CC BY
23УДК 666.972:612.2
Г.А. ТКАЧЕНКО, канд. техн. наук, В.П. ЕРОФЕЕВ, инженер (vitek_stv@mail.ru), А.П. ЕРОФЕЕВ, инженер, Ростовский государственный строительный университет (Ростов-на-Дону)
Повышение адгезии бетона и предварительно напряженной арматуры в струнобетонных шпалах
Сборные преднапряженные ЖБК в покрытиях автодорог, взлетно-посадочных полос, аэродромов, в верхнем полотне железных дорог зачастую не обладают достаточной долговечностью. Это связано не только с ростом интенсивности их эксплуатации при увеличении скоростей движения современного транспорта, но и со значительным влиянием на бетон периодических динамических и климатических воздействий. Можно привести целый ряд примеров недостаточной долговечности перечисленных конструкций, в том числе в южных регионах Российской Федерации [1].
Предварительно напряженные конструкции транспортного назначения отличаются тем, что их повышенная трещиностойкость создается путем передачи напряжений с заранее натянутой стержневой или проволочной арматуры на бетон. Надежное сцепление препятствует их взаимному смещению, и именно оно является основным фактором, обеспечивающим их совместную работу в конструкции и позволяющим ей служить как единому монолитному телу. Отсутствие надлежащего сцепления ведет к проскальзыванию арматуры в зонах анкеровки, что снижает трещиностойкость и приводит к появлению продольных трещин, их дальнейшему раскрытию при эксплуатации, особенно под воздействием динамических нагрузок.
Известно, что надежное сцепление арматуры с бетоном обеспечивается тремя основными факторами:
— сопротивлением бетона усилиям смятия и среза, обусловленным впадинами холоднодеформированной и горячекатаной арматуры и другими неровностями ее поверхности, то есть механическим зацеплением арматуры в бетоне;
— силами трения, возникающими на поверхности арматуры благодаря обжатию арматурных стержней бетоном при его усадке;
— склеиванием (адгезией) бетона с поверхностью арматуры благодаря коллоидной массе цементного геля.
Наибольшее влияние на сцепление арматуры с бетоном оказывает механическое зацепление, обеспечивающее 75% от его общей величины. При передаче усилия с натянутой арматуры на бетон наибольшие напряжения в нем возникают в области заделки и постепенно затухают по длине. Обеспечение надежности сцепления бетона с арматурой является важным элементом повышения долговечности предварительных железобетонных кон-
струкций, особенно армированных проволочной арматурой, например струнобетонных шпал железных дорог.
С целью повышения эксплуатационной надежности струнобетонных шпал предложено в их производстве использовать модифицированный бетон с введением в состав бетонной смеси определенной доли пористого компонента и эффективной химической добавки [2]. В результате оптимизации содержания этих компонентов в комплексной добавке был получен состав бетона с расходом керамзитового песка фракции 1,25—5 мм в количестве 5% от массы заполнителей и 0,5% от массы це мента пластифицирующей добавки отечественного производителя. Составы используемых бетонных смесей и свойства пропаренных бетонов в возрасте 28 сут приведены в табл. 1.
Дальнейшие исследования бетонов приведенных составов были направлены на изучение их совместной работы с проволочной арматурой диаметром 3 мм класса В1300. Оценку сцепления проводили на специально сконструированной установке, подвергая испытанию на вырыв арматуры из образцов-призм размером 7x7x7 см (если заделка арматуры привышает 7 см, то при вырыве происходит разрыв арматуры). Изготовленные две партии образцов были пропарены по заводскому режиму, а затем твердели в нормальных условиях до проектного возраста 28 сут. Результаты испытаний образцов приведены в табл. 2.
