CC BY
23УДК 666.973.6
В.Н. МОРГУН, канд. техн. наук, Южный федеральный университет; А.Ю. БОГАТИНА, канд. техн. наук, Ростовский государственный университет путей сообщения; Л.В. МОРГУН, д-р техн. наук, П.В. СМИРНОВА, инженер, Я.С. НАБОКОВА, архитектор-реставратор, Ростовский государственный строительный университет
О ячеистом бетоне пониженной сейсмоуязвимости
Федеральная целевая программа «Сейсмобезопас-ность территории России» (2002—2010 гг.) в качестве основной цели предусматривает максимальное повышение сейсмической безопасности населения, снижение социального, экономического, экологического риска в сейсмически опасных районах Российской Федерации, уменьшение ущерба от разрушительных землетрясений путем усиления и реконструкции существующих сооружений [1]. Важнейшее направление реализации программных мероприятий — внедрение в практику строительства современных методов и технических средств по снижению сейсмической уязвимости зданий и сооружений [7].
Бетон — главный материал абсолютного большинства строительных конструкций, альтернативы ему в обозримом будущем не предвидится. Повышение сейс-моустойчивости зданий, состоящих преимущественно из железобетонных конструкций, возможно при снижении массы конструкций при сохранении их несущей способности и изменении характера разрушения бетона с хрупкого на вязкий.
Все более широкое применение в строительстве ячеистых (пено- и газо-) бетонов в качестве стеновых материалов позволяет решать многие проблемы ресурсо- и энергосбережения, одновременно способствуя повышению сейсмоустойчивости зданий. Однако эти материалы являются весьма хрупкими, т. е. способными обретать и накапливать дефекты в виде трещин при транспортировании, монтаже и эксплуатации [2].
Хрупкий материал весьма опасен при воздействии на него сейсмических или взрывных нагрузок [3]. Материалы с вязким характером разрушения, т. е. стойкие к воздействию динамических нагрузок, характеризуются близкими друг другу значениями прочности при сжатии и растяжении. Поиски приемов, обеспечивающих гарантированное повышение прочности ячеистых бетонов при растяжении, показали, что дисперсное армирование их синтетическими волокнами обеспечивает изменение структуры цементного камня и создает предпосылки для изменения характера их разрушения [4, 5] от хрупкого к вязкому. Последнее формирует весьма важные дополнительные условия для повышения сейсмобезопасности зданий.
Рассмотрим разницу между теоретической и реальной прочностью материалов. Расчеты, основанные на модели атомных связей, показывают, что прочность при растяжении качественных каменных материалов должна достигать не менее 5% от их модуля упругости (Е) [3]. Однако реальные бетоны разрушаются при напряжениях, не превышающих 1% от Е. Причиной такого поведения бетонов под действием нагрузок являются дефекты, формирующиеся в них в период перехода смеси в камень. Дефекты эти представлены порами и микротрещинами.
Под действием нагрузок [6] в материале на границе дефекта длиной а и с радиусом острия г происходит кон-
центрация напряжений ак, характеризуемая коэффициентом k:
к=2. a.
о V г
Уровень концентрации напряжений k в трещине зависит от ее длины и радиуса кривизны острия. Чем меньше радиус кривизны г, тем существеннее падает прочность материала под воздействием нагрузки.
Параметры трещин (рис. 1) характеризуются фронтом распространения напряжений L (размером направления, перпендикулярного направлению движения трещины), шириной раскрытия Ь и фактурой и морфологией материала.
Не развиваются под действием нагрузок такие дефекты, у которых отношение длины а к характерному размеру неоднородности материала mi меньше единицы [3]. В пенобетоне за характерный размер неоднородности принимают диаметр частиц заполнителя или толщину межпоровой перегородки. Введение в структуру пенобетона отрезков дисперсной арматуры, длина которых в 10—100 раз больше толщины межпоровых перегородок, как минимум на порядок увеличивает размер mi.
Поэтому в фибропенобетоне трещина, развивающаяся под действием внешней нагрузки, достигнув поверхности дисперсной арматуры, получает скачкообразное увеличение радиуса кривизны в острие г. Увеличение радиуса кривизны вызывает соответствующее понижение концентрации напряжений в острие трещины, что приводит к рассеиванию энергии от внешней нагрузки в том объеме материала, который связан с фиброй адгезионными силами.
Если учесть, что деформативность синтетической фибры в 1000 и более раз превышает деформативность цементного камня, а ее прочность при растяжении выше не менее чем на порядок, то можно полагать, что при разрыве бетона такая фибра способна в течение некоторого времени воспринимать нагрузку самостоятельно.
а/2
Рис. 1. Схема дефекта (трещины) в материале: а - длина дефекта; Ь - ширина дефекта; L - фронт трещины; г - радиус устья трещины
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Я! : ® март 2010 73
Это чрезвычайно важно для повышения стойкости хрупких материалов к сейсмическим и взрывным воздействиям.
