Міцність та деформативність конструкцій із цементно-зольного керамзитобетону

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 691.327:666.973.2:666.64-492.3:624.01

МІЦНІСТЬ ТА ДЕФОРМАТИВНІСТЬ КОНСТРУКЦІЙ ІЗ ЦЕМЕНТНО-ЗОЛЬНОГО КЕРАМЗИТОБЕТОНУ

05.23.01- будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

ЗІНЧЕНКО СВІТЛАНА ВАСИЛІВНА

Одеса 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури (ОДАБА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Столевич Анатолій Стоянович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій;

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Азізов Талят Нуредінович, Уманський державний педагогічний університет імені Павла Тичини, завідувач кафедри техніко-технологічних дисциплін;

кандидат технічних наук, доцент Хміль Роман Євгенович, Національний університет «Львівська політехніка», доцент кафедри будівельних конструкцій та мостів.

Захист відбудеться «21» вересня 2010р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01 при Одеській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4, ауд. 360.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

Автореферат розісланий « 1 » липня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 41.085.01

канд. техн. наук, доцент ________________В.М. Карпюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На півдні України та інших регіонах є великі поклади глин, придатних для виробництва керамзиту, а також низькоміцних вапняків-черепашників, при розробці яких утворюється значна кількість відходів у вигляді піску і щебеню. У цих умовах найбільш ефективним місцевим будівельним матеріалом є керамзитобетон, в якому в якості дрібного заповнювача використовується карбонатний пісок.

Широке використання легких бетонів, зокрема керамзитобетону, для створення несучих, огороджуючих і теплоізоляційних залізобетонних конструкцій пояснюється його високими конструктивними та фізико-механічними властивостями. У таких конструкціях досягається зниження власної ваги до 20-35%, що надає можливість збільшувати прольоти й розміри монтажних елементів, зменшувати витрати арматури.

Встановлено, що найбільш перспективним шляхом у вказаному напрямку є збільшення виробництва бетонних та залізобетонних виробів, а також конструкцій, зі зменшеною собівартістю, економією цементу з використанням відходів виробництва (золи-виносу ТЕС) - другорядної сировини, а також відходів камнепиляння - вапняків-черепашників.

Використання відходів виробництва у теперішній час набуває все більшого поширення. Проблема використання легких бетонів та конструкцій з них, зокрема керамзитобетонів на цементно-зольному в'яжучому, є досить актуальною задачею, оскільки передбачає економію сировинних ресурсів, цементу, утилізацію відходів виробництва та поліпшення стану навколишнього середовища.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетної теми кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій ОДАБА №0104U007342 «Дослідження напружено-деформованого стану і розрахунок елементів пошкоджених залізобетонних конструкцій» п.1.4. «Експериментальні та теоретичні дослідження фізико-механічних властивостей легких бетонів і конструкцій з них для житлового і цивільного будівництва».

Мета та задачі дослідження. Мета роботи - експериментально довести можливості використання цементно-зольного керамзитобетону на карбонатному піску у залізобетонних елементах та конструкціях, що згинаються, в тому числі попередньо напружених.

Для досягнення зазначеної мети поставлені наступні задачі:

- встановити вплив співвідношення компонентів керамзитобетону на цементно-зольному в'яжучому ймовірностно-статистичними методами на властивості бетону;

- отримати залежності, що дозволяють прогнозувати властивості міцності та деформативності цементно-зольного керамзитобетону залежно від складу;

- експериментально дослідити деформації розвитку усадки та повзучості цементно-зольного керамзитобетону;

- визначити величини коефіцієнту інтенсивності напружень для оцінювання тріщиностійкості керамзитобетону;

- отримати дані щодо сумісної роботи цементно-зольного керамзитобетону на карбонатному піску з арматурою періодичного профілю;

- дослідити несучу здатність, тріщиностійкість та деформативність залізобетонних елементів, конструкцій, що згинаються, із цементно-зольного керамзитобетону на карбонатному піску при короткочасній та довготривалій дії навантаження. керазитобетон цементний в'яжучий напруження

Об'єкт дослідження - бетонні та залізобетонні елементи і конструкції із цементно-зольного керамзитобетону на карбонатному піску, в тому числі попередньо напружені.

Предмет дослідження - несуча здатність та деформативність залізобетонних конструкцій, що згинаються, при короткочасній та довготривалій дії навантаження.

