CC BY
23
сов Д.Ю., Тигай О.Ю., Однокопылова О.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ТГАСУ», № 2007110136; заявл. 19.03.2007; опубл. 10.09.2007.
4. Стенд для испытания железобетонных элементов на косое внецентренное кратковременное динамическое растяжение: пат. 48225. Рос. Федерация: МПК7 G01N 3/00, 3/08, 3/30 / Плевков В.С., Саркисов Д.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ТГАСУ», № 2005112503; заявл. 25.04.2005; опубл. 27.09.2005.
5. Стенд для испытания железобетонных элементов на косое внецентренное кратковременное динамическое сжатие: пат. 53776. Рос. Федерация: МПК G01N 3/00, 3/08, 3/30 / Плевков В.С., Саркисов Д.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ТГАСУ», № 2005137995; заявл. 06.12.2005; опубл. 27.05.2006.
6. Устройство для измерения опорных реакций: пат. 55469. Рос. Федерация: МПК G01L 1/04, G01N 3/30. / Плевков В.С., Саркисов Д.Ю., Однокопылов Г.И.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ТГАСУ», № 2006105449; заявл. 21.02.2006; опубл. 10.08.2006.
7. Тензодатчик: пат. 62234. Рос. Федерация: МПК G01B 7/16 / Плевков В.С., Однокопылов Г.И., Луков С.А., Саркисов Д.Ю., Тигай О.Ю., Однокопылова О.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ТГАСУ», № 2006141682; заявл. 24.11.2006; опубл. 27.03.2007.
D.Ju. SARKISOV
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF REINFORCED CONCRETE RECTANGULAR ELEMENTS AT SLANTING ECCENTRIC SHORT-TERM DYNAMIC COMPRESSION, STRETCHING AND BENDING
The data of researches of reinforced concrete rectangular section elements are given in the paper. The researches were carried out at slanting eccentric short-term dynamic compression, stretching and bending. The influence of a level of longitudinal force on the character of distribution of deformations on the height of section, dynamic deformation, carrying ability and the scheme of destruction of elements is revealed.
УДК 69.034.92:691.328.2
В.П. СЕЛЯЕВ, докт. техн. наук, профессор, Т.А. НИЗИНА, канд. техн. наук, доцент, В. В. ЦЫГАНОВ, канд. техн. наук, МГУ, Саранск
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ГРАДИЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В работе приведены результаты исследований по разработке эпоксидных функционально-градиентных покрытий. Установлено, что эффективность их применения повышается, если учитывать влияние покрытий на работу бетонных и железобетонных элементов конструкций.
В настоящее время в строительной практике при ремонте и защите железобетонных поверхностей все большее применение находят различные виды полимерных покрытий.
© В.П. Селяев, Т. А. Низина, В.В. Цыганов, 2008
Выбор вида полимерных покрытий для защиты железобетонных конструкций определяется рядом параметров, главными из которых являются:
- механическая устойчивость (стойкость к механическим воздействиям);
- химическая и биологическая стойкость;
- сохранение свойств в определенной области температур;
- совместимость материалов покрытий и подложки;
- технологичность нанесения.
Эти требования должны реализовываться при высоких прочностных и адгезионных показателях полимера хорошей удобоукладываемостью раствора. Комплексный учет приведенных параметров обусловливает выбор полимерной основы покрытия, включая грунтовку, вид, количество и зерновой состав наполнителей, а также ряд других компонентов (растворители, отвер-дители, пластификаторы, модификаторы, стабилизаторы, армирующие материалы и др.), входящих в состав полимерного покрытия.
Основные направления дальнейшего развития предполагают создание эффективных покрытий, свойства которых распределены по сечению в соответствии с функциональными требованиями, и разработку способов их получения. Основная идея исследований, осуществляемых в области функционально-градиентных покрытий, состоит в сочетании разнородных типов материалов, использующем преимущества каждого из них. Функционального распределения свойств достигают как с помощью наполнителей, так и посредством регулирования соотношения компонентов.
При формировании функционально-градиентного покрытия на бетонном основании возникает необходимость функционального распределения жесткости Е1 > Е2 > Е3 по высоте поперечного сечения элемента (рис. 1).
