Влияние вида заполнителя и дисперсного армирования на деформативность виброцентрифугированных бетонов

Щербань Евгений Михайлович; Стельмах Сергей Анатольевич; Холодняк Михаил Геннадиевич; Нажуев Мухума Пахрудинович; Рымова Екатерина Маратовна; Лиев Руслан Анатольевич

Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.today 2018, №5, Том 10 / 2018, No 5, Vol 10 https://esj.today/issue-5-2018.html URL статьи: https://esj.today/PDF/51SAVN518.pdf Статья поступила в редакцию 15.10.2018; опубликована 04.12.2018 Ссылка для цитирования этой статьи:

Щербань Е.М., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Нажуев М.П., Рымова Е.М., Лиев Р.А. Влияние вида заполнителя и дисперсного армирования на деформативность виброцентрифугированных бетонов // Вестник Евразийской науки, 2018 №5, https://esj.today/PDF/51SAVN518.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

For citation:

Shcherban' E.M., Stel'makh S.A., Kholodnyak M.G., Nazhuev M.P., Rymova E.M., Liev R.A. (2018). Influence of the type of aggregate and dispersed reinforcement on the deformability of vibrocentrifuged concrete. The Eurasian Scientific Journal, [online] 5(10). Available at: https://esj.today/PDF/51SAVN518.pdf (in Russian)

УДК 691 ГРНТИ 67.09.33

Щербань Евгений Михайлович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Инженерной геологии, оснований и фундаментов»

Кандидат технических наук E-mail: [email protected]

Стельмах Сергей Анатольевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Инженерной геологии, оснований и фундаментов»

Кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]

Холодняк Михаил Геннадиевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Инженер

E-mail: [email protected]

Нажуев Мухума Пахрудинович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Рымова Екатерина Маратовна

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Лиев Руслан Анатольевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Влияние вида заполнителя и дисперсного армирования на деформативность виброцентрифугированных бетонов

Аннотация. В статье отмечена актуальность и перспективность в современном строительстве фибрового армирования бетонных конструкций различными видами дисперсных волокон. Определен научный интерес, который представляет фибровое армирование строительных конструкций кольцевого сечения, исследование перспективности комбинированного армирования бетонов фиброй различных сочетаний и комбинированного заполнителя в таких бетонах. Приведены теоретические сведения о диаграмме «напряжения -деформации» бетона, связь между напряжениями и деформациями бетона, основные термины и понятия. Описан ход экспериментальных исследований авторов. Определены модуль упругости, коэффициент Пуассона, предельная сжимаемость на виброцентрифугированных призмах, выпиленных из кольцевых образцов бетона и фибробетона, внешним диаметром 400 мм и внутренним диаметром 150 мм. Образцы изготовлены из различных составов. Даны характеристики заполнителей. По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований построены диаграммы «а - е» и исследовано влияние для вида заполнителя и дисперсного армирования на деформативность виброцентрифугированных бетонов.

По результатам анализа полученных диаграмм деформирования из проработанных составов были выбраны рациональные составы для дальнейших исследований. Экспериментально подтвердилось, что увеличивается предельная сжимаемость фибробетона в сравнении с бетоном. Модуль упругости фибробетонных образцов увеличился по сравнению с бетонными образцами. Характер разрушения при этом переходит из хрупкого в вязко-пластичный, что оказывает положительное влияние на несущую способность элемента конструкции кольцевого сечения.

Ключевые слова: фибробетон; дисперсное армирование; напряжения; деформации; модуль упругости; виброцентрифугирование; коэффициент Пуассона

Фибровое армирование бетонных конструкций различными видами дисперсных волокон является актуальным и перспективным направлением в современном строительстве. Также, научный интерес представляет фибровое армирование строительных конструкций кольцевого сечения, исследование перспективности комбинированного армирования бетонов фиброй различных сочетаний и комбинированного заполнителя в таких бетонах [1-17].

Поскольку бетон не является упругим материалом, диаграмма «напряжения -деформации» бетона криволинейна [18]. Одним из аналитических выражений, которые устанавливают связь между напряжениями и деформациями бетона является формула Саржина

£ _ УЕк/ УЕк/ (1)

К ( )

где а - текущее значение напряжения, МПа;

Я - предел кратковременной прочности бетона, МПа;

е, ек - текущее значение относительной деформации и значение относительной деформации, соответствующие пределу кратковременной прочности R;

k - характеризующий «кривизну» диаграммы коэффициент, k = 1/Лд.

Модуль деформации (секущий) - отношение величины напряжения к величине деформации в любой точке диаграммы:

Е = ?. (2)

С ростом величины действующего напряжения модуль деформаций уменьшается. В любой точке диаграммы модуль деформаций численно равен тангенсу угла наклона секущей, проходящей через начало координат и эту точку.