Сравнение отношения пено- и фибропенобетонов к действию механической нагрузки оценивали на равно-плотных (средней плотностью 700 кг/м3) образцах размерами 40x40x160мм, контрольных неармированных и дисперсно-армированных отрезками синтетических волокон. Схема нагружения образцов показана на рис. 2. Образцы нагружались плавно возрастающей нагрузкой: пенобетонные — до разрушения, фибропенобетонные — до появления первой трещины в растянутой зоне. Запись зависимости нагрузка — деформации растянутой зоны в середине пролета осуществляли автоматически. Установлено, что деформативные свойства исходного и дисперсно-армированного пенобетонов различаются по своим параметрам. Диаграмма напряжения — деформации, отражающая поведение испытываемых пенобетонов (рис. 3), показывает, что контрольные образцы под действием нагрузок разрушаются хрупко и при напряжениях существенно меньших, чем нагрузки, воспринимаемые равноплотным фибропенобетоном. В растянутой зоне фибропенобетонных образцов под действием изгибающей нагрузки появились трещины, которые зафиксировали момент завершения его работы в упругой стадии. Однако образцы не разделились на части. Видно (рис. 3), что с появлением в растянутой зоне разрывов бетонной матрицы и развитием пластических деформаций в фибропенобетоне, материал не понизил своей несущей способности.
Анализ кривых деформирования образцов фибропе-нобетона средней плотностью 750 кг/м3 показал, что его модуль упругости (Е) достиг 2006 МПа, а равноплотно-го ему пенобетона — 1742 МПа, т. е. при дисперсном армировании Е повышается не менее чем на 13—15%. Судя по коэффициенту вариации, дисперсное армирование волокнами не только способствует повышению механических свойств пенобетона, но и улучшает однородность его свойств. Коэффициент вариации модуля упругости пенобетона составил 12,1%, а фибропенобе-тона — 5,9%. Величина нагрузки, соответствующая появлению первой трещины, составила в среднем 285Н и превысила величину разрушающей нагрузки неармиро-ванного пенобетона примерно в 1,5 раза.
Оценка влияния дисперсного армирования пенобетона на энергоемкость его разрушения проведена на об-
разцах размером 70х70х280 мм. Испытания образцов показали, что при изгибе фибропенобетона утрачивается хрупкий характер разрушения, присущий пенобетону, и наблюдаются три стадии напряженно-деформированного состояния материала (рис. 4).
Первая стадия отражает упругую работу исследуемого материала. В ней фибра и бетонная матрица работают совместно до появления трещины в растянутой зоне. Эта стадия характеризовалась прогибами величиной 0,27—0,31 мм, т. е. их величина составила менее 1/900 доли пролета при коэффициенте вариации 18,6%.
Ко второй стадии нами отнесена работа накопления трещин в растянутой зоне под действием возрастающей нагрузки. В этот период нагружения растягивающие усилия воспринимаются дисперсной арматурой в зоне трещинообразования бетонной матрицы и участками фибропенобетона растянутой зоны. Установлено, что объединение первичных трещин в магистральную и ее раскрытие (завершение 2-го этапа деформирования) начинается при нагрузке 1800 Н, не менее чем в 1,5 раза превышающей нагрузку первой трещины или более чем в 2 раза превышающей разрушающую для равноплотно-го пенобетона (рис. 4). Раскрытие магистральной трещины происходит в зоне действия максимального момента за счет разрыва и/или выдергивания волокон дисперсной арматуры. Величина прогибов во второй стадии работы разрушения достигала 1,4—1,7 мм, или 1/160 пролета при коэффициентах вариации до 30%.
Третьей стадии соответствовало интенсивное раскрытие магистральной трещины, обусловленное тем, что напряжения в дисперсной арматуре достигли предела ее текучести. Эта стадия завершилась потерей несущей способности образцов из фибропенобетона. Их разрушение было выражено прогибами величиной до 7 мм или в 1/32 пролета и раздроблением сжатой зоны образцов, которая, однако, не привела к разделению образцов на отдельные куски. Разрушение сжатой зоны происходило в виде смятия и выкрашивания из объема разрушающегося материала мелких зернистых частиц твердой фазы.