а
нии (б)
При заданном формировании нижний слой покрытия обладает повышенной жесткостью, т. к. при этом достигается максимальный эффект упрочнения поверхностных слоев бетонного элемента и увеличение его трещино-стойкости. Внешний слой полимерного покрытия должен обладать повышенной эластичностью с наличием антиоксиданта. Данное обстоятельство
связано с получением трещиностоиких покрытии, надежно защищенных от старения под действием УФ-облучения.
На основе теоретических предпосылок [1] были предложены к использованию [2, 3] функционально-градиентные покрытия (эпоксидное связующее ЭД-20, пластификатор ДБФ, отвердитель ПЭПА, наполнитель маршалит, модифицирующая добавка АДП). Методом ИК-спектроскопии установлено [4], что добавку АДП, представляющую собой отходы деревообрабатывающей промышленности, можно отнести к классу антиоксидантов, являющихся перехватчиками свободных радикалов и тем самым защищающих материал от деструкции под действием УФ-облучения.
Долговечность бетонных и железобетонных элементов конструкций с функционально-градиентными покрытиями, эксплуатирующихся в условиях воздействия агрессивных сред, во многом определяется химическим сопротивлением покрытий. Экспериментально установлено (рис. 2), что эпоксидные покрытия обладают повышенной стойкостью к воздействию воды и водных растворов серной кислоты. Снижение предела прочности на сжатие за полгода экспонирования в воде составило 12 % для эпоксидного состава и 6 % для эпоксидного функционально-градиентного состава. При действии серной кислоты на начальном этапе происходит упрочнение материала вследствие дополнительной полимеризации связующего, что особенно характерно для композита без наполнителя. Снижение прочности при сжатии для композита без наполнителя по истечении 180 суток составила 16 % от первоначальной прочности, тогда как для наполненного композита - всего 8 %.
5
н |~н
о г-)
о
и
о S
& S Й
1=1 <L> й
п о
о к
& а
с а
100
РО
7П
j i p^tL—п__
t ь ■ь ч. ы n ч. *т
"-¿> ш . . - ч
О
U сут 120
180
Рис. 2. Изменение предела прочности при сжатии для эпоксидных (--------)
и функционально-градиентных (-) композитов от времени экспонирования
в агрессивной среде:
—ф— Н2О —□— 5 % р-р Н^04
- - Д - - Н2О - - Х- - - 5 % р-р Н^04
Анализ зависимости «о-е », проведенный для ненаполненных и наполненных функционально-градиентных композитов, показал [5], что разброс численных характеристик диаграмм « о - е » для рассматриваемых составов нахо-
дится в определенных интервалах и разброс величин е1, е2, ..., Еи подчиняется нормальному закону распределения. При действии воды и водных растворов кислот в начальный период экспонирования (до 30 суток) наблюдается повышенный разброс параметров деформирования, что связано с диффузией агрессивных сред и повышением неоднородности, а при длительном воздействии среды разброс параметров диаграмм деформирования сопоставим с разбросом при испытании контрольных образцов, но с изменением характера разрушения, что связано с пластификацией и химической деструкцией связующего.
Проникание агрессивной жидкости через покрытие связано, во-первых, с подвижностью активных молекул воды, которые проникают в покрытие, раздвигая крупные молекулы полимера и разрывая некоторые поперечные связи между ними, во-вторых, с необратимыми химическими процессами взаимодействия составляющих полимерного покрытия со средой, в результате чего изменяется прочность материала. В связи с этим важной задачей является определение коэффициента диффузии как основного параметра переноса жидкости.
Особый интерес представляет ускоренный способ определения коэффициента диффузии жидкости в полимерные призмы и балки [6]. Это дает возможность более полной оценки стойкости путем одновременных диффузионных и механических испытаний.
