CC BY
5АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО: СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 691.32 DOI 10.51608/26867818_2021_3_36
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО БЕТОНА ЗАВОДА ЖБИ НА КУБАХ, ПРИЗМАХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛКАХ
© 2021 Д.С. Тошин, Е.Э. Хутова, Ю.В. Астаева*
В статье представлены результаты комплексного многофакторного лабораторного исследования прочностных и деформативных параметров экспериментального бетона завода ЖБИ. В сравнение параметров экспериментального и классического бетонов включены кубиковая прочность, приз-менная прочность, модуль упругости, а также несущая способность, прогибы, средние деформации продольной растянутой арматуры и бетона сжатой зоны в изгибаемых железобетонных элементах. Установлено снижение модуля упругости экспериментальных бетонов завода ЖБИ и увеличение деформативности железобетонных балок.
Ключевые слова: бетон, экспериментальный состав бетона, классический состав бетона, прочность, жесткость, деформативность, модуль упругости, изгибаемый элемент.
Подбор составов бетона производится заводами ЖБИ, как правило, самостоятельно исходя из доступных исходных материалов, их видов и марок. Получаемые бетоны должны при этом обеспечивать соответствующие технические показатели, предусмотренные нормативными документами и проектной документацией [1-7]. Одновременно производители бетона заинтересованы в периодическом пересмотре норм расхода материалов и сокращении использования цемента, как наиболее дорогостоящего компонента бетонной смеси, без потерь прочности бетона и при обеспечении несущей способности, жесткости и трещиностойкости изделий и конструкций. В связи с этим проведение исследовательских задач по подбору оптимальных составов бетонов и выполнение сопутствующих лабораторных испытаний образцов для контроля прочностных и деформативных показателей материалов и изделий является актуальной для большинства заводов ЖБИ.
В рамках данного исследования была проведена сравнительная оценка прочностных и деформативных показателей экспериментального бетона (далее состав Э) одного из заводов ЖБИ Самарской области с показателями бетона классического состава (далее состав К). В составах Э и К в качестве крупного заполнителя применялся известняковый щебень М600 фракции 5-20 мм, в качестве вяжущего - портландцемент М500. Экспериментальный состав бетонной смеси отличался применением поли-карбоксилатного суперпластификатора с относительно высоким расходом (до 1,5%), а также использованием разнофракционного песка, что обеспечивает более плотную компоновку инертных заполнителей в структуре затвердевшего бетона и, как следствие, пониженную пористость, существенную водонепроницаемость и морозостойкость. Оптимизация зернового состава и одновременное повышение расхода по-ликарбоксилатного суперпластификатора позволило заводу ЖБИ получить бетоны,
* Тошин Дмитрий Сергеевич (D.Toshin@tltsu.ru) - кандидат технических наук, доцент, доцент Центра архитектурных, конструктивных решений и организации строительства, Хутова Екатерина Эдуардовна (sivoronova93@mail.ru) - магистрант, Астаева Юлия Викторовна (astaeva.j@gmail.com) - магистрант, все - ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет» (Тольятти, РФ).
il
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2021. № 3 (12)
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
менее требовательные к количеству цемента и с пониженным расходом воды на 1 м3 бетонной смеси. Бетон классического состава изготавливался на мелком волжском песке с модулем крупности около 1,2. Расход суперпластификатора при этом назначался не более 0,5%. При планировании экспериментальных исследований предполагалось получение образцов близкой прочности, а бетонная смесь двух составов подбиралась из соображений равной подвижности, при осадке конуса 16-18 см.
Заводу ЖБИ при оптимизации составов бетонной смеси удалось получить бетоны с пониженным расходом цемента, а испытания образцов-кубов подтвердили заданные показатели прочности бетона на сжатие. Однако, как показывает практика, достижение заданной прочности бетона на сжатие не является гарантией обеспечения требуемой жесткости и трещиностойкости железобетонных изделий и конструкций. Поэтому при планировании комплексного эксперимента в программу были включены следующие виды образцов:
❖ образцы-кубы с размерами 150x150x150 мм - для определения куби-ковой прочности, предусмотрено по 2 образца каждого состава бетона;
❖ образцы-призмы с размерами 600x150x150 мм - для определения модуля упругости и призменной прочности, предусмотрено по 2 образца каждого состава бетона;
❖ железобетонные балки номинальных размеров сечения ЬхЛ=120х140 мм и полной длиной /=1560 мм, армированных в зоне растяжения двумя продольными стержнями диаметром 8 мм, (процент армирования ц=0,73%), предусмотрено по 1 образцу с составом Э и К - Б8э и Б8к соответственно (рис. 1);
❖ железобетонные балки номинальных размеров сечения bxh=120x140 мм и полной длиной /=1560 мм, армированных в зоне растяжения двумя продольными стержнями диаметром 10 мм (процент армирования ц=1,14%), предусмотрено по 1
образцу с составом Э и К - Б10э и Б10к соответственно.