Методи дослідження: аналіз літературних джерел (для формулювання мети, задач роботи), експериментальні дослідження, обчислювальні методи статистичної обробки експериментальних даних з використанням програмного забезпечення системи «COMPEX», порівняльний аналіз отриманих розрахункових та експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

- обґрунтована можливість використання відходів промисловості, а саме золи ТЕС та відсіву карбонатних порід, у конструкційних легких бетонах;

- встановлено закономірності впливу чинників складу на характеристики міцності та деформативності керамзитобетону на карбонатному піску і цементно-зольному в'яжучому при короткочасній та тривалій дії навантаження;

- отримані дані щодо визначення характеристик зчеплення керамзитобетону на карбонатному піску і цементно-зольному в'яжучому з ненапруженою арматурою періодичного профілю;

- експериментальні дані щодо міцності, деформативності та тріщиностійкості елементів, що згинаються, при короткочасній та тривалій дії навантаження; надані рекомендації щодо їхнього використання у розрахунках.

Практичне значення отриманих результатів. Виконані дослідження дозволяють оцінити раціональну сферу застосування конструкцій з керамзитобетону на карбонатному піску і цементно-зольному в'яжучому, в тому числі попередньо напружених. Виявлена доцільність використання золи-виносу ТЕС для легких конструкційних бетонів і несучих конструкцій на їх основі. Отримані надійні статистичні залежності, які дозволяють прогнозувати властивості міцності та деформативності керамзитобетону на цементно-зольному в'яжучому та їх зміну в часі, що дає змогу точно оцінити роботу конструктивних елементів на основі такого бетону. Отримані значення міцності, деформативності та тріщиностійкості для оцінки несучої здатності та експлуатаційній придатності залізобетонних балкових конструкцій і попередньо напружених плит перекриття з цементно-зольного керамзитобетону. Результати виконаних експериментальних досліджень знайшли відображених у проектній практиці інституту ТОВ «БудНДІпроект», навчальному процесі ОДАБА при підготовці спеціалістів і магістрів, впроваджені при виготовленні конструкцій попередньо напружених плит перекриття на ЗЗБВ ТОВ «Куліндоровський індустріальний концерн» та в практику будівництва по вул. Кримський бульвар кут Затонського (ВКФ "Віта").

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є самостійно виконаною науковою роботою, в якій автором отримано:

- експериментально-статистичні моделі кубикової, призмової міцності, щільності, початкового модуля пружності, межі мікротріщиноутворення, граничного стискання бетону;

- результати досліджень: усадки та повзучості; зчеплення арматури з керамзитобетоном; міцності, тріщиностійкості та деформативності залізобетонних балок і попередньо напружених плит перекриття;

- експериментальні дані критичного коефіцієнту інтенсивності напружень керамзитобетону;

- лінійні залежності та пропозиції щодо визначення основних розрахункових параметрів дослідного бетону від узагальненого чинника складу і агрегатно-структурного чинника;

- розроблені рекомендації щодо урахування особливостей міцності та деформативності керамзитобетону на карбонатному піску та цементно-зольному в'яжучому при розрахунках конструкцій.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи і матеріали випробувань доповідалися та обговорювалися на регіональних науково-технічних конференціях Національного університету водного господарства та природокористування (м.Рівне - 2007р., 2008р.); на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Одеської державної академії будівництва та архітектури (м.Одеса - 2007…2009рр.); на конференції «Инженерные решения и инновации в строительстве и архитектуре» (м.Одеса, 2009р.); на третій всеукраїнській науково-технічній конференції «Сучасні технології бетону» (м.Київ, 2009р.); на конференції «Сучасні технології і методи розрахунків у будівництві» (м.Луцьк, 2009р.); на міжнародному форумі «Межрегиональные проблемы экологической безопасности» (м.Одеса, 2009р.); на II-му міжнародному симпозіумі «Проблемы современного бетона и железобетона» (г.Минск, 2009г.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 11 статей у фахових виданнях, внесених до переліку ВАК України (9 з них написані у співавторстві).

Обсяг роботи. Дисертація містить вступ, 4 розділи, висновки, список використаних джерел та три додатки. Робота виконана на 187 сторінках, у тому числі 127 сторінок основного тексту, 15 сторінок списку використаних джерел, 58 - рисунків, 34 - таблиці, а також додатків на 19 сторінках. Бібліографічний список нараховує 142 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність обраної теми дисертаційної роботи, сформульовані її мета та задачі досліджень, наведені основні наукові результати, їх практичне значення, дані про публікації та апробація дисертації.

У першому розділі наведений огляд літературних джерел, у яких викладені результати експериментальних досліджень легких бетонів і конструкцій на їх основі; наведені особливості керамзитобетону та бетонів з додаванням золи-виносу.

