Научная статья на тему 'О ячеистом бетоне пониженной сейсмоуязвимости'

О ячеистом бетоне пониженной сейсмоуязвимости Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
75
23
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Моргун В. Н., Богатина А. Ю., Моргун Л. В., Смирнова П. В., Набокова Я. С.

Научно обосновано снижение сейсмической уязвимости пенобетонов при дисперсном армировании их синтетическими волокнами. Приведены результаты экспериментальных исследований бетонных образцов и перемычек, подтверждающие возможность и эффективность применения фибропенобетона в изгибаемых элементах строительных конструкций.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «О ячеистом бетоне пониженной сейсмоуязвимости»

УДК 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: [email protected]

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.