CC BY
17Сулейманова Л.А., д-р техн. наук, проф., Погорелова И.А., канд. техн. наук, доц., Кириленко С.В., аспирант
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
НАУЧНО-ОБОСНОВАННАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА И ЕГО ПРОЧНОСТИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СКОРОСТЯХ ПРИЛОЖЕНИЯ НАГРУЗКИ
^тПа8и1е1т anova@yandex.ru
Предложена научно-обоснованная методика, учитывающая увеличение прочности цементного бетона со временем, что влияет на величину предела его длительного сопротивления разрушению, а конкретно, приводит к снижению относительного предела длительной прочности. Это объясняется тем, что при загружении бетона постоянной нагрузкой в раннем возрасте процесс упрочнения материала превалирует над процессом разрушения, что сказывается на относительном пределе длительной прочности бетона.
Ключевые слова: методика, прочность, предел длительной прочности, бетон, работа, скорость приложения нагрузки, длительность испытания, сопротивление разрушению._
Для обеспечения долговечности железобетонных конструкций очень важно уметь достоверно определять, осуществлять систематический контроль и надежно использовать прочность бетона в конструкциях, эксплуатирующих при воздействии различных режимов нагрузки и условиях окружающей среды. Предлагается сравнительно простая методика определения прочности бетона, отражающая влияние режима и условий испытания его на прочность. В основу методики положен энергетический подход к оценке потенциальных возможностей бетона, когда его несущая способность определяется количеством работы, которая необходима для разрушения материала единичного объема (предел технических возможностей бетона) [1-7], определяемая по формуле:
A = J Rde ■
(1)
При наличии конкретной зависимости Я-£ Ар = ^пр£р (2)
где Лпр - призменная прочность при стандартном испытании; ер - относительная полная разрушающая деформация образца, которую он претерпевает при Лпр; П - коэффициент, характеризующий отношение площади под диаграммой «нагрузка-деформация» к площади прямоугольника со сторонами Лпр и еР. Для удобства в расчетах п принимается равным единице, что не сказывается заметно на конечных результатах при определении относительных величин прочности.
Как подтверждают многочисленные экспериментальные данные (табл. 1 [4, 5],
табл. 2 [9], табл. 3 [10], табл. 4 [11], табл. 5 [12], табл. 6 [13]), Ар является строго определенной и постоянной для данного конкретного вида, состава бетона и вида напряженного состояния при условии отсутствия упрочнения его во времени и не зависит от режима испытания образцов. Ар всегда можно определить при наличии зависимости Я-£, полученной при стандартном режиме испытания призм.
Если знать, как изменяется величина полной относительной деформации бетона в зависимости от длительности приложения
нагрузки,
прочность выражению
т.е. зависимость можно всегда
S р = f(t)
рассчитать
R = Al
' в'
его по
(3)
Правильность такого подхода к определению прочности бетона при различной длительности испытания образцов
продемонстрирована на рис. 1, из которого видно, что результаты расчета Я( по формуле хорошо подтверждаются опытами.