Полная деформация бетона в любой точке диаграммы состоит из двух частей упругой и неупругой, то есть:

é = -el + (3)

Коэффициент упругости - отношение упругой деформации к полной в любой точке диаграммы:

hi = ^. (4)

Коэффициент пластичности - отношение упругой деформации к полной в любой точке диаграммы:

Api = -р (5)

В любой точке диаграммы Àei + Àpi = 1.

Начальным модулем упругости бетона Eo (статическим модулем упругости) условно называется модуль деформаций, соответствующий величине действующего напряжения 30 % предела кратковременной прочности:

Eo = (6)

-0.3 v '

Динамическим модулем упругости бетона Ed называется величина, устанавливающая связь между скоростью распространения продольных волн V, коэффициентом Пуассона /л и средней плотностью бетона р:

У _ Ер 1-У _ \Ь*Ер

В экспериментальных исследованиях авторов модуль упругости, коэффициент Пуассона, предельная сжимаемость изучались на виброцентрифугированных призмах, выпиленных из кольцевых образцов бетона и фибробетона, внешним диаметром 400 мм и внутренним диаметром 150 мм. Образцы изготавливались из различных составов.

Применялся гранит месторождения ОАО «Павловск Неруд» (Воронежская область) и керамзит производства ООО «АКЗ» Алексинский керамзитовый завод (Тульская область).

Характеристики заполнителей, примененных в исследованиях приведены в таблицах 1

и 2.

Таблица 1

Характеристики гранита

Наименование материала Фракция Удельная поверхность, см2/г Насыпная плотность, кг/м3 Истинная (средняя) плотность, кг/м3 Пустотность, % Общее водопоглощение

20-2,5 4,2 1460 0,457 0,41

Щебень 20-10 2,7 1430 2700 0,468 0,40

гранитный 10-5,0 5,4 1510 (2690) 0,438 0,42

5,0-2,5 9,4 1590 0,408 0,45

Составлено авторами

Таблица 2

Характеристики керамзита

№ Характеристика Величина

1 Размер фракции 5-10 мм

2 Насыпная плотность 400 кг/м3

3 Морозостойкость 20 циклов, потеря массы гравия 1,1 %

4 Процент раздавленных частиц 9 %

5 Теплопроводность 0,0910 Вт/м*К

6 Водопоглощение 260 мл

Составлено авторами

Из полученных элементов кольцевого сечения были выпилены образцы-призмы размером 10х10х100 см, которые в дальнейшем распиливались на стандартные образцы-призмы размером 10х10х40 см и образцы-кубы с размером 10х10х10 см (рисунок 1).

Призмы испытывались по методике, описанной в ГОСТ 24452 «Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона».

Сущность метода основана на измерении деформаций при возрастающей величине приложенного осевого сжимающего напряжения.

В процессе испытаний нагружением на гидравлическом прессе с помощью силоизмерителя пресса и индикаторов часового типа измеряют величину осевых сжимающих напряжений и соответствующих им величин деформаций. Перед испытанием образец центрируется таким образом, чтобы деформации по всем граням отличались незначительно. Нагружение образца в процессе определения модуля упругости бетона до уровня нагрузки (40±5 %) Рр производят ступенями, составляющими 10 % ожидаемой разрушающей нагрузки. Скорость нагружения в пределах каждой ступени составляет (0,6±0,2) МПа/с (рисунок 2).

Рисунок 1. Призмы, выпиленные из образца кольцевого сечения (составлено авторами)

Модуль упругости Еб вычисляется для каждого образца, когда уровень нагрузки составляет 30 % от разрушающей, по формуле:

Еб = f~, (8)

S1y V '

где а1 = Pi/F - приращение напряжения от условного нуля до уровня внешней нагрузки, равной 30 % от разрушающей;

Pi - соответствующее приращение внешней нагрузки;

¿1У - приращение упруго-мгновенной относительной продольной деформации образца, соответствующее уровню нагрузки Р1 = 0,3Рр и замеренное в начале каждой ступени ее приложения. За условный ноль принимается величина напряжения не более 2 % предела прочности бетона.

Для фибробетонов с комбинированным армированием модуль упругости по модели Фойхта определяется по формуле:

ЕУ = + У-2^2 + Мэ^э. (9)

Указанная модель базируется на классических законах композиционных материалов. Приведенный закон не учитывает структурообразующей роли и своеобразия бетонной матрицы, процесса формования контактной зоны вблизи поверхности раздела «волокно-матрица». Состоянием контактной зоны определяются свойства фибробетона [19-21].

