CC BY
10
Исследования прочности и деформативности тяжелого бетона при
раннем нагружении
А.Х. Байбурин
Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), Челябинск
Аннотация: На основе экспериментальных данных получены зависимости, описывающие прочностные и деформативные свойства тяжелого бетона при раннем нагружении в условиях отрицательных температур. Предложены эмпирические коэффициенты для описания меры ползучести бетона через температурную функцию. Подтвержден существенный прирост прочности бетона, твердеющего под нагрузкой при замораживании и оттаивании. Результаты могут быть использованы при назначении параметров раннего нагружения и расчета монолитных зданий в стадии их возведения. Ключевые слова: монолитные здания, строительные конструкции, тяжелый бетон, прочность, деформация, ползучесть, мера ползучести, раннее нагружение, интенсивность нагружения.
Впервые эксперименты по раннему нагружению бетона были проведены в 1932 году А.В. Саталкиным [1]. Исследования показали, что упрочнение бетона связано с его пластическим деформированием под нагрузкой, которое приводит к структурным изменениям и уплотнению материала. Последующие исследования выявили положительное влияние давления на различных этапах фазового состояния бетона [2-4] при естественном твердении [5-7], зимнем бетонировании [8, 9], автоклавной обработке, прессвакуумировании [4, 5]. Установлено, что при отрицательных температурах раннее нагружение помогает бетону противостоять деструктивному воздействию образующегося льда и приводит к благоприятному изменению соотношение пор в бетоне [8, 9]. Изучались также прочностные и деформативные характеристики бетона и фибробетона в раннем возрасте [10, 11].
Назначение параметров раннего нагружения требует решения комплекса исследовательских задач по изучению механических и реологических свойств тяжелого бетона в раннем возрасте, в том числе при отрицательных температурах. При этом нужно учитывать параметрические
M
точки микротрещинообразования по О.Я. Бергу и влияние ползучести бетона, исследованное в работах С.В. Александровского, Н.Х. Арутюняна, В.М. Бондаренко, П.И. Васильева, К.З. Галустова, А.А. Гвоздева, К.С. Карапетяна, И.И. Улицкого, Е.Н. Щербакова, А.В. Яшина и др.
Работа бетона в монолитных стенах и колоннах моделировалась центрально и внецентренно сжатыми бетонными призмами. Размеры бетонных призм 100x100x400(300) мм и величина эксцентриситета подбирались из условия гибкости А>14 и ограничения минимального значения сжимающих напряжений <rb>1,0 МПа. Размеры образцов и условия их изоляции от высыхания соответствовали немассивным (тонкостенным) конструкциям. Опытные образцы замораживались в камере низких температур КНТ-1М (полезным объемом 16 м ) до температуры минус 15...30 оС и загружались в пружинных установках.
Для условий отрицательных температур T(t) полные деформации бетона в момент времени t равны:
1
( \ _ ) Г / ч д ) " E(t;T) " ')дг
+ С (г; t; T )
dr + abTT (t ), (1)
Е (т;Т)
'и
где ), Е (';Т) - напряжения и модуль деформации бетона; С(г; ) - мера ползучести тяжелого бетона; аьт - коэффициент линейной температурной деформации бетона.
Проведенные экспериментальные исследования позволили определить значения упругой и пластической составляющих £(/) в формуле (1), используемых в расчетах монолитных зданий. Учет ползучести бетона и влияния податливости горизонтальных швов бетонирования и перемычек производится введением временного модуля деформаций:
Е т) =_К'1"Е (/о;7')_ (2)
(; ) (1 + С('о;';Т)Е('о;т))(1 + Лт(1 + С(^;';Т)Е(^;Т)/ие()), ()
где Кцп - коэффициент уменьшения модуля деформаций с учетом фактической жесткости перемычек на каждом этаже до и после образования трещин; А - коэффициент податливости горизонтальных швов бетонирования; Ие1 - высота этажа; С(^; ) - мера ползучести бетона при отрицательных температурах, определяемая по формулам (4) и (5).
Исследования ползучести бетона показали, что влияние отрицательных температур на деформации ползучести может быть учтено температурной функцией, уменьшающей величину стандартной меры ползучести:
где а, Ь - опытные коэффициенты; Т - температура замораживания, оС.
Среднее значение температурной функции К(Т), найденное опытным путем, равно 0,20 и 0,12 соответственно при температуре минус 15 и 30 оС.
Установлено, что кривые продольных деформаций ползучести при замораживании изменяют свою форму на более пологую и могут быть аппроксимированы по формуле
где С(^0; t) - стандартная предельная мера ползучести бетона, загруженного в возрасте кТ, уТ - коэффициенты при функции нарастания деформаций ползучести во времени, величина которых для условий отрицательных температур устанавливается по формулам:
уТ = у(0,71 + 0,014 • Т),
где к, у - значения коэффициентов при испытаниях в нормальных условиях.