Таблица 1
Результаты испытания керамзитобетонных призм при различной продолжительности приложения нагрузки
Длительность испытаний, мин Rпр, МПа £рх105 л= R F Дж Максимальная разница, %
15 17,1 244 0,042
60 16 240 0,038 5
150 15,6 264 0,041
в
0
Таблица 2
Влияние скорости нагружения на свойства бетона и раствора
Материал Скорость Rпр, £РХ105, ерх106, Л = /? р Максимальное
нагружения, МПа/мин МПа при Я=0,9Япр найденное по экстраполяции Дж отклонение, %
Тяжелый
бетон на гравии 0,052 14,18 865 1060 0,015 1,4
(Ц= 350кг/м3, 2,17 15,0 830 990 0,0148
В/Ц=0,53)
Керамзитобетон 0,07 2,0 15,35 16,45 1325 1275 1650 1475 0,0253 0,0242 4,5
Цементный 0,1 23,0 1620 2050 0,047 11
раствор 2,0 26,6 1520 1950 0,052
Тяжелый бетон 0,1 23,1 840 1030 0,0238 7
2,0 25,4 820 1000 0,0254
Пемзобетон 0,047 6,57 1300 1600 0,0105 6,5
0,693 6,96 1340 1620 0,0112
Туфобетон 0,037 12,26 2577 3050 0,0375 3
0,67 12,53 2520 2900 0,0365
Таблица 3
Результаты испытания растворных балочек 4*4*30 см на изгиб
№ п/п Яизг, МПа при скорости нагружения, МПа/с Прогибы в мм при скорости нагружения, МПа/с Ар=Яиз/ Дж, при скорости нагружения, МПа/с
200 0,1 0,001 200 0,1 0,001 200 0,1 0,001
1 2 3 4 5 6 7 8 9 6,15 6,1 6,05 5,5 7,0 5,4 7,2 7,2 5,8 5,15 5,0 5,3 4.5 5,65 4,55 5.6 6,2 5,15 4,8 4,55 5,15 4,0 5,05 4,25 5,0 5,7 5,0 0,04 0,048 0,042 0,03 0,055 0,04 0,06 0,048 0,039 0,052 0,06 0,05 0,041 0,073 0,051 0,09 0,061 0,046 0,058 0,068 0,053 0,046 0,086 0,056 0,11 0,069 0,049 0,394 0,47 0,405 0,264 0,62 0,345 0,69 0,55 0,36 0,427 0,48 0,423 0,295 0,66 0,37 0,8 0,6 0,375 0,445 0,495 0,436 0,294 0,69 0,38 0,88 0,63 0,39
Сред-
нее значени е 6,3 5,23 4,83 0,0447 0,0582 0,066 0,45 0,49 0,51
Таблица 4
Результаты испытания газобетона на сжатие
Скорость нагружения, МПа/с Япр, МПа £рх103 Ар= ЯпрЁр, Дж
0,1 5,9 2,6 0,0154
0,05 5,5 2,2 0,0121
0,025 5,85 2,6 0,0152
0,001 4,95 3,0 0,0149
Таблица 5
Результаты испытания различных видов полимербетона на сжатие
Материал Ар в Дж при режиме нагружения Отклонение результатов, %
Кратковременное нагружение со скоростью 60 МПа в мин Длительное действие постоянной нагрузки, превышающей Ят
ФА 0,21 0,192 9
ФА-д 0,25 0,295 18
ФАМ 0,36 0,33 8
ФАМ-д 0,34 0,39 15
Таблица 6
Результаты испытания тедзамитобетона на сжатие
Скорость нагружения, Япр, МПа £рх103 Ар Япр£р? Дж Максимальное
МПа/с отклонение, %
0,13 18 278 0,05 8
925 22,5 240 0,054
1,5
1,0
0,5
■ I-1----——-1-,
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 '9 *
^ в сек)
Рис. 1. Расчетная зависимость относительной прочности керамзитобетона от продолжительности
испытания образцов (по предлагаемой методике): х - опытные данные авторов; • - данные [14]; А - данные [15]; о - данные [16]
Зависимость = f ) для каждого
конкретного бетона предлагается определять по следующей методике.
Бетонные призмы загружаются постоянной нагрузкой, равной примерно (0,8...0,85)^пр на обычных прессах и выдерживаются в течение 10...20 мин. При этом замеряются деформации призм как сразу после нагружения, так и в течение 10...20 мин. Строится зависимость ^ = f (/) в обычных и логарифмических
координатах (рис. 2, 3).
Рис. 2. Изменение относительной деформации керамзитобетона (1) и тяжелого бетона (2) со временем при постоянном Я = 0,8Япр
Рис. 3. График изменения относительных деформаций образцов в зависимости от длительности их испытаний (в логарифмических координатах). Опытные значения деформаций при Я = 0,8Япр: 1 - для керамзитобетона; 2 - для тяжелого бетона. Расчетные значения разрушающих деформаций: 1' - для керамзитобетона; 2' - для тяжелого бетона
Аналогичный принцип положен в основу методики определения предела длительной прочности бетона.
