7x7x7 см. Численные значения экспериментальных данных представлены в табл. 2.
Анализ данных, представленных в табл. 2, позволил получить следующую зависимость для выражения объемной массы мелкозернистого шлакобетона от его ку-биковой прочности:
р = 100 -1п(дт)+1780, (4)
где Rm — кубиковая прочность бетона, МПа; р — средняя плотность, кг/м3.
Для выражения начального модуля упругости Е^ (в МПа) применительно к мелкозернистому шлакобетону получена формула:
Е1= 1,95/7^=1,95- (100 -1п(О+1780)Д". (5)
Соотношение опытных данных с теоретической кривой, построенной по формуле (5), позволяет сделать вывод о применимости данной зависимости для выражения начального модуля упругости мелкозерни-
стого шлакобетона через его кубиковую прочность (рис. 3).
Получены зависимости для определения предельных относительных деформаций мелкозернистого шлакобетона для сжатия:
бм=о,85-^г;;-1о-3 (6)
и для растяжения:
е4йг=0Д5-^-Ю-3. (7)
Подставляя (3) в (7), получаем следующую формулу для выражения гьм через кубиковую прочность:
^=0,11-^;-ю-3. (8)
Соотношение опытных данных с теоретическими кривыми для еьт и гь1{ показано на рис. 4.
В настоящее время имеется немало предложений по описанию диаграмм £—о (в виде полинома, степенной функции, показательной функции и других зависимо-
2,4
1,2
0,6
о о 0<5 о Д О О
О О ❖ а 0 о О jf ^ о я»:
/ь ж О
/ < >
14 21
Кубиковая прочность Rm, МПа
28
35
б 0,26
0,236
0,212
0,18
0,164
0,14
О о ^^
■о- > о о
о А о о
■0 /О ь ^
1. о
14 21
Кубиковая прочность Rm, МПа
28
35
Рис. 4. Зависимость относительных деформаций в вершине диаграммы £-о от кубиковой прочности Rm: а - при сжатии, кривая построена по формуле (6); б - при осевом растяжении, кривая построена по формуле (8)
3
а
0
7
0
7
научно-технический и производственный журнал ®ЛГ ® декабрь 2014¡ 61
0,5Rb
0,1 Rb
°b Е» Е Eb Eb1 EbR
р/
! / -t-/-—- Eb2 1 1 1 1
V 1 1 1 1 8
Еь %r
Ъ.
R,
1 +
R,
(9)
Таблица 3
Опытные значения кубиковой прочности и объемной массы шлакобетонных образцов
Рис. 5. Диаграмма £-о согласно ЕКБ-ФИП
стей). Та или иная зависимость может быть выбрана с учетом особенностей решаемой задачи [3—6]. В данном случае оказалось удобным использовать зависимость ЕКБ-ФИП (Европейского комитета по бетону и железобетону, ЕКБ —Comité Euro-International du Béton (CEB), фр. и Международной федерации по преднапряженно-му железобетону, ФИП — Fédération Internationale de la Précontrainte (FIP), фр.)
Класс (марка) Кубиковая прочность Rm, МПа Объемная масса р, кг/м3
В7,5 (М100) 11,98 2014,4
12,12 2039,1
11,62 2025,7
В10 (М150) 14,21 2026,9
14,2 2032,9
13,7 2052,5
В12,5 (М150) 17,49 2086,9
17,27 2060,8
16,42 2072,8
В20 (М250) 32,4 2131,1
31,3 2133,2
29,81 2113,9
В22,5 (М300) 34,45 2111,6
34,16 2148,8
33,9 2125
Кривая зависимости (9) представлена на рис. 5. При построении диаграммы растяжения индекс Ь в этом выражении заменяется на Ы.
Данные аналитические выражения применимы для описания с высокой достоверностью диаграмм растяжения и сжатия мелкозернистого шлакобетона, что проиллюстрировано на рис. 6, где показаны приведенные значения опытных данных для некоторых составов и теоретические кривые, построенные по формуле (9).
Считается, что при достижении определенного значения уровня напряжения на нисходящей ветви, равного 0,5, нисходящая ветвь представляет уже не ветвь деформирования цельного бетонного образца, а ветвь деформирования отдельных частей раздробленного бетона. Ниже этого уровня напряжения ниспадающую ветвь использовать в расчетах не рекомендуется.
Выводы. Установлено, что прочность мелкозернистого шлакобетона при осевом растяжении составляет приблизительно 0,08—0,3 прочности при сжатии. На основе экспериментальных данных получены зависимости, связывающие такие характеристики мелкозернистого шлакобетона, как прочность при растяжении, начальный модуль упругости, предельные относительные деформации при растяжении и сжатии, через куби-ковую прочность.