Предельная мера ползучести после оттаивания в среднем на 30 % меньше значений, полученных в нормальных условиях: при температуре (20+2) оС и относительной влажности (60+5) %. Это происходит вследствие влияния начального замораживания на процессы деформирования, микро-
К (Т) = а • ехр [Ь(Т - 20)],
(3)
С(^; ^ Т) = К(Т)С(^; t) (1 - кт • в~Ут(t^0)),
(4)
кТ = к [1 - 0,012(Т - 20)],
(5)
трещинообразования и модификации структуры бетона под длительной нагрузкой. При снижении прочности бетона с 60...80 до 20...40 % проектной предельная мера ползучести увеличивается в 1,5...2 раза (при рабочем уровне напряжений 0,30...0,75), что необходимо учитывать при расчете монолитных зданий в стадии возведения.
Рабочие образцы, загруженные уровнем нагрузки 0,30...0,75 от разрушающей при прочности бетона (0,2...0,8)R28, на 90...180 сутки показали прирост прочности по сравнению с ненагруженными образцами нормального твердения в среднем на 28 и 22 % и модуля упругости на 19 и 15 % соответственно для случая внецентренного и осевого сжатия. Эти данные были подтверждены результатами ультразвуковых исследований, показавшими увеличение плотности цементного камня.
Установлено, что параметрические точки микротрещинообразования, определенные ультразвуковыми исследованиями и измерением поперечных деформаций, подвижны и смещаются в сторону увеличения с ростом прочности бетона в момент нагружения. Это подтверждается анализом регрессионных уравнений, полученных при реализации плана эксперимента, в котором в качестве факторов варьировались прочность при нагружении R0 и интенсивность нагрузки ц, а откликом служила величина упрочнения после оттаивания и последующего твердения. Для одного из составов бетона:
AR = 103,00 + 4,39R - 2,67ц + 0,50R2.
На основании полученных уравнений были определены значения коэффициента допустимой интенсивности нагружения ц.
Как известно, температурные деформации и изменения структуры бетона при замерзании зависят от результирующего действия двух групп взаимно противоположных сил - сил смерзания на границах раздела фаз и сил внутреннего давления образующегося льда, нарушающих внутреннюю связь компонентов бетона. Для количественной оценки влияния этих
процессов исследовались деформации и увеличение прочности и модуля упругости бетона, замороженного при достижении им прочности (0,2...1,0)Я28 до температуры минус 5...25 оС. По результатам исследований построены следующие регрессионные модели увеличения прочности ЛК и модуля упругости ЛЕ при замораживании до температуры Т:
ЛЯ = 145,36-15,37• Я -58,11-Т +19,92• Я^Т-73,09• Я + 83,06• Т2,
ЛЕ = 112,83-9,75• Я0 -30,00• Т +14,43-Я0Т-24,05• Я + 37,21-Т2.
По опытным и расчетным данным были построены кривые прироста прочности и модуля упругости бетона для вышеуказанных условий, которые удовлетворительно (с точностью до 15 %) аппроксимируются выражениями:
Оценка надежности и достоверности экспериментальных данных показала, что значения коэффициента вариации при измерении деформаций находились в допустимых пределах 4,8...9,4 %, при этом показатель точности составил 1,7...3,3 %, что говорит о достаточной надежности экспериментальных данных. Полученные данные о приросте прочности образцов также обладают малой изменчивостью V < 4,9 % и надежны р < 2,3 %. Построенные математические модели, оцененные по критерию Фишера и отклонению расчетных величин от опытных, адекватно описывают экспериментальные зависимости.
Полученные результаты могут быть использованы при назначении параметров раннего нагружения тяжелого бетона и расчете монолитных и сборно-монолитных зданий в стадии возведения.
ЛЯ(Т) = (881/ Я0 - 0,078Яо)е ЛЕ(Т) = (133/ Яд - 0,017Яо)е
0,10Т
0,15Т
Литература
1. Саталкин А.В., Сенченко Б.А. Ранее нагружение бетона и железобетона в мостостроении. М.: Автотрансиздат, 1956. 214 с.
2. Мурашкин Г.В. К вопросу о роли длительного приложения давления в физико-химических процессах твердения бетона // Железобетонные конструкции. Куйбышев: КГУ, 1984. С. 5-19.
3. Алабугин А.Н. Технологические особенности возведения монолитных фундаментов в зимних условиях с обеспечением их ускоренного ступенчатого нагружения: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Л., 1989. 22 с.