В данном случае удобно рассмотреть поведение под нагрузкой полимербетона (табл. 5). На рис. 4 представлена зависимость Я-е, полученная при кратковременном и длительном испытаниях полимербетона ФА.
По формуле (2):
Аразр = 488х430х10-5 = 0,21 Дж.
Зададимся несколькими значениями Я (например, как минимум, тремя - четырьмя) -10,0; 15,0; 20,0; 21,5 МПа. При принятых значениях Я рассчитываем величины А с учетом длительного действия нагрузки:
А1= 100 х 140 х 10-5 = 0,014 Дж,
А2 = 150 х 230 х 10 -5 = 0,0345 Дж,
Аз = 200 х 400 х 10-5 = 0,08 Дж,
А4 = 215 х 490 х 10-5 = 0,106 Дж.
Я, МПэ
50,0
40,0
30.0
20,0
10,0
У г-
/
О
0.2
0,4
Рис. 4. Зависимость кратковременных (1) и полных (2) относительных деформаций полимербетона от напряжений
На основе полученных данных строим зависимость Я-А (рис. 5), в соответствии с
которой расчетная величина
Яд
для
полимербетона равна 25,0 МПа или 0,51Я, а опытная - 0,5Я, т.е. опыт хорошо подтверждает расчет. Упрочнение полимербетона во времени отсутствует, а, следовательно, и работа, необходимая для разрушения материала, является постоянной величиной. В то же время процесс разрушения материала вследствие его ползучести прогрессирует со временем.
А это значит, что при загружении полимербетона (Я = 0,5Япр) он разрушится через весьма длительное время. Если же нагрузка на него будет превышать Ядл, то разрушение наступит в более короткие сроки.
Рис. 5. Зависимость Я-А для полимербетона ФА
Для убедительности длительная прочность о пр е делена для различных видов полимербетона (табл. 7).
Таблица 7
Результаты испытания полимербетонов
Вид полимербетона Япр, МПа Относительные деформации ползучести при Я = 0,5Япр, е-105 Полные относительные длительные деформации при Я = 0,5Япр, 8-105 Значения Ядл / Япр
Определены по методике автора Опытные
ФА-д 65,0 35 125 0,71 0,6
ФАМ-д 96,0 20 130 0,63 0,6
ФАМ 84,6 85 210 0,57 0,55
ФА 48,8 105 230 0,51 0,5
Из табл. 7 видно, что значения Ядл, определенные по вышеизложенной методике, имеют удовлетворительную сходимость с опытными данными.
В соответствии с предлагаемой методикой определяется такой уровень длительной нагрузки (условие А = Аразр), при котором образец разрушится через определенный
длительный промежуток времени.
Следовательно, относительный предел длительной прочности бетона должен приниматься несколько ниже этого уровня, например для ФАМ-д (96 МПа) - 0,6; ФАМ (84,6 МПа) - 0,55; ФА (48,8 МПа ) - 0,5 и т.д.
Полимербетон и цементный бетон отличаются только видом вяжущего, что естественно отражается на их свойствах. Но оба материала в принципе не отличаются по структуре, а поэтому физическая сущность процесса разрушения этих материалов едина, как и методика определения предела длительной прочности, что и подтверждают наши эксперименты.
Увеличение прочности цементного бетона со временем учитывается предлагаемой научно-обоснованной методикой и влияет на величину предела его длительного сопротивления разрушению, а конкретно, приводит к снижению относительного предела длительной прочности. Это объясняется тем, что при загружении бетона постоянной нагрузкой в раннем возрасте процесс упрочнения материала превалирует над процессом разрушения, что и сказывается вышеуказанным образом на относительном пределе длительной прочности бетона.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гладков Д.И., Сулейманова Л.А. Поведение бетона под нагрузкой и оценка его потенциальных возможностей // В сб.: Эффективные конструкции и материалы зданий и сооружений. Белгород, БелГТАСМ, 1999. С.13-21.
2. Гладков Д.И., Сулейманова Л.А. Закономерности сопротивления бетона различным разрушающим факторам // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2003. №5. Ч.1. С.254-262.
