CC BY
1570лет
Михаилу Сауловичу Гаркави,
доктору технических наук, профессору, заслуженному работнику высшей школы Российской Федерации, почетному работнику высшего профессионального образования Российской Федерации.
В 1971 г. М.С. Гаркави окончил строительный факультет Магнитогорского горно-металлургического института по специальности «Производство строительных материалов, изделий и конструкций». После работы на производстве — заводе ЖБИ-1 треста «Магнитострой», в 1974 г. начал трудовую деятельность на родной кафедре в должности младшего научного сотрудника. В1978 г. в Уральском политехническом институте (г. Екатеринбург) защитил кандидатскую диссертацию по теме «Комплексное термодинамическое и акустическое исследование процесса твердения цемента». В период с 1978 по 1989 г. занимал должность старшего преподавателя кафедры строительных материалов и изделий МГМИ (в настоящее время МГТУ им. Г.И. Носова), а с 1982 г. — должность доцента. В 1992 г. Михаил Саулович успешно закончил докторантуру Ленинградского технологического института и в 1993 г. стал заведующим кафедрой «Строительные материалы и изделия», которую возглавлял вплоть до 2013 г. В настоящее время Михаил Саулович продолжает научную и производственную деятельность.
Область научных интересов Михаила Сауловича — разработка физико-химических и термодинамических основ ресурсо- и энергосберегающих технологий строительных материалов на основе вяжущих веществ. Прикладная научно-исследовательская деятельность М.С. Гаркави связана с разработкой на Магнитогорском цементно-огнеупорном заводе технологии высокомарочных и безусадочных портландцементов с использованием промышленных отходов. Годы после окончания докторантуры проходят в непрерывной научной работе. В 1998 г. Михаил Саулович Гаркави защитил докторскую диссертацию на тему «Управление структурными превращениями в твердеющих вяжущих системах».
М.С. Гаркави внес большой вклад в развитие кафедры «Строительные материалы и изделия», будучи ее заведующим. Лаборатория кафедры была оснащена новыми приборами и устройствами, что позволило усилить роль исследовательской работы в учебном процессе. Под его руководством было выполнено и защищено десять кандидатских диссертаций. Ученики Михаила Сауловича продолжают научную и творческую деятельность в области строительного материаловедения не только в России, но и за рубежом.
За многолетнюю работу по развитию и совершенствованию учебного процесса, активную деятельность в области научных исследований, значительный вклад в дело подготовки высококвалифицированных специалистов в 2001 г. Михаил Саулович награжден нагрудным знаком «Почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации». В 2004 г. М.С. Гаркави присвоено почетное звание заслуженного работника высшей школы Российской Федерации.
Авторы предлагаемой вниманию статьи — благодарные ученики — поздравляют Михаила Сауловича Гаркави с юбилеем и желают здоровья, неиссякаемой энергии, творческого вдохновения и успехов!
Редакция и редакционный совет журнала «Строительные материалы»® присоединяются к поздравлениям, желают Михаилу Сауловичу оптимизма, благополучия и творческого долголетия.
УДК 624.042
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-776-11-50-54
Е.А. ТРОШКИНА, канд. техн. наук (skyjanny@mail.ru), Д.Д. ХАМИДУЛИНА, канд. техн. наук (loza_mgn@mail.ru), С.А. НЕКРАСОВА, канд. техн. наук (snek-mgn@mail.ru)
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова (455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38)
Разработка самоуплотняющегося напрягающего бетона для трубобетонных колонн
Ввиду существенных достоинств конструктивного, технологического и экономического характера трубобетонные колонны (ТБК) имеют хорошие перспективы для широкого применения в практике строительства. Трубобетонные колонны обладают высокой прочностью и жесткостью при относительно небольших размерах поперечного сечения, экономичны, надежны в эксплуатации.
Однако их широкое практическое применение сдерживает сложность обеспечения достаточного сцепления между бетонным ядром и стальной оболочкой в местах передачи нагрузок на колонну от перекрытий. Авторами предложен способ усовершенствования конструкции трубобетонной колонны путем использования самоуплотняющегося напрягающего бетона для бетонного ядра, позволяющего увеличить прочность контакта между бетонным ядром и стальной оболочкой и обеспечить качественное бетонирование колонн.
Ключевые слова: трубобетонные колонны, бетонное ядро, напрягающий бетон, самоуплотняющийся бетон.