4. Бурчу В.И. Ползучесть бетона в раннем возрасте при ступенчато -возрастающих напряжениях сжатия и предложения по ее учету при расчете несущих конструкций монолитных и сборно-монолитных конструкций многоэтажных зданий: Дисс. ... канд. техн. наук. Кишинев, 1985. 261 с.
5. Бурчу В.И. Новая методика исследования свойств бетона, загруженного в раннем возрасте // Бетон и железобетон. 1997. №6. С. 11-14.
6. Бобров В.В. Методы оценки влияния различных факторов на процесс микроразрушений бетона под нагрузкой: Дисс. ... канд. техн. наук. М., 2015. 128 с.
7. Яшин A.B. Некоторые данные о деформациях и структурных изменениях бетона при осевом сжатии // Новое о прочности железобетона. М., Стройиздат, 1977. С. 17-30.
8. Головнев С.Г., Алабугин А.Н., Юнусов Н.В. Раннее нагружение уложенного в зимнее время бетона // Бетон и железобетон. 1985. №12. С. 1214.
9. Baiburin A.Kh. Technology of early age concrete loading // 2nd International Conference on Industrial Engineering (ICIE-2016). Procedia Engineering 150. 2016. Pp. 2157-2162. doi: 10.1016/j.proeng.2016.07.257.
10. Obayes O., Gad E., Pokharel T., Lee J. et al. Evaluation of Concrete Material Properties at Early Age // Civil Engineering. 2020. Vol. 1. Pp. 326-350. doi:10.3390/civileng1030021.
11. Маилян Л.Р., Маилян А.Л., Айвазян Э.С. Расчетная оценка прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования фибробетонов с агрегированным распределением волокон // Инженерный вестник Дона. 2013. №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1760.
References
1. Satalkin A.V., Senchenko B.A. Ranee nagruzhenie betona i zhelezobetona v mostostroenii [Early loading of concrete and reinforced concrete in bridge construction]. Moskva, 1956. 214 p.
2. Murashkin G.V. K voprosu o roli dlitel'nogo prilozhenija davlenija v fiziko-himicheskih processah tverdenija betona. Zhelezobetonnye konstrukcii [On the role of long-term pressure application in the physicochemical processes of concrete hardening. Reinforced concrete structures]. Kuibyshev. 1984. Pp. 5-19.
3. Alabugin A.N. Tehnologicheskie osobennosti vozvedenija monolitnyh fundamentov v zimnih uslovijah s obespecheniem ih uskorennogo stupenchatogo nagruzhenija: Avtoref. diss. ... kand. tehn. nauk [Technological features of the construction of monolithic foundations in winter conditions with the provision of their accelerated step loading]. Leningrad, 1989. 22 p.
4. Burchu V.I. Polzuchest' betona v rannem vozraste pri stupenchato-vozrastajushhih naprjazhenijah szhatija i predlozhenija po ee uchetu pri raschete ne-sushhih konstrukcij monolitnyh i sborno-monolitnyh konstrukcij mnogo-jetazhnyh zdanij: Diss. ... kand. tehn. nauk [Creep of concrete at an early age with stepwise increasing compression stresses and suggestions for its accounting in the calculation of load-bearing structures of monolithic and prefabricated monolithic structures of multi-storey buildings]. Kishinev, 1985. 261 p.
5. Burchu V.I. Beton i zhelezobeton. 1997. №6. Pp. 11-14.
6. Bobrov V.V. Metody ocenki vlijanija razlichnyh faktorov na process mikrorazrushenij betona pod nagruzkoj: Diss. ... kand. tehn. nauk [Methods for assessing the influence of various factors on the process of micro destruction of concrete under load]. Moskva, 2015. 128 p.
7. Jashin A.B. Nekotorye dannye o deformacijah i strukturnyh izmenenijah betona pri osevom szhatii. Novoe o prochnosti zhelezobetona [Some data on deformations and structural changes of concrete during axial compression]. Moskva, 1977. Pp. 17-30.
8. Golovnev S.G., Alabugin A.N., Junusov N.V. Beton i zhelezobeton. 1985. №12. Pp. 12-14.
9. Baiburin A.Kh. Technology of early age concrete loading. 2nd International Conference on Industrial Engineering (ICIE-2016). Procedia Engineering 150. 2016. Pp. 2157-2162. doi: 10.1016/j.proeng.2016.07.257.
10. Obayes O., Gad E., Pokharel T., Lee J. et al. Evaluation of Concrete Material Properties at Early Age. Civil Engineering. 2020. Vol. 1. Pp. 326-350. doi:10.3390/civileng1030021.
11. Mailjan L.R., Mailjan A.L., Ajvazjan Je.S. Inzhenernyj vestnik Dona. 2013. №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1760.