В работе коэффициент диффузии определялся для образцов в виде прямоугольного параллелепипеда со сторонами длиной 2ЩЬ 2Щ2, 2Щ3 по формуле
Пт _ (к1+к2+к3 )2 2 Щ2 г ^
т 4(к1-к2 +к1-к3 +к2-к3) ^ О^Ч-0-2'к
где О1, О 2 - относительное увеличение массосодержания для времени вы, . к _ 1 к _ 1 к _ 1 1 _ 1 + 1 + 1 держки Г1, Т2, к _ ^ , к2 _ к3 _ , К2 _ щ2 + Щ + Щ •
По результатам исследований были получены следующие значения коэффициентов диффузии: для эпоксидных композитов - в условиях воздействия воды 1,14-10 8 см2 /с, 5 % раствора серной кислоты 1,53-10 -8 см2 /с; для эпоксидных функционально-градиентных композитов - соответственно 1,05-10 -8 и 1,212-10 -8 см2 /с.
Коэффициент поперечной деформации для полимеров, как правило, принимается постоянным, и изучению закономерностей его изменения под действием агрессивных сред уделяется мало внимания. Однако проведенные исследования показали (рис. 3), что коэффициенты Пуассона имеют различные значения, которые меняются в зависимости от срока действия и вида агрессивной среды.
Характер изменения коэффициента поперечных деформаций и проведенная оценка напряженного состояния покрытий [7] свидетельствуют о том, что функционально-градиентные покрытия обладают достаточной трещино-стойкостью при эксплуатации в жидких агрессивных средах.
Роль полимерных покрытий не ограничивается гидроизоляцией и защитой от коррозии бетонных и железобетонных элементов конструкций. Прак-
тическое применение полимерных покрытий позволяет оказывать положительное влияние на напряженно-деформированное состояние железобетонных конструкций на всех этапах изготовления и эксплуатации. В связи с этим важное значение приобретает оценка работы железобетонных изгибаемых элементов с функционально-градиентными покрытиями с учетом эффекта упрочнения бетона.
ч
н <и
и <и И
К н
Я о
В -е я" и
-е о
т о
о о
« СЗ
с
Рис. 3. Изменение коэффициента Пуассона для эпоксидных (-) и эпоксидных функционально-градиентных (------) композитов от времени экспонирования в агрессивной среде:
—±— Н2О -X— 5 % р-р Н2804
- - + - - Н2О -- -О - 5 % р-р Н^04
Кратковременные статические испытания (таблица) проводились для трех серий балок (контрольная БК без покрытия, БП с покрытием, нанесенным на растянутую грань, БПП, где, кроме полимерного покрытия, предварительно был нанесен пропиточный слой), изготовленных по технологии безопалубочного формования на линии «Тэнсиланд» ОАО «Железобетон», г. Саранск.
Установлено, что покрытие существенно изменяет и улучшает бетонную поверхность. На поверхности бетонного элемента обычно имеется значительное количество неровностей и различных включений, служащих концентраторами напряжений. Под воздействием приложенной нагрузки образуются трещины по месту этих дефектов уже на ранних стадиях нагружения. Полимерное покрытие, в частности эпоксидное функционально-градиентное, имеющее высокую адгезионную прочность к бетону, выравнивает его поверхность, заполняя наиболее опасные дефектные места. Напряжения, концентрирующиеся вокруг них, в процессе растяжения бетона из-за высокой прочности связи передаются на покрытие, где в значительной мере релаксируются. Влияние полимерных покрытий на несущую способность железобетонных изгибаемых элементов возможно лишь в том случае, если покрытие работает совместно с бетоном, не растрескиваясь до разрушения конструкции.
Результаты испытаний предварительно напряженных железобетонных балок
Серия Толщина покрытия, мм Разрушающая нагрузка, кН Нагрузка, соответствующая моменту трещи-нообразования Rcrc , кН Относительные деформации, е-10-5
Сжатая зона Растянутая зона
БК - 27,0 18,5 72 128
БП 2,4 33,0 27,0 58 58
БПП 2,9 34,5 29,5 32 53
Таким образом, помимо выполнения функций, связанных с повышением долговечности железобетонных конструкций (защита от воздействия химической агрессии, гидроизоляция и др.), функционально-градиентные покрытия повышают трещиностойкость, деформативность и несущую способность конструкций при изгибе, что открывает возможность по-новому подойти к расчету и конструированию железобетонных конструкций. При упрочнении бетона полимером несущая способность конструкций с покрытием значительно выше и будет совпадать в оптимально запроектированных железобетонных конструкциях с моментом трещинообразования.