Для цитирования: Трошкина Е.А., Хамидулина Д.Д., Некрасова С.А. Разработка самоуплотняющегося напрягающего бетона для трубобетонных колонн // Строительные материалы. 2019. № 11. С. 50-54. 00!: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-776-11-50-54
E.A. TROSHKINA, Candidate of Sciences (Engineering) (skyjanny@mail.ru); D.D. HAMIDULINA, Candidate of Sciences (Engineering) (loza_mgn@mail.ru); S.A. NEKRASOVA, Candidate of Sciences (Engineering) (snek-mgn@mail.ru)
Nosov Magnitogorsk State Technical University (38, Lenin Avenue, Magnitogorsk, 455000, Russian Federation)
Development of Self-Compacting, Self-Stressing Concrete for Pipe-Concrete Columns
Due to the significant advantages of the structural, technological and economic nature of the pipe-concrete columns (PCC) have good prospects for wide application in the practice of construction. Pipe-concrete columns have high strength and rigidity with relatively small cross-sectional dimensions, economical, reliable in operation. However, their wide practical application constrains the difficulty of ensuring sufficient adhesion between the concrete core and the steel shell in places of transfer of loads to the column from the floors. The authors propose a method of improving the design of pipe-concrete column by use of self-compacting self-stressing concrete for concrete core, making it possible to increase the strength of contact between the concrete core and steel shell and to provide high-quality concreting of columns.
Keywords: pipe concrete columns, concrete core, self-stressing concrete, self-compacting concrete.
For citation: Troshkina E.A., Hamidulina D.D., Nekrasova S.A. Development of self-compacting, self-stressing concrete for pipe-concrete columns. Stroite'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 11, pp. 50-54. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-776-11-50-54
Трубобетонные колонны (ТБК) становятся более популярными во всем мире, что связано с их существенными достоинствами конструктивного, технологического и экономического характера. В настоящее время они нередко используются при возведении высотных зданий и мостов, для создания объектов городской инфраструктуры: опор воздушных линий электропередачи, башен мобильной связи, ж/д транспорта и т. д. [1—3]. Целесообразно применение таких колонн и в многоэтажных каркасных зданиях с увеличенной сеткой колонн, когда на них действуют значительные по величине нагрузки [4]. ТБК сочетают в себе лучшие свойства стальных и железобетонных материалов, обладают высокой прочностью и жесткостью при относительно небольших размерах поперечного сечения. Привлекательными для строителей являются и такие преимущества ТБК, как пониженная трудоемкость их изготовления вследствие отсутствия опалубки, высокая скорость возведения зданий, а также надежность эксплуатации [5—7].
Однако широкое практическое применение тру-бобетонных колонн сдерживает сложность обеспечения достаточной прочности контакта между бетонным ядром и стальной оболочкой в местах передачи нагрузок на колонну от перекрытий [8, 9]. Отрыв стальной трубы от бетонного сердечника снижает несущую способность и долговечность конструкции. Эффективным способом обеспечения более высокой прочности контакта между внешней оболочкой и бетоном является предварительное обжатие бетонного ядра в поперечном направлении.
Предварительное обжатие бетонного ядра, которое будет передаваться на стальную оболочку в течение всего срока эксплуатации конструкции, может
быть обеспечено за счет использования напрягающего бетона. В такой конструкции в зоне передачи срезающего усилия возникнут силы трения, которые при достаточной величине обжатия могут заметно увеличить прочность контакта между стальной оболочкой и бетонным ядром. [10].
В данной статье предложено усовершенствовать технологию изготовления трубобетонной колонны путем использования самоуплотняющегося напрягающего бетона для бетонного ядра.
Для приготовления самоуплотняющегося напрягающего бетона в работе использовались следующие материалы:
— портландцемент ПЦ 500 Д0, соответствующий ГОСТ 10178—85 «Портландцемент и шлакопортланд-цемент. Технические условия»;
— песок речной Мк=2,5, соответствующий ГОСТ 8736—2014 «Песок для строительных работ. Технические условия»;
— щебень порфиритовый фракции 5—20, соответствующий ГОСТ 8267—93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия».