Образцы из пенобетона разрушались под действием нагрузок, соответствующих появлению в растянутой зоне первой трещины. При этом величина их прогибов не превышала 0,37 мм, или 1/700 пролета при коэффициенте вариации около 30%. У пенобетонных образцов разрушение носило хрупкий, практически мгновенный характер с разделением на части не только по плоскос-
А 40 40 40 А
120
<— 160
Рис. 2. Схема испытаний на изгиб: 1 - испытываемый образец; 2 - распределительная балка; 3 - тензорезисторный динамометр (металлическая балка с наклеенными тензорезисторами); 4 - тензорезистор с базой 20 мм, наклеенный на бетон; 5 - тензорезисторы на металлической балке
0,2 0,4
Деформации при растяжении, мм/м фибропенобетон пенобетон
Рис. 3. Зависимость деформации при растяжении от нагрузки
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
74 март 2010
3000
2500
2000
1500
1000
500
2 4 6 8
Прогибы, мм ♦ фибропенобетон —А— пенобетон
Рис. 4. Кривые деформирования равноплотных пено- и фибропенобе-тона при растяжении при изгибе
тям развития трещины, но и отделением крупных фрагментов бетона друг от друга в сжатой зоне.
Результаты данных экспериментальных исследований легли в основу предположения о том, что фибропе-нобетоны могут применяться в изгибаемых элементах строительных конструкций зданий, таких как плиты перекрытия, перемычки, козырьки над входами и т. п. Такие механические свойства фибропенобетонов способствуют снижению массы ограждающих конструкций и сейсмической уязвимости зданий. Кроме того, эти свойства чрезвычайно привлекательны для обеспечения безопасности людей при эксплуатации строительных объектов, так как изделия из фибропенобето-
Рис. 5. Испытания фибропеножелезобетонных перемычек заводского изготовления
нов в третьей стадии нагружения предупреждают о приближении момента разрушения интенсивным развитием прогибов и выкрашиваем мелкозернистых фрагментов бетона.
Для изучения работы фибропенобетонных изделий под действием изгибающей нагрузки нами были изготовлены и испытаны перемычки прямоугольного сечения размером300х200 мм и длиной 2600 мм из бетона слитной структуры класса В15 и фибропенобетона марки по плотности Б700, армированные одинаковыми каркасами из ненапрягаемой арматуры [7]. Перемычки изготавливали в металлической опалубке. Перед бетонированием на арматуру растянутой и сжатой зон наклеивали электротензодатчики базой 20 мм с последующей влагоизоляцией и выводом концов на поверхность перемычек. Перемычки армировали в продольном направлении растянутой зоны — арматурными стержнями периодического профиля 012А400 (АШ); сжатой зоны — стержнями из гладкой арматурной стали 08А240 (А1). Поперечные арматурные стержни из горячекатаной гладкой стали 06А240 (А1) устанавливали с шагом 150 мм в крайних третях пролета и 250 (300) мм в середине пролета.
Испытания перемычек осуществляли в возрасте 28 суток в соответствии с требованиями ГОСТа [6] по схеме однопролетных свободно лежащих балок, симметрично загруженных двумя сосредоточенными силами, приложенными в третях пролета. Нагружение осуществляли ступенями по 0,05—0,1 от ожидаемой разрушающей нагрузки с выдержкой между ступенями в течение 10 мин. На каждом этапе нагружения измеряли и фиксировали:
— деформации в бетоне и арматуре;
— прогибы в середине пролета;
— осадку опор;
— ширину раскрытия трещин.
Показания тензодатчиков фиксировали автоматически измерителем деформации ИДЦ - 1. Все показания дублировались. Момент образования трещин определяли визуально и уточняли по кривым деформирования бетона.
Экспериментально установлено, что в изделиях из фибропенобетона средней плотности Б700, армированных металлическими каркасами из ненапрягаемой арматуры, момент образования первой трещины наступает при нагрузках, не менее чем в 1,5 раза превышающих нагрузку, необходимую для образования трещины в растянутой зоне изделий из бетона слитной структуры класса В15. При одинаковых нагрузках на изделия из бетона слитной структуры и фибропенобетона ширина раскрытия трещин на изделиях из фибропенобетона в 1,5—1,8 раза меньше, чем на изделиях из бетона слитной структуры. Это обеспечило снижение прогибов на 6—8%. Прочность нормальных сечений изгибаемых элементов из фибропенобетона Б700, армированных ненапрягаемой арматурой, повышается на 10—15% по сравнению с прочностью нормальных сечений в перемычках из бетона слитной структуры.
В испытательной лаборатории кафедры железобетонных конструкций Ростовского государственного строительного университета при участии авторов были проведены испытания серии перемычек заводского изготовления размером 2700x120x250 мм со средней плотностью фибробетона 700 кг/м3. Испытаниям подвергались изделия из партий перемычек (по ТУ 5828-03502069119—2004 «Перемычки из фиброжелезобетона»), предназначенных для установки в жилом 16-этажном доме, возводимом ОАО «Дон Спарк» в Ростове-на-Дону.