Рис. 1. Армирование опытных железобетонных образцов
Геометрические размеры изготовленных образцов-кубов и образцов-призм соответствовали заданным величинам. Фактические размеры железобетонных образцов имели отклонения от запланированных параметров - до 5% по ширине и высоте сечения на исследуемом участке, до 7% по рабочей высоте сечения. Железобетонные образцы Б8э, Б8к, Б10э, Б10к были запроектированы в предположении пластического характера разрушения (^<Ы, что в последующем было подтверждено при испытании.
Образцы-кубы и образцы-призмы испы-тывались нагружением на гидравлическом прессе при ступенчатом приложении нагрузки до полного разрушения бетона с фиксированием максимального усилия. Нагружение железобетонных образцов-балок предусматривалось по однопролетной схеме двумя сосредоточенными силами с созданием зоны чистого изгиба в средней трети пролета на длине балки 500 мм, что позволило исключить влияние поперечной силы в исследуемой зоне. Расчетный пролет опытных железобетонных балок от шар-нирно неподвижной опоры до шарнирно подвижной опоры составлял 1500 мм. Шаг нагружения назначался до 5% от разрушающего усилия при приложении нагрузки до трещинообразования и не более 10% при последующем нагружении.
Архитектура и строительство: строительные материалы и изделия
ф
Определение деформаций предусматривало установку прогибомеров 6-ПАО, тензометров Гугенбергера и мессур на основе индикаторов часового типа. Прогибо-мерами 6-ПАО измерялись вертикальные перемещения балок в середине пролета и на опорах с последующим вычислением прогибов, исключающих осадку опор. Тензометры Гугенбергера устанавливали на базе 100 мм по верхней (сжатой) грани. Мессуры на базе индикаторов часового типа фиксировались на балках через резьбовые втулки, жестко закрепленные к стальной арматуре на сварке. Индикаторы часового типа и удлинители мессур устанавливались на боковых гранях на уровне центра тяжести продольных стержней. Измерение деформаций бетона в сжатой зоне еь и средних деформаций арматуры е5 по двум приборам позволило повысить достоверность результатов. При последующей обработке результатов учитывались усредненные значения еь и е5.
Нагружение изгибаемых железобетонных образцов осуществлялось с помощью гидравлического домкрата, контроль нагрузки осуществлялся динамометром ДОС-5. Приложение на балку двух сосредоточенных сил равной величины при одном домкрате обеспечивалось применением распределительной траверсы.
За разрушающее усилие испытуемых балок принималось такое значение изгибающего момента, при котором усредненное значение относительных деформаций продольной растянутой арматуры составляло е5=0,002, что соответствует физическому пределу текучести арматуры класса А400. При последующем приложении нагрузки отмечался интенсивный рост деформаций бетона в сжатой зоне и арматуры в растянутой зоне, а также прогибов балок и ширины раскрытия трещин.
В результате лабораторного испытания бетонных кубов и призм получены следующие сравнительные характеристики:
❖ кубиковая прочность бетона серии Э составила 63,9 МПа, что превысило прочность бетона серии К 54,4 МПа;
❖ призменная прочность бетона составов Э и К - 50,8 МПа и 48,7 МПа соответственно;
❖ вычисленный по результатам испытания бетонных призм модуль упругости составил 33700 МПа и 35550 МПа для бетонов состава Э и состава К соответственно.
Таким образом, при большей прочности бетона состава Э материал получен с меньшим модулем упругости. Снижение характеризуется незначительной величиной в 5%, что в целом не является существенным для такого материала как бетон.
б
S 4
=
! -
is
i___X.
: —
f
% 1 1-1-1 llpoi no fi Л CM
а)
К
Ji >
3
у
Г
I Прогиб f. MM
б)
Рис. 2. Экспериментальная зависимость «изгибающий момент М - прогиб Ь> для балок Б8э, Б8к (а)
и Б10э, Б10к (б):
• - опытные данные для балок из бетона экспериментального состава Э; х - опытные данные для балок из бетона классического состава К
ф
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2021. № 3 (12)
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
Экспериментальные данные о деформациях опытных балок
Шифр образца-балки Изгибающий момент М Прогиб / Деформации бетона в сжатой зоне 8ь-105 Средние деформации арматуры в растянутой зоне 85-105
кН-м % мм % без размерности % без размерности %
При M=Muit (Ss=0,002)
Б8к 4,82 100 6,16 100 86,6 100 200,0 100
Б8э 4,22 88 6,33 103 85,9 99 200,0 100
Б10к 6,07 100 6,13 100 107,0 100 200,0 100
Б10э 5,88 97 6,26 102 103,8 97 200,0 100
При М=0,6-Мип,„
Б8к 2,89 0,6 2,19 100 79,3 100 41,1 100
Б8э 2,89 0,68 2,67 122 83,8 106 53,5 130
Б10к 3,64 0,6 2,79 100 98,0 100 54,1 100
Б10э 3,64 0,62 3,09 111 106,7 109 58,0 107
При М=0,8-Мип,„
Б8к 3,86 0,8 4,07 100 -62,7 100 122,7 100
Б8э 3,86 0,91 5,15 127 -77,4 123 172,6 141
Б10к 4,86 0,8 4,33 100 -75,3 100 141,7 100
Б10э 4,86 0,83 4,91 113 -81,3 108 157,9 111
При испытании балок, вне зависимости от варианта армирования, получены данные, свидетельствующие о снижении прочности и повышении деформативности изгибаемых железобетонных элементов при использовании бетона экспериментального состава в сравнении с образцами из классического состава (рис. 2). Предельное значение изгибающего момента в балках Б8э и Б10э оказалось меньше, чем в балках Б8к и Б10к на 12% и 3% соответственно. При этом прогибы балок Б8э и Б8к, Б10э и Б10к, а также деформации бетона сжатой зоны в «балках-близнецах» при 85=0,002 отличаются несущественно (до 3%).