Проблемам дослідження конструкцій із бетонів на пористих заповнювачах та практичного їх використання в будівництві присвячені роботи І.Н. Ахвердова, А.Б. Ашрабова, А.І. Ваганова, О.О. Гвоздєва, Н.А. Корнєва, А.А. Кудрявцева, Г.Е. Колосова, А.П. Коровіна, А.І. Костюка, Г.П. Курасової, С.В. Макарова, Ю.Й. Мешкаускаса, В.В. Міхайлова, В.Н. Новікова, М.А. Попова, М.З. Симонова, А.С. Столевича, І.С. Столевича, В.Г. Суханова, Н.А. Цвяхова., Faust T., Held M. та ін.

До кількості фундаментальних досліджень зігнутих залізобетонних конструкцій за несучою здатністю, тріщиностійкістю та деформативністю відносяться роботи Т.Н. Азізова, Б.А. Аскарова, А.Б. Ашрабова, Є.М. Бабича, Ю.М. Баженова, А.М. Бамбури, К.І. Вілкова, К.П. Деллоса, В.Г. Довжика, В.С. Дорофєєва, Г.І. Горчакова, С.І. Іцковича, І.А. Іванова, К.С. Карапетяна, А.А. Кудрявцева, Ю.Й. Мешкаускаса, В.П. Петрова, А.Б. Пірадова, Ю.В. Постнікова, Н.Я. Співака, Р.Є. Хміля, А. Шорта, У.А. Ямлєєва, В.Н. Ярмаковського та ін.

Питання зменшення витрат цементу та заповнювачів в бетоні на сучасному етапі може бути зв'язане з використанням відходів різних виробництв та вторинної сировини, що забезпечується дослідженнями ряду вчених: Ю.М. Баженова, А.А. Байкова, В.Г. Батракова, П.П. Боженова, Г.С. Бурлакова, А.В. Волженського, С.А. Висоцького, Г.І. Горчакова, В.С. Горшкова, Л.Й. Дворкіна, О.Л. Дворкіна, О.Е. Манц, І.Г. Пресман, Mьeller H.S., Hoehnke Reinhard та ін.

Незважаючи на багаточисленні дослідження, до цього часу не вивчалися властивості конструкційного цементно-зольного керамзитобетону на карбонатному піску та роботи конструкцій на його основі Для оцінки міцності, деформативності та тріщиностійкості елементів, що згинаються. із керамзитобетону на цементно-зольному в'яжучому потрібно було б провести експериментальні дослідження для визначення необхідних значень для розрахунків та проектування конструкцій при короткочасній та довготривалій дії навантаження.

У другому розділі приведені характеристики вихідних матеріалів; фізико-механічні та хімічні властивості заповнювачів, цементу, золи-виносу; схеми та об'єм експериментальних досліджень елементів і конструкцій.

У дослідженнях використовували: керамзитовий гравій фракцій 5…10 і 10…20 у співвідношенні за об'ємами V_5-10/V_10-20 = 1,5 із глин Фонтанського родовища Одеської області; карбонатний пісок Орловського родовища Одеської обл.; портландцемент ВАТ “ЮГцемент” марки 400; золу-виносу Ладиженської ТЕС з питомою поверхнею S_y=3000 см²/г; хімічні домішки - суперпластифікатор С-3, який прийнятий 0,6% від ваги цементу; арматуру: 5 Вр-I, 10 А400С, 12А400С - для дослідних елементів балок, 14 А_т800 - для попередньо напружених плит перекриття.

Відповідно до поставлених задач об'єктами досліджень були:

- зразки розмірами 100х100х100мм та 100х100х400мм для визначення властивостей міцності та деформативності цементно-зольного керамзитобетону;

- деформації усадки та повзучості досдіжували на зразках-призмах розмірами 100х100х400мм, що витримувалися при t = 20 ± 2є та вологості повітря w = 65±5%;

- критичний коефіцієнт інтенсивності напружень визначали на зразках кубів та призм з надрізами;

- зчеплення цементно-зольного керамзитобетону з арматурою періодичного профілю досліджували на зразках-призмах - 100х100х300мм, при замонолічуванні у них стержнів діаметром 6, 12, 18мм із сталі класу А400С;

- для дослідження особливостей роботи залізобетонних балок при короткочасній та довготривалій дії навантаження, були виготовленні відповідно зразки розмірами 100х150х1200мм та 100х150х2200мм з відсотком армування м = 1,21% і м = 1,74%;

- для оцінювання несучої здатності, деформативності та тріщиностійкості випробувані зразки плит перекриття із керамзитобетону на карбонатному піску та цементно-зольному в'яжучому класом В15 розмірами 1,5х6,3м.