3. Гладков Д.И., Сулейманова Л.А. Прочность - интегральная характеристика бетона // В сб.: Бетон и железобетон в третьем тысячелетии. Р-н/Дону: РГСУ, 2004. Т.2. С.113-118.
4. Гладков Д.И. Физико-химические основы прочности бетона и роль технологии в ее обеспечении. Белгород: Изд-во БГТУ, 2004. 293 с.
5. Gladkov D.I., Suleimanova L.A., Nesterov A.P. Strengt has an integral 56haracteristic cofconcrete // Proceedings of the International Conference on Cement Combinations for Durable Concrete 2005 International Congress - Global Construction: Ultimate Concrete Opportunities. Сер. "Cement Combinations for Durable Concrete
- Proceedings of the International Conference" sponsors: Institution of Civil Engineers, American Concrete Institute, Japan Society of Civil Engineers, University of Dundee, UK; editors: Dhir R.K., Harrison T.A., Newlands M.D., University of Dundee, Concrete Technology Unit. Dundee, Scotland, 2005. С. 701-707.
6. Сулейманова Л.А., Сулейманов А.Г., Ерохина И.А. Общая закономерность получения материалов с высокими качественными показателями // Проблемы экологии: наука, промышленность, образование: сб. докл. III Междунар. Научн.-практ. конф. Белгород: Изд-во БГТУ 2006. № 15. С. 155-163.
7. Сулейманова Л.А. Энергия связи -основа конструктивных и эксплуатационных характеристик бетонов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. № 9. С.91-99.
8. Сулейманова Л.А. Поведение бетона под нагрузкой, механизм его разрушения и оценка этого процесса // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 1. С. 68-75.
9. Квирикадзе О.П. О зависимости между деформациями бетона и скоростью нагружения. -Тбилиси, из-во АН ГССР, 1962. 126 с.
10. Грушко И.М., Глущенко Н.Ф., Ильин А.Г. Структура и прочность дорожного цементного бетона. Харьков, Изд-во ХГУ, 1965. 136 с.
11. Шкербелис К.К., Калнайс А.А., Тетерс Г.А. Прочность и жесткость армированных элементов из газобетона // Бетон и железобетон. 1960. № 4. С. 185-189.
12. Залан Л.Н. Исследование конструкционных свойств мелкозернистого фурфуролацетонового полимербетона с учетом ползучести. - Воронеж, 1969 г. 14 с.
13. Пирадов А.Б. Конструктивные свойства легкого бетона и железобетона. М.: Стройиздат, 1973.133 с.
14. Евсеева С.Н. Исследование прочности и деформативности некоторых видов конструктивного легкого бетона и его компонентов в интервале скоростей нагружения от статических до динамических. Автореферат дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. (05.23.01) - Ереван, 1974. 28 с.
15. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: АСВ, 2002. 500 с.
16. Пирадов К.А. и др. Проблемные вопросы и перспективы физико-химической механики железобетона // Бетон и железобетон. №2. 2000. С. 15-16.
Suleymanova L.A., Pogorelova I.A., Kirilenko S.V.
EVIDENCE-BASED METHOD OF IDENTIFICATION OF LIMIT OF LONG-TERM STRENGTH OF CONCRETE AND ITS STRENGTH AT VARIOUS SPEEDS OF THE APPLIED LOAD
Increasing of strength of cement concrete in course of time is taken into account by proposed evidence-based method and affect the value of the limit of its long-term fracture resistance, and specifically reduces the relative limit long-term strength. This is explained by the fact that when occurs an uploading a concrete with a constant load at early age, material hardening process prevails over the the process of destruction, which affects the relative limit long-term strength of the concrete.
Key words: method, strength, limit of long-term strength, concrete, work, the speed of load application, duration of the test, the fracture resistance.
Сулейманова Людмила Александровна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой строительства и городского хозяйства.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46. E-mail: ludmilasuleimanova@yandex.ru
Погорелова Инна Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры строительства и городского хозяйства.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46. E-mail innapogorelova@yandex.ru
Кириленко Сергей Вячеславович, аспирант 2-го года обучения Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46. E-mail: ermalau@yandex.ru