В качестве добавок применялись суперпластификатор на основе поликарбоксилатных эфиров Sika ViscoCrete (далее — суперпластификатор) и модификатор бетона Эмбэлит (далее модификатор), который представляет собой поликомпонентный продукт на органоминеральной основе, обладающий полифункциональным действием (ТУ 5870-176-46854090-04). Модификатор позволяет не только улучшить реологические свойства бетонных смесей, но и обладает расширяющим действием за счет введения в его состав расширяющей композиции сульфоалюминат-ного типа [11, 12]. Введение модификатора приводит
Таблица 1
Составы и свойства бетонных смесей
Состав Расход материалов, кг/м3 Свойства бетонной смеси
Цемент Модификатор Песок Щебень Вода Суперпластификатор Плотность бетонной смеси, кг/м3 Расплыв конуса, см Время расплыва до 50 см, с
1 532 80 688 923 165 8,51 2388 60 7
2 532 80 682 916 170 7,98 2380 62 5
3 510 102 692 929 158 8,16 2391 59 9
4 510 102 687 922 163 7,65 2384 60 8
Таблица 2
Свойства бетона
Состав Плотность бетона, кг/м3 Самонапряжение бетона, МПа, в возрасте 28 сут Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте (нормальное твердение) Марка бетона по самонапряжению
7 сут 28 сут 120 сут
1 2495 68,03 86,64 96,91 0,89 Sp0,8
2 2492 64,12 81,59 89,14 0,81 Sp0,8
3 2501 69,71 88,73 99,98 2,12 Sp2
4 2488 65,04 82,89 90,76 2,01 Sp2
Примечание. Предел прочности кубов пересчитан на образцы с размером ребра 150 мм.
110 5 100
90
80
70
60
50
_
— 2
20 40 60 80
Возраст образцов, сут
Рис. 1. Предел прочности бетона при сжатии: 1 -3 - состав 3; 4 - состав 4
100
120
состав 1; 2 - состав 2;
1450
1 1400
2 1350
£
в- 1300
(С
I 1250
§ 1200
(С □
£ 1150
со
СЬ 1100 1050
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Состав 4
к изменениям фазового состава цементного камня, которые выражаются в повышении содержания мелкокристаллического гидросульфоалюмината кальция и портландита, что предопределяет более значительное расширение и способствует устойчивости сульфоалюминатной системы [13, 14]. За счет расширяющего действия модификатора создается предварительное обжатие бетона, заключенного в стальную трубчатую оболочку.
Составы бетонных смесей подбирали в соответствии с «Европейским руководством по самоуплотняющемуся бетону», ГОСТ 27006-86 «Бетоны. Правила подбора состава», с учетом требований ГОСТ 32803-2014 «Бетоны напрягающие. Технические условия».
При подборе составов самоуплотняющихся бетонных смесей учитывали следующие особенности:
- повышенное содержание цементного теста;
Рис. 2. Разрушающие нагрузки при сдвиге бетонного ядра относительно стальной оболочки
- низкое водоцементное отношение;
- пониженное содержание крупного заполнителя;
- повышенное содержание суперпластификатора.
Составы и свойства разработанных бетонных смесей приведены в табл. 1.
Самоуплотняющиеся бетонные смеси, полученные в результате проведенных исследований, по величине диаметра расплыва конуса относятся к классу SF1 (РК=55-65 см). Применение самоуплотняющихся бетонных смесей для трубобетонных колонн позволяет с меньшими энергетическими затратами обеспечить качественную укладку и уплотнение бетонной смеси по всей высоте колонны и предотвратить технологические дефекты.
Свойства бетонов, изготовленных из разработанных самоуплотняющихся бетонных смесей, представлены в табл. 2. Прочность бетона при сжатии определяли на образцах-кубах 100x100x100 мм в
соответствии с ГОСТ 10180—2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Самонапряжение бетонов определялось по величине деформаций расширения образцов-призм 100x100x400 мм в условиях упругого ограничения деформаций, создаваемого динамометрическими кондукторами, в соответствии с ГОСТ 32803—2014 «Бетоны напрягающие. Технические условия».
Данные, представленные в табл. 2, свидетельствуют, что в результате применения разработанных составов получены высокопрочные напрягающие бетоны класса В70. Следует отметить значительный прирост прочности при сжатии бетона (9—12%) в возрасте от 28 до 120 сут (рис. 1), что, вероятно, связано с процессами дальнейшей гидратации цемента и уплотнения структуры бетона.
Полученные бетоны имеют марки по самонапряжению Sp0,8—Sp2. Варьирование количества модификатора в составе бетона регулирует величину деформации расширения, что позволяет получать напрягающий бетон с различной энергией самонапряжения.