Библиографический список
1. Создание функционально-градиентных материалов на основе полимерных связующих / В.П. Селяев, С.И. Мартынов, Т.А. Низина [и др.] // Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения РААСН. - Самара, 2004. - С. 462-465.
2. Функционально-градиентный материал для защитных покрытий / В.П. Селяев, Т.А. Низина, Ю.А. Ланкина [и др.] // Известия ТулГУ. Серия: Строительные материалы, конструкции и сооружения. - Вып. 7. - Тула : Изд-во ТулГУ, 2004. - С. 111-116.
3. Полимербетонная смесь: пат. 2306287: Рос. Федерация, МПК8 С04В 26/14. / Низина Т.А., Селяев В.П., Шишкин В.Н., Ланкина Ю.А., Цыганов В.В.; опубл. 20.09.2007, Бюл. № 30. - 2 с.
4. Применение антиоксидантов органического происхождения для стабилизации свойств эпоксидных композитов при действии УФ-облучения / В.П. Селяев, В.Н. Шишкин, Т.А. Низина [и др.] // Вестник Волжского регионального отделения РААСН. - Вып. 9. -Нижний Новгород : ННГАСУ, 2006. - С. 101-106.
5. Цыганов, В.В. Статистическая оценка диаграмм деформирования полимерных композитов / В.В. Цыганов, П.В. Селяев // Актуальные вопросы строительства. - Вып. 4. Мат-лы Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2005. - С. 363-370.
6. Соломатов, В.И. Ускоренный метод определения коэффициента диффузии жидкости в полимерные материалы / В.И. Соломатов, Л.М. Масеев, Т.В. Соломатова // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1977. - № 3. - С. 147-148.
7. Селяев, В.П. Напряженное состояние функционально-градиентных покрытий и их трещиностойкость / В.П. Селяев, В.В. Цыганов // Мат-лы Междунар. академических чтений РААСН. Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения. - Курск : Изд-во КГТУ, 2006. - С. 146-151.
V.P. SELYAEV, T.A. NIZINA, V.V. TSYGANOV
THE DEVELOPMENT AND APPLICATION OF FUNCTIONALLY-GRADIENT COVERING FOR STRENTHENING AND PROTECTION OF FERROCONCRETE CONSTRUCTIONS
The results of the research on the development of epoxide functionally-gradient coverings are given in the paper. It was shown that the efficiency of their using increases taking into account the influence of coverings on work of concrete and ferro-concrete elements of constructions.
УДК 624.011.2.001.2+674.028.1/.5
Д.В. ЛОСКУТОВА, ТГАСУ, Томск
РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ЗОНЕ КОНТАКТА С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЗУБЧАТОЙ ПЛАСТИНОЙ
В статье приводятся результаты расчетов напряженно-деформированного состояния зоны контакта зуба металлической зубчатой пластины с деревянным элементом. Рассмотрены изотропная и ортотропная модели древесины. В нелинейном расчёте контактного взаимодействия используются «фиктивные контактные» элементы. Результаты расчетов представлены в виде полей напряжений и перемещений. Получены значения коэффициентов постели, проведено сравнение результатов расчетов с данными экспериментов.
Рассмотрим задачу о взаимодействии зуба металлической зубчатой пластины (МЗП) с древесиной. Моделируется часть деревянного бруса размером 21^34x14 мм и часть пластины размером 21x22x1 мм с одним зубом (7x3 мм). Фрагмент МЗП показан на рис. 1. Сталь марки 05кп, ГОСТ 1050-88*. Временное сопротивление разрыву о = 407 МПа, относительное удлинение в = 14 %. Диаграмма деформаций при испытании на растяжение стали марки 05кп, испытанной по ГОСТ 1497-84, показана на рис. 2.
Вид А
■■--,<-
} - " ) ) /
\ Í2 7 -^ / /
.....\ с> •л-* 1
9 13 \-1
-
. 3
т-
Рис. 1. Фрагмент МЗП, размеры зуба
А
© Д.В. Лоскутова, 2008