Для описания диаграмм деформирования мелкозернистого шлакобетона принята зависимость, рекомендуемая ЕКБ-ФИП.
о: t?
0,8
0,6
0,4
0,2
0,5
♦Л/ S-*** + + + — + + + — +
J Vt V/ # + t \ %
+ № V+ \
+j ♦î
б
1 1,5 2 2,5
Относительные деформации, £ .10-3
ее t?
0,8
0,6
0,4
0,2
0,05
0,1 0,15 0,2
Относительные деформации, £ .10-3
0,25
Рис. 6. Приведенные значения опытных данных и теоретические кривые, построенные по формуле (9): а - при испытании на сжатие образцов состава № 1; б - при испытании на растяжение образцов состава № 3
R
b
8
8
8
bR
а
0
3
0
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" "б2 декабрь 20014 Ы ®
Список литературы
1. Черноусов Р.Н. Прочность и деформативность элементов конструкций транспортных сооружений на основе мелкозернистого сталефиброшлакобетона // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-стоительного университета. Строительство и архитектура. 2011. № 1 (21). С. 87—97.
2. Черноусов Н.Н., Черноусов Р.Н., Суханов А.В. Моделирование прочностных и деформативных свойств мелкозернистого цементно-песчаного бетона при осевом растяжении и сжатии // Строительные материалы. 2013. № 10. С. 12-14.
3. Atlas of stress-strain curves. Second edition. Materials Park, USA, 2002, 816 p.
4. Мурашкин Г.В., Мордовский С.С. Применение диаграмм деформирования для расчета несущей способности внецентренно сжатых железобетонных элементов // Жилищное строительство. 2013. № 3. С. 38-40.
5. Murashkin G., Panfilov D., Murashkin V. An improved technique of calculating deflections of flexural reinforced concrete elements made of conventional and high-strenght concrete // Journal of Civil Engineering and Architecture. USA. 2013. Vol. 7, No. 2 (Serial number 63), pp. 125-131.
6. Панфилов Д.А., Пишулев А.А., Гимадетдинов К.И. Обзор существующих диаграмм деформирования бетона при сжатии в отечественных и зарубежных нормативных документах // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 3. С. 80-84.
References
1. Chemousov R.N. Strength and deformation of structural elements on the basis of transport facilities fine steel fiber cinder concrete. Nauchnyi vestnik Voronezhskogo gosu-darstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Stroitel'stvo i arkhitektura. 2011. No. 1 (21), pp. 87—97. (In Russian).
2. Chernousov N.N., Chernousov R.N., Sukhanov A.V. Modeling of strength and deformation properties of finegrained sand-cement concrete under axial tension and compression. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials] 2013. No. 10, pp. 12-14. (In Russian).
3. Atlas of stress-strain curves. Second edition. Materials Park, USA, 2002, 816 p.
4. Murashkin G.V., Mordovskii S.S. Application strain diagrams for calculating the bearing capacity of eccentrically compressed concrete elements. Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2013. No. 3, pp. 38-40. (In Russian).
5. Murashkin G., Panfilov D., Murashkin V. An improved technique of calculating deflections of flexural reinforced concrete elements made of conventional and high-strenght concrete // Journal of Civil Engineering and Architecture. USA. 2013. Vol. 7, No. 2 (Serial number 63), pp. 125-131.
6. Panfilov D.A., Pishulev A.A., Gimadetdinov K.I. Review of existing strain diagrams of concrete in compression in domestic and foreign regulations. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. No. 3. pp. 80-84. (In Russian).
Активато
измельчение актив!
Планетарные мельницы «Активатор» для заводских и исследовательских лабораторий
Мельница «AmBaT0p-2SL» «Активатора» «АтеатарйМ»
Количество (обьем) барабанов 2 (по 250мл) 2(по 250мл) 4 (по 1000мл)
Скорость эращения барабанов 0-1500 об/мин 0-2800 об/мин 0-1650 об/мин
Потребляемая мощность 2,2 кВт/ч 2 по 2,2 кВт/ч 18 кВт/ч
Применение Пробогодгстоэка Механокимические исследования Наработка материала
Размеры частиц кварцевого песка, помолотого в течение 5 мин на лабораторный планетарных мельницах «Активатор»
«Ашватор-25Ь 30 % < 1 ц 60 % < 2 ц 92 % < 5 ц
«Активатора» 40 % < 1 ц 77 % < 2 н 96 % < 5 ц
«Активатор-4М» 26 % < 1 ц 60 % <2 \i 86 % < 5 ц
www.activator.ru
Машиностроительный Завод «Активатор» Новосибирская обл., р.п. Дорогино, 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: +7 (38345)710-61 Тел.: +7(913)94294 81 e-mail: [email protected]
Реклама
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2014
63