Существует модель прогнозирования значения модуля упругости фибробетона, армированного комбинированной фиброй, учитывающая коэффициент ф, отражающий вид волокон, а также степень взаимодействия их друг с другом и с матрицей.

Ефб = ЕбУ-((рбаз.фП + фст.ф(1 - п)), (10)

где Ефб, Еб - модуль упругости фибробетона и бетона;

Л - общая объемная доля волокон;

п - доля в общем объеме армирования аморфнометаллической фибры;

ф - экспериментальный комплексный коэффициент.

Рисунок 2. Образец после испытания (составлено авторами)

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований построены диаграммы «а - 8» (рисунки 3-8) и исследовано влияние вида заполнителя и дисперсного армирования на деформативность виброцентрифугированных бетонов.

о1,МПа 81, * 10-3

0,00 0,0

4,99 0,2

9,98 0,4

14,97 0,6

19,96 1,0

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

24,95 1,3

29,94 1,5

34,93 1,9

37,43 2,3

39,92 2,9

<D

s

и

g

<D

60 50 40 30 20 10 0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Деформации ф

2,5

3,0

Рисунок 3. Диаграмма «о - ё» для виброцентрифугированного тяжелого бетона с заполнителем гранит (составлено авторами)

о1,МПа 81, * 10-3

0,00 0,0

4,99 0,2

9,98 0,4

14,97 0,7

19,96 1,0

24,95 1,3

29,94 1,7

34,93 2,0

37,43 2,3

39,92 2,6

42,42 2,9

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Деформации, ф

2,5

3,0

Рисунок 4. Диаграмма «о - ё» для виброцентрифугированного облегченного бетона с заполнителем гранит+керамзит+базальтовая фибра (составлено авторами)

о1,МПа 81, *10-3

0,00 0,0

4,99 0,1

9,98 0,3

14,97 0,5

19,96 0,8

24,95 1,1

29,94 1,3

34,93 1,5

37,43 1,7

39,92 1,9

42,42 2,1

44,91 2,4

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Деформации, ф

2,5

3,0

Рисунок 5. Диаграмма «о - ё» для виброцентрифугированного облегченного бетона с заполнителем гранит+керамзит (составлено авторами)

CT-i, МПа 81, * 10-3

0,00 0,0 60

4,99 0,1 ■s 50 «л AO

9,98 0,2

14,97 0,4 s к

19,96 0,7 « 30 & 20 -

24 95 1 1

29,94 1,5 cd К in

34,93 1,9

37,43 2,1 0

39,92 2,3 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Деформации, ф

42,42 2,6

Рисунок 6. Диаграмма «о - е» для виброцентрифугированного тяжелого бетона с заполнителем гранит+базальтовая фибра (составлено авторами)

ст1,МПа 81, *10-3

0,00 0,0

4,99 0,1

9,98 0,2

14,97 0,4

19,96 0,7

24,95 1,0

29,94 1,3

34,93 1,6

37,43 1,7

39,92 1,9

42,42 2,1

44,91 2,4

47,41 2,6

а>

s

и

g

60 50 40 30 20 10

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Деформации, ф

2,5

3,0

Рисунок 7. Диаграмма «о - е» для виброцентрифугированного облегченного бетона с заполнителем гранит+керамзит+стальная фибра (составлено авторами)

ст1,МПа 81, *10-3

0,00 0,0

4,99 0,1

9,98 0,3 60

14,97 0,4 ■в 50 АГ\

19,96 0,6

24,95 0,8 S к

29,94 0,9 £30 - (D

34 93 1 1

37,43 1,2 5 20 " К

39,92 1,3

42,42 1,4 0

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

44,91 1,6 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Деформации ф

47,41 1,7

49,9 1,9

54,89 2,5

Рисунок 8. Диаграмма «о - е» для виброцентрифугированного облегченного бетона с заполнителем гранит+керамзит+стальная фибра+базальтовая фибра (составлено авторами)

По результатам анализа полученных диаграмм деформирования из проработанных составов были выбраны рациональные составы для дальнейших исследований.

0

Экспериментально подтвердилось, что увеличивается предельная сжимаемость фибробетона в сравнении с бетоном. Модуль упругости фибробетонных образцов увеличился по сравнению с бетонными образцами. Характер разрушения при этом переходит из хрупкого в вязко-пластичный, что оказывает положительное влияние на несущую способность элемента конструкции кольцевого сечения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нажуев М.П., Яновская А.В., Холодняк М.Г., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Стельмах С.А. Изучение опыта регулирования свойств строительных изделий и конструкций путем направленного формирования их вариатропной структуры // Инженерный вестник Дона, 2017, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ N3y2017/4313.

2. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М. Выбор видов волокон для дисперсного армирования изделий из центрифугированного бетона // Науковедение, 2017, № 4 URL: naukovedenie.ru/PDF/71TVN417.pdf.

3. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М. Выбор состава центрифугированного бетона на тяжелых заполнителях // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2017, №10. С. 52-57.

4. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М. Исследование различных типов центрифуг и режимов уплотнения бетонных смесей для изготовления образцов кольцевого сечения // Вестник СевКавГТИ, 2017, Вып. №3 (30). С. 134-137.

5. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Холодняк М.Г., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Совершенствование режимов формования центрифугированных бетонных изделий кольцеобразного сечения // Инженерный вестник Дона, 2018, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4832.

6. Маилян Л.Р., Стельмах С.А. Халюшев А.К., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П. Оптимизация параметров центрифугированных изделий кольцевого сечения на стадии уплотнения // Инженерный вестник Дона, 2018, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5123.

7. Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Нажуев М.П., Яновская А.В., Осадченко С.А. Механические свойства виброцентрифугированных бетонов с комбинированным заполнителем и волокнистой добавкой // Инженерный вестник Дона, 2018, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5047.

8. Нажуев М.П., Яновская А.В., Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Осадченко С.А. Анализ зарубежного опыта развития технологии виброцентрифугированных строительных конструкций и изделий из бетона // Вестник Евразийской науки, 2018, №3 URL: esj.today/PDF/58SAVN318.pdf.

9. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П. Совершенствование расчетных рекомендаций по подбору состава бетона центрифугированных конструкций // Вестник Евразийской науки, 2018, №3 URL: esj .today/PDF/63 SAVN318.pdf.

10. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Рекомендации по учету вариатропии при расчете, проектировании

и изготовлении центрифугированных конструкций из тяжелого бетона // Вестник Евразийской науки, 2018, №4 URL: esj.today/PDF/07SAVN418.pdf.

11. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М., Халюшев А.К. Влияние технологии производства на структурообразование и свойства бетона виброцентрифугированных колонн // Строительство и архитектура (2017), Том 5, Выпуск 4 (17). С. 224-228.

12. Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Маилян Л.Р., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Изучение характера механизма дрейфа компонентов бетонной смеси при производстве центрифугированных колонн вариатропной структуры на примере физической модели движения заполнителей // Строительство и архитектура (2017), Том 5, Выпуск 4 (17). С. 229-233.

13. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П. Оптимизация технологических параметров для изготовления центрифугированных бетонных образцов кольцевого сечения // Строительство и архитектура (2018), Том 6, Выпуск 1 (18). С. 247-252.

14. Anatoliy Shuisky, Sergey Stelmakh, Evgeniy Shcherban and Elena Torlina Recipe-technological aspects of improving the properties of non-autoclaved aerated concrete // MATEC Web of Conferences. ICMTMTE, 2017, Vol. 129 URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/pdf/2017/43/matecconf_icmtmte2017_05011.pdf.

15. Alexander Halyushev, Mikhail Holodnyak, and Muhuma Nazhuyev Effect of caustic soda on the intensity of gassing in the production of non-autoclaved aerated concrete // MATEC Web of Conferences. ICMTMTE, 2017, Vol. 129 URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/pdf/2017/43/matecconf_icmtmte2017_05012.pdf.

16. Романенко Е.Ю. Высокопрочные бетоны с минеральными пористыми и волокнистыми добавками для изготовления длинномерных центрифугированных конструкций: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1989. 179 с.

17. Петров В.П. Технология и свойства центрифугированного бетона с комбинированным заполнителем для стоек опор контактной сети: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1983. 175 с.

18. Маилян Д.Р., Несветаев Г.В., Халезин С.В., Горцевской А.А. Деформационные свойства и параметрические точки бетонов каркасной структуры // Инженерный вестник Дона, 2018, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4941.

19. Пантелеев Д.А. Полиармированные фибробетоны с использованием аморфнометаллической фибры: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Санкт-Петербург, 2016. 155 с.

20. Пухаренко Ю.В. Научные и практические основы формирования структуры и свойств фибробетонов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.05. Санкт-Петербург, 2005. 315 с.

21. Шпенёв А.Г. Влияние слабой границы раздела волокно/матрица на свойства волокнистого композита из хрупких компонентов: дис. ... канд. физ-мат наук: 01.02.04. Москва, 2008. 92 с.

Shcherban' Evgeniy Mikhaylovich

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia

E-mail: [email protected]

Stel'makh Sergey Anatol'evich