Загальний обсяг експерименту складав 351 кубів, 349 призм, 72 зразки з надрізами, 36 призм на зчеплення, 20 балок, 2 попередньо напружені плити перекриття.

Дослідні зразки та елементи випробовувалися у лабораторних та виробничих умовах відповідно до чинних державних стандартів. Після виготовлення зразки витримувалися 4 години та пропарювалися за режимом 3+7+2 години в пропарювальній камері ямного типу та універсальній камері КПУ-1. Температура ізотермічного прогріву складала 85±5°С.

Для одержання експериментальних даних щодо співвідношення компонентів керамзитобетону на карбонатному піску та цементно-зольному в'яжучому, був виконаний експеримент з використанням апарату математичного планування, розробленого д.т.н., проф. Вознесенським В.А. Вибраний повнофакторний експеримент близький до Д-оптимального трирівневий план типу В₄. Відповідно до результатів проведених досліджень були вибрані наступні чинники та їх інтервал:

х₁ - 300±50кг/м³, портландцемент ВАТ «ЮГ цемент» марка 400;

х₂ - 120±30кг/м³, зола-виносу Ладиженської ТЕС;

х₃ - 360±90кг/м³, карбонатний пісок;

х₄ - 700±150кг/м³, керамзитовий гравій.

За результатами реалізації експерименту та обробки даних отримано експериментально-статистичні (ЕС) моделі щільності (1) та міцності (2) при випробуванні зразків на 28 добу:

ln(с) = 7,363 + 0,034х₁ + 0,011х₁² + 0,004х₁х₂ - 0,003х₂х₃

+ 0,015х₂ - 0,015х₃² - 0,005х₁х₃

+ 0,097х₃ + 0,054х₄; (1)

ln(R₂₈) = 3,036 + 0,190х₁ - 0,049х₃² - 0,054х₁х₂ + 0,052х₂х₃

+ 0,088х₂ + 0,059х₄. (2)

Експериментально-статистичні моделі (1) і (2) побудовані за допомогою типової версії COMPEX-99, який реалізує послідовний регресійних аналіз з генеруючою похибкою експерименту s{T}=0,028 при б=0,022.

Застосування експериментально-статистичного моделювання для аналізу отриманих експериментальним шляхом даних дозволило виявити ступінь сумісного впливу цементу, золи-виносу, керамзиту та піску на щільність та міцність керамзитобетону (при рівні ризику 0,2).

ЕС-моделі (1) та (2) доцільні для проектування складів конструкційного цементно-зольного керамзитобетону на карбонатному піску міцністю 15,2…26,2МПа, щільністю 1400…1700 кг/м³.

У третьому розділі вивчені властивості цементно-зольного керамзитобетону на карбонатному піску та розроблені склади для виготовлення конструкцій на його основі.

Підбір складу керамзитобетону проводили методами математичного планування експерименту. Інтервали та рівні варіювання факторів представленні в таблиці 1.

Наведені характеристики цементно-зольного керамзитобетону, важливішими з яких є призмова міцність, початковий модуль пружності, усадка та повзучість. Отриманий керамзитобетон характеризується наступними даними: міцність бетону на стиск коливається в межах 14,6…27,1МПа; призмова міцність - 13,0…23,4МПа; коефіцієнт призмової міцності - 0,847…0,928; початковий модуль пружності - 10,44…14,83МПа; нижня межа мікротріщиноутворення (0,46…0,6)R_b, а верхня - (0,9…0,95)R_b.

В результаті статистичної обробки дослідних даних отримано ряд залежностей (3)…(14).

Таблиця 1

Рівні варіювання чинників

Чинники	Рівні варіювання	Інтервал зміни
натуральний вид	кодований вид	-1	0	+1	ДХ
Витрати цементно-зольного в'яжучого (Ц+З), кг/м3	Х1	340	420	500	±80
Агрегатно-структурний чинник r	Х2	0,4	0,5	0,6	±0,1
Вік бетону на моменту випробувань пп., 28, 115сут.	Х3	0,8451	1,4472	2,0493	±0,6021

За визначенними R_b(t), Е_b(t), R⁰_crc(t) та R^н_crc(t), е_bu(t) були побудовані експериментально-статистичні моделі впливу факторів складу на дані показники та прогнозування їх у часі:

ln(R_b)= 2,923+0,267х₁-0,09х₁²+0,056х₁х₂-0,142х₂+0,164х₃-0,081х₃²; (3)

ln(Е_b)= 2,584+0,137х₁-0,105х₁²+0,065х₁х₂-0,047х₂+0,110х₃-0,034х₃²; (4)