Испытания перемычек в возрасте 28—32 суток внешней нагрузкой проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 8829—94 по схеме однопролетных свободно
0
научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Я! : ® март 2010 75
лежащих балок, симметрично загружавшихся двумя сосредоточенными силами, приложенными в четвертях пролета. Общий вид установки показан на рис. 5.
Установлено, что разрушение перемычек заводского изготовления, так же как и опытных, носило вязкий характер и произошло на приопорных участках по наклонным (или нормальным) сечениям растянутой зоны. Экспериментально установлено, что в изделиях завод-с-кого изготовления момент образования первой трещины наступает при нагрузках 530—590 кгс, т. е. в 1,2—1,4 раза прев-шающих нагрузку, необходимую для образования трещин в растянутой зоне изделий из бетона слитной структуры класса В15. Таким образом, проведенные испытания подтвердили достоверность выводов о положительном влиянии дисперсного армирования на прочностные и де-формативные свойства пенобетона естественного твердения, применяемого в изгибаемых конструктивных элементах, армированных металлическими каркасами [7].
На основании изложенного сделан вывод, что применение неавтоклавного фибропенобетона марок Б700 и выше в производстве перемычек, армированных стержневой ненапрягаемой арматурой, для гражданского строительства по сравнению с использованием традиционных бетонов слитной структуры позволяет достигать следующих преимуществ:
— увеличивать прочность нормальных сечений до 10%;
— уменьшать прогибы до 30%;
— уменьшать ширину раскрытия трещин на 20% и не разрушаться на осколочные части под действием нагрузок;
— снижать материалоемкость перемычек в 2—2,5 раза по отношению к равнопрочным перемычкам, изготовляемым из тяжелых бетонов;
— обеспечивать безопасность работы конструктивных элементов в критических ситуациях за счет вязкого характера разрушения.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что расширение применения фибропенобетона неавтоклавного твердения для изготовления изгибаемых конструкций может способствовать повышению сейсмоустойчи-вости зданий и комплексному энерго- и ресурсосбережению в строительстве.
Ключевые слова: ячеистый бетон, сейсмоуязвимость, стеновые материалы
Список литературы
1. Федеральная целевая программа «Сейсмобезопас-ность территории России» (2002—2010 гг.)
2. Федин А.А. Научно-технические основы производства и применения силикатного ячеистого бетона. М.: ГАСИС, 2002. 264 с.
3. Пирадов К.А., Бисенов К.А., Абдуллаев К.У. Механика разрушения бетона и железобетона. Алматы, 2000. 306 с.
4. Моргун Л.В. Механизм формирования пониженной проницаемости в фибробетонах слитной и ячеистой структур// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород. 2003. № 4. С. 84-88.
5. Айрапетов Г.В. и др. Эффективные стеновые изделия для восстановления объектов, пострадавших от стихийных бедствий и локальных конфликтов // Промышленное и гражданское строительство. 2003. № 7. С. 54-56.
6. ГОСТ 8829-94. Конструкции и изделия бетонные и железобетонные сборные. Методы испытаний на-гружением и оценка прочности, жесткости и трещи-ностойкости. М.: МНТКС, 1994. 27 с.
7. Моргун Л.В., Коробкин А.П., Богатина А.Ю., Моргун В.Н. Железобетонная перемычка. Патент РФ на полезную модель №32514.
Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, Научно-исследовательское и проектно-производственное республиканское унитарное предприятие «Институт НИИСМ» Научно-исследовательское республиканское унитарное предприятие по строительству «Институт БелНИИС»,
Редакция журнала «Архитектура и строительство» Научно-производственное общество с ограниченной ответственностью «Стринко»
26-28 мая 2010 г. г. Минск
Международная научно-практическая конференция
ОПЫТ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ
Программой конференции предусмотрено:
28 мая 2010 г. Работа по секциям
Секция №1. Создание (модернизация) заводов по производству ячеистого бетона автоклавного твердения. Секция №2. Выработка стратегии реализации ячеис-тобетонной продукции применительно к условиям регионов. Секция №3. Новые архитектурно-строительные системы. Особенности проектирования объектов на основе каркаса с наружными ограждающими конструкциями из ячеистого бетона.
Принимаются заявки на проведение докладов и презентаций. Заявку на участие в конференции, на выступление и презентацию можно скачать с сайта www.ais.by
220005 Минск, ул. Платонова, 22, к. 705. Тел./факс (++375 17) 292 49 56, 292 79 43, 292 79 44, моб. (++375 29) 611 66 20 26 - 28 мая 2010 г. E-mail: bsr@telecom.by
26 мая 2010 г.
♦ пленарное заседание конференции
♦ презентация 3-й редакции книги «Производство ячеистобетонных изделий: теория и практика»
27 мая 2010 г.
Посещение действующего производства ячеистого бетона на ОАО «Минский комбинат силикатных изделий», осмотр объектов строительства Минска.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал fö
76 март 2010