Сравнительный анализ деформативности железобетонных балок рационально производить при равном изгибающем моменте меньше разрушающего. В данном исследовании сопоставление произведено при уровнях нагружения 0,6-Мип,к и 0,8-Мип,к (см. таблицу), здесь Миц,к - экспериментальное значение изгибающего момента в балках из классического бетона (Б10к и Б8к) при 85=0,002.
Так при уровне нагружения 0,6-Мии,к в балке Б8э прогиб составил 122% по сравнению с балкой Б8к, деформации бетона и арматуры - 106% и 130% соответственно; в балке Б10э прогиб превысил на 11 % значение в балке Б10к, деформации бетона и арматуры оказались больше на 9 и 7%. При уровне нагружения 0,8-Мип,к в балке Б8э прогиб достиг 127% по сравнению с прогибом балки Б8к, деформации бетона 123%, деформации арматуры 141%; прогиб балки Б10э превысил на 13 % значение в балке Б10к, деформации бетона и арматуры установлены больше на 8 и 11% соответственно. Как видно, использование экспериментального состава бетона более существенно сказалось на снижении жесткости изгибаемого железобетонного элемента при меньшем проценте армирования на более высоком уровне нагружения.
Таким образом, результаты многофакторного исследования прочностных и де-формативных параметров на кубах, призмах и железобетонных элементах доказали оправданность проведения комплексного
Архитектура и строительство: строительные материалы и изделия
ф
подхода при внедрении экспериментальных составов завода ЖБИ в производство.
Библиографический список
1. Калашников В.И., Тараканов О.В. О применении комплексных добавок в бетонах нового поколения // Строительные материалы. 2017. № 1-2. С. 62-67.
2. Калашников В.И., Ерофеев В.Т., Тараканов О.В. Суспензионно-наполненные бетонные смеси для порошково-активированных бетонов нового поколения // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2016. № 4 (688). С. 30-37.
3. Белякова, Е.А. Зависимость свойств затвердевших композиционных вяжущих от соотношения цемента и золы / Е.А. Белякова [и др.] // Региональная архитектура и строительство. 2019. № 2 (39). С. 20-26.
4. Селяев В.П., Низина Т.А., Балбалин А.В. Многофункциональные модификаторы цементных композитов на основе минеральных доба-
вок и поликарбоксилатных пластификаторов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013. Ч. 2. Вып. 31(50). С. 156-163.
5. Пименов С.И., Ибрагимов Р.А. Влияние минералогического состава цемента при его активации на физико-технические свойства тяжелого бетона // Строительные материалы. 2017. № 8. С. 64-67.
6. Ерышев, В.А. Комплексная оценка прочностных свойств бетона монолитного безбалочного каркаса / В.А. Ерышев [и др.] // Эксперт: теория и практика. 2020. №5(8). С.24-29. DOI 10.24411/2686-7818-2020-10043
7. Тошин Д.С., Хутова Е.Э., Астаева Ю.В. Прочность и жесткость железобетонных балок, изготовленных на экспериментальном бетоне завода ЖБИ // Градостроительство и архитектура. 2021. Т. 11. № 1 (42). С. 34-38.
Поступила в редакцию 16.04.2021 г.
COMPLEX EVALUATION OF EXPERIMENTAL CONCRETE OF CONCRETE GOODS PLANT ON CUBES, PRISMS AND REINFORCED CONCRETE BEAMS
© 2021 D.S. Toshin, E.E. Khutova, Yu.V. Astaeva*
The article presents the results of a complex multifactorial laboratory study of the strength and deformation parameters of the experimental concrete of the concrete goods plant. Comparison of the parameters of experimental and classical concretes includes cubic strength, prismatic strength, elastic modulus, as well as bearing capacity, deflections, average deformations of longitudinal tensile reinforcement, and concrete in the compressed zone in bent reinforced concrete beams. A decrease in the modulus of elasticity of experimental concretes of a concrete goods plant and an increase in the deformability of reinforced concrete beams were established.
Keywords: concrete, experimental concrete composition, classical concrete composition, strength, stiffness, deformability, elastic modulus, bending element.
Received for publication on April 16, 2021
* Toshin Dmitrii Sergeevich (D.Toshin@tltsu.ru) - PhD in Engineering Science, Associate Professor, Associate Professor of the Center for Architectural, Structural Solutions and Construction Management, Khutova Ekaterina Eduardovna (sivoronova93@mail.ru) - master student, Astaeva Yuliia Viktorovna (astaeva.j@gmail.com) - master student, all - Togliatti State University (Togliatti, RF).