За счет самонапряжения бетона создается избыточное давление на внутреннюю поверхность металлической трубчатой оболочки. Кроме того, при наличии арматурного каркаса в трубобетонной колонне напрягающий бетон позволяет создать предварительное напряжение спиральной арматуры, которая удалена от предварительно напряженной трубчатой оболочки внутрь бетонного тела на расстояние, достаточное для обеспечения требуемой огнестойкости элемента. Высокопрочная продольная арматура каркаса также получает предварительное напряжение за счет самонапряжения бетона, что позволяет повысить несущую способность гибких элементов.
Для определения прочности контакта бетонного ядра и стальной оболочки изготавливались лабораторные образцы трубобетонных колонн. Длина образцов составляла 1000 мм, диаметр трубы — 159 мм, толщина стенки трубы — 5 мм. Прочность контакта, обусловленная сцеплением и трением, определялась в зависимости от разрушающей нагрузки, которая фиксировалась при сдвиге бетонного ядра относительно стальной оболочки. Для этого использовалась методика, приведенная в работе [10].
Для фиксации начала перемещения бетонного сердечника относительно стальной оболочки в процессе испытаний использовался лазерный триангуляционный датчик положения с встроенной микропроцессорной системой управления. Точность измерения датчика составляет 0,1%, частота опроса - 100 Гц.
Значения нагрузок, при которых произошел срез бетонного ядра, представлены на рис. 2.
Данные, представленные на рис. 2, свидетельствуют об увеличении разрушающей нагрузки, при которой произошел срез бетонного ядра, в зависимости от величины самонапряжения бетона. При этом напрягающие бетоны составов 3, 4 (величина самонапряжения >1 МПа) не только компенсируют усадочные деформации бетонного ядра, но и обеспечивают увеличение прочности контакта между бетоном и трубой за счет роста сил сцепления и сил трения между ними.
Таким образом, полученные самоуплотняющиеся напрягающие высокопрочные бетоны позволяют увеличить несущую способность трубобетонных колонн в результате обеспечения прочного контакта между бетонным ядром и стальной оболочкой и улучшить эксплуатационные характеристики конструкций.
Список литературы
References
1. Гаранжа И.М., Щукина Л.С. Самоуплотняющийся бетон как основа металлокомпозитных конструкций. Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании: Сборник материалов международной научной конференции. Москва, МГСУ. 2017. С. 244-251.
2. Пенкина Е.В., Плотников А.И. К вопросу о применении трубобетонных колонн в многоэтажных и высотных зданиях. Научному прогрессу — творчество молодых. Международная молодежная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам: Материалы и доклады: В 3 ч. Йошкар-Ола. Поволжский государственный технологический университет, 2013. С. 121-123.
3. Нуруллина А.Д., Кириллова Е.Д., Воробьева А.О. Эффективность использования трубобетонных и стальных колонн в качестве вертикальных несущих элементов высотных зданий // Молодой ученый. 2016. № 21 (125). С. 186-195.
1. Garanzha I.M., Shchukina L.S. Self-compacting concrete as the basis of metal composite structures.
Integration, partnership and innovation in construction science and education. Collection of international scientific conference proceedings. Moscow State University of Civil Engineering. 2017, pp. 244—251. (In Russian).
2. Penkina E.V., Plotnikov A.I. To the question of the use of concrete filled steel tube columns in multisto-ried and high-rise buildings. Scientific progress — creativity of young people. International Youth Scientific Conference on Natural Sciences and Technical Disciplines:proceedings and reports: in 3parts. Yoshkar-Ola. Volga State Technological University. 2013, pp. 121—123. (In Russian).
3. Nurullina A.D., Kirillova E.D., Vorobieva A.O. Efficiency of application of concrete filled steel tube columns and steel columns as vertical load-bearing elements of high-rise buildings. Molodoi uchenyi. 2016. No. 21 (125), pp. 186-195. (In Russian).
4. Nishiyama I., Morino S., Sakino K., Nakahara H. Summary of research on concrete-filled structural steel tube column system carried out under the US-JAPAN cooperative research program on composite and hybrid structures. Japan. BRI Research Paper No. 147, 176 p. https://www.kenken.go.jp/english/ contents/publications/paper/pdf/147.pdf
5. Кришан А.Л., Кришан М.А., Сабиров Р.Р. Перспективы применения трубобетонных колонн на строительных объектах России // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1 (45). С. 137-140.
6. Строкова В.В., Молчанов А.О., Нелюбова В.В. Самоуплотняющийся бетон: преимущества и перспективы применения в строительстве // Ресурсо-энергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. 2015. № 5. С. 164-167.