Анализ полученных результатов показывает значительный (более чем в 2 раза) рост прочности сцепления проволочной арматуры с модифицированным бетоном по сравнению с равнопрочным обычным бетоном. Такой положительный эффект использования модифицированного бетона связан как с повышением его прочности на растяжение при раскалывании, что подтверждают результаты специального опыта, приведенные ниже, так и с улучшением податливости заделки арматуры в бетоне, роль которой хорошо описана в работах Ю.А. Мамонтова и его учеников [3]. Приведенные ими теоретические и экспериментальные исследования позволили определить возможности улучшения податливости системы арматура—бетон несколькими путями, в том числе путем использования композиционного эффекта, основанного на внедрении в жесткую матрицу бетона равномерно распределенных компонентов с высоким демпфирующим эффектом (пористого песка,
Таблица 1
Вид бетона Расход материалов на 1 м3 В/Ц Жесткость смеси, с Плотность смеси, кг/м3 Свойства бетонов
Цемент, кг Песок, кг Щебень, кг Вода, л Керамзитовый песок, кг Добавка, л Средняя плотность, кг/м3 Средняя прочность, МПа
Контрольный 460 610 1260 170 - - 0,36 24-27 2475 2460 57
С комплексной добавкой 460 560 1160 140 86 7,3 0,33 24-27 2375 2365 56,9
54
научно-технический и производственный журнал
июнь 2012
Таблица 2
Площадь поверхности заделанного стержня, см2 Усилие вырыва, Н Прочность сцепления и ее вариация Относительный прирост прочности сцепления,%
Отдельного образца, МПа | Средняя в серии, МПа Вариация, Ус, %
Контрольный состав
6,6 3870 5,96 7,94 24 -
6,7 6830 10,95
6,6 6570 9,95
6,7 4680 7,1
6,6 4170 6,32
Состав с комплексной добавкой
6,5 10270 15,8 17,62 10,8 +122
6,6 11000 16,7
6,6 13370 20,2
6,6 10760 16,3
6,7 12780 19,1
Таблица 3
Вид бетона Прочность при сжатии, МПа Прочность на растяжение при раскалывании Предельная деформация при раскалывании, еррх10-5
МПа Вариация, V, %
Контрольный 56,9 6,5 9,6 1,28
С комплексной добавкой 56,4 9,2 8,3 2,06
Таблица 4
Вид бетона Кубиковая прочность Яб, МПа Призменная прочность Япр, МПа Модуль упругости Еб, МПа Предельная сжимаемость ех10-3 Изменение свойств, %
Еб е
Контрольный (без добавки) 57 50,9 45818 1,41 - -
С комплексной модифицированной добавкой 56,9 55 34588 1,73 -24,5 +22,7
равномерно распределенных пузырьков вовлеченного воздуха и др.).
В проведенных опытах этот метод улучшения податливости заделки арматуры в бетоне, приводящий к снижению внутренних растягивающих напряжений в зоне анкеровки арматуры, подтвердился экспериментально, и его эффективность оказалась значительной.
Существенный рост прочности на растяжение при раскалывании модифицированного бетона получен при постановке специального опыта. Испытания проводились с помощью изготовленного приспособления, позволяющего фиксировать поперечные деформации образцов диаметром 10 см и длиной 20 см по ГОСТ 10180— 90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Результаты этих испытаний в обобщенном виде приведены в табл. 3.
Кроме роста предела прочности на растяжение при раскалывании модифицированного бетона следует отметить и увеличение его предельной растяжимости.
Возможности улучшения податливости арматуры в зоне ее анкеровки в конструкции косвенно подтверждают и результаты оценки упругопластических свойств модифицированного бетона, выполненные при испытаниях образцов-призм по ГОСТ 10180-90 и 24452-80 «Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона», которые в обработанном виде предоставлены в табл. 4.
При равной кубиковой прочности можно отметить рост призменной прочности и предельной сжимаемости модифицированного бетона, а также снижение его модуля упругости по сравнению с бетоном без добавки.
Полученные результаты испытаний модифицированного пропаренного бетона хорошо коррелируют
с результатами исследований В.Н. Мохова, выполненными под руководством В.В. Бабкова [4]. Ими исследована широкая наменклатура тяжелых бетонов с разнообразными пористыми добавками. Результаты таких исследований подтверждают важную роль демпфирующих добавок в бетонах, положительно влияющих на повышение выносливости модифицированных бетонов. Демпфирующая роль пористых частиц отмечается и в исследованиях других авторов. Существенный рост пластичности таких бетонов не вызывает сомнений, и этот факт может положительно сказаться на повышении эксплуатационной надежности струнобетонных шпал.
Ключевые слова: трещиностойкость, демпфирующие добавки, дорожные изделия.
Список литературы
1. Салл М, Рыбинцева Е.С., Ткаченко Г.А., Мелкозернистые бетоны с органоминеральной добавкой для дорожного строительства // Строительные материалы. 2009. № 7. С. 2-4.
2. Ткаченко Г.А., Ерофеев В.П., Ерофеев А.П. Бетоны повышенной трещиностойкости для изготовления дорожных изделий // Строительные материалы. 2010. № 10. С. 57-59.
3. Мамонтов Ю.А., СузевН.А. Трещиностойкость предварительно напряженного железобетона. Алмата: Издательство Кйап, 2006. 110 с.
4. Бабков В.В., Мохов В.Н., Давлетшин М.Б., Парфенов А.В., Чуйкин А.Е. Модифицированные бетоны повышенной ударной выносливости // Строительные материалы. 2002. № 5. С. 48-52.
научно-технический и производственный журнал
июнь 2012
55