7. Дуванова И.А., Сальманов И.Д. Трубобетонные колонны в строительстве высотных зданий и сооружений // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 6 (21). С. 89-103.
8. Michel J. Gebman, Scott A. Ashford, Jose I. Restrepo. Axial force transfer mechanisms within cast-in-steel-shell piles. Final report submitted to the California Department of transportation under Contract No. 59A0337. Department of Structural Engineering University of California, San Diego La Jolla, California, 2006. 331 p.
9. Tomii M., Yoshimura K., Morishita Y.A Method of improving bond strength between steel tube and concrete core cast in circular steel tubular columns // Transactions of the Japan concrete institute. 1980. Vol. 2, pp. 319-326.
10. Кришан А.Л., Римшин В.И., Сагадатов А.И. Прочность контакта бетонного ядра и стальной оболочки сжатых трубобетонных элементов // БСТ. 2016. № 6. С. 13-21.
11. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С., Чилин И.А. О подборе составов высококачественных бетонов с органоминеральными модификаторами // Строительные материалы. 2017. № 12. С. 58-63. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-755-12-58-63
12. Резван И.В. Самоуплотняющийся высокопрочный напрягающий бетон для трубобетонных колонн // Строительные материалы. 2012. № 6. С. 60-62.
13. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С., Дондуков В.Г. Модифицированные высокопрочные мелкозернистые бетоны с улучшенными деформационными характеристиками // Бетон и железобетон. 2006. № 2. С. 2-6.
14. Khamidulina D.D., Nekrasova S.A. Fractals in the construction material science. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering electronic edition. 2018. С. 012026. DOI: 10.1088/1757-899X/451/1/012026
4. Nishiyama I., Morino S., Sakino K., Nakahara H. Summary of research on concrete-filled structural steel tube column system carried out under the US-JAPAN cooperative research program on composite and hybrid structures. Japan. BRI Research Paper No. 147, 176 p. https://www.kenken.go.jp/english/ contents/publications/paper/pdf/147.pdf
5. Krishan A.L., Krishan M.A., Sabirov R.R. Prospects for the use of concrete filled steel tube columns at construction sites in Russia. Bulletin of the Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2014. No. 1 (45), pp. 137-140. (In Russian).
6. Strokova V.V., Molchanov A.O., Nelyubova V.V. Self-compacting concrete: advantages and prospects of application in construction. Resursoenergoeffektivnye tekhnologii v stroitel'nom komplekse regiona. 2015. No. 5, pp. 164-167. (In Russian).
7. Duvanova I.A., Salmanov I.D. Concrete filled steel tube columns in the construction of high-rise buildings and structures. Stroitel'stvo unikal'nykh zdanii i sooruzhenii. 2014. No. 6 (21), pp. 89-103. (In Russian).
8. Michel J. Gebman, Scott A. Ashford, Jose I. Restrepo. Axial force transfer mechanisms within cast-in-steel-shell piles. Final report submitted to the california department of transportation under contract No. 59A0337. Department of structural engineering university of California. San Diego La Jolla, California, 2006. 331 p.
9. Tomii M., Yoshimura K., Morishita Y.A Method of improving bond strength between steel tube and concrete core cast in circular steel tubular columns. Transactions of the Japan Concrete Institute. 1980. Vol. 2, pp. 319-326.
10. Krishan A.L., Rimshin V.I., Sagadatov A.I. The contact strength of the concrete core and the steel shell of compressed concrete filled steel tube elements. BST.
2016. No. 6, pp. 13-21. (In Russian).
11. Kaprielov S.S., Sheinfeld A.V., Kardumyan G.S., Chilin I.A. About selection of compositions of high-quality concretes with organic-mineral modifiers. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials].
2017. No. 12, pp. 58-63. DOI: https://doi. org/10.31659/0585-430X-2017-755-12-58-63. (In Russian).
12. Rezvan I.V. Self-compacting high-strength self-stressing concrete for concrete filled steel tube columns. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 6, pp. 60-62. (In Russian).
13.Kaprielov S.S., Sheinfel'd A.V., Kardumyan G.S., Dondukov V.G. Modified high-strength finegrained concrete with improved deformation characteristics. Beton i zhelezobeton. 2006. No. 2, pp. 2-6. (In Russian).
14. Khamidulina D.D., Nekrasova S.A. Fractals in the construction material science. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering electronic edition. 2018. P. 012026. DOI: 10.1088/1757-899X/451/1/012026
54
ноябрь 2019
ы ®