R⁰_crc = 0,500+0,021х₁+0,020х₁²-0,013х₂+0,022х₃-0,023х₂х₃; (5)

R^н_crc = 0,933+0,013х₁-0,017х₂+0,019х₃-0,008х₃²; (6)

ln(е_bu)·10^-5=5,796-0,048х₁-0,105х₁²-0,029х₁х₂+0,081х₂-

-0,040х₂²-0,078х₃-0,018х₂х₃. (7)

Для спрощення квадратичних рівнянь регресії встановлено, що випадкова величина узагальненого фактору складу х = (В/ЦЗ+r), підкоряється закону нормального розподілення. Позитивні результати перевірки нульової гіпотези про однорідність дисперсій величин R_(t), R_b(t), Е_b(t) і [(В/ЦЗ)+r] дозволили при рівній значимості б = 0,05 отримати лінійні рівняння регресії:

R₍₂₈₎ = 54,47 - 33,42[(В/ЦЗ) + r];???????? ? ?(8)

R_b(28) = 49,342 - 29,55[(В/ЦЗ) + r]; ??????? ?(9)

Е_b(28) = 47,70 - 29,13[(В/ЦЗ) + r]. ???????? (10)

Рівняння (8), (9) і (10) у віці t = 28 діб наведені в якості прикладу. Аналіз лінійних рівнянь (8)…(10) показав, що переважний вплив на R_b, Е_b, має цементно-зольне в'яжуче та агрегатно-структурний фактор r = М /(М+К).

Значення коефіцієнту призмової міцності ц_b для керамзитобетону на цементно-зольному в'яжучому на 11…19% перевищують відповідні значення СНиП 2.03.01-84*. Величини ц_b рекомендується визначати за формулою (11):

= 0,7308 + 0,017R - 0,0004R², ??????? ?(11)

де R - кубикова міцність керамзитобетону.

Порівняльний аналіз модулів пружності Е_b легких бетонів, регламентованих СНиП 2.03.01-84* і розрахованих за залежністю (11) вказує, що для керамзитобетону на карбонатному піску та цементно-зольному в'яжучому експериментальні значення Е_b перевищують в середньому на 7%.

Для визначення межі мікротріщиноутворення бетону, що досліджується, залежно від його міцності рекомендується використовувати вирази (12) і (13):

R⁰_crc/R = 0,2618 + 0,08731?g(R_b); (12)

R^н_crc/R = 0,7629 + 0,05891?g(R_b). (13)

Порівнюючи керамзитобетони на різних заповнювачах (рис.1), помітно збільшення параметричних точок R⁰_crc і R^v_crc для керамзитобетону на карбонатному піску більше, ніж на кварцовому, оскільки зчеплення пористих заповнювачів з цементним каменем вище, ніж звичайних бетонів.

Для описання залежностей найбільших деформацій стискання е_bu незалежно від віку керамзитобетону може бути використано рівняння виду:

е_bu = [159,89 + 136,64(В/ЦЗ) + r]·10^-5. ??? (14)

Деформації усадки цементно-зольного керамзитобетону на карбонатному піску досліджували на зразках нормального твердіння та після тепловологісної обробки міцністю у віці 28 діб - 16,4МПа, 20,7МПа, 26,6МПа. Відповідно деформації усадки дослідного бетону через 360 діб склали: для зразків після тепловологісного режиму проектної міцності 16,4МПа, 20,7МПа, 26,6МПа - 41,8·10^-5, 52,5·10^-5, 61,5·10^-5; для зразків нормального твердіння проектною міцністю 21,5МПа, 27,7МПа - 66,8·10^-5, 76,0·10^-5. Плавне затухання деформацій усадки керамзитобетону на цементному в'яжучому з додаванням золи-виносу складає 150-180діб. Усадка бетону нормального твердіння перевищує усадку зразків після тепловологісного режиму в середньому на 27% для міцності 16,4МПа та на 32% для 20,7МПа.

Рис. 1 Залежність верхньої (R^v_crc) та нижньої (R⁰_crc) межі мікротріщиноутворення від призмової міцності керамзитобетону: 1 - на карбонатному піску і цементно-зольному в'яжучому; 2 - на кварцовому піску та цементно-вапняно-зольному в'яжучому; 3 - на карбонатному піску і цементному в'яжучому

Спостереження за зміною деформацій повзучості в часі проводили протягом року. Повзучість бетону визначали на призмах, які були завантажені за допомогою пружинних установок з напруженням 0,4 та 0,6 від призмової міцності. Деформації повзучості на кінець терміну випробувань склали при напруженнях з = 0,4 - (40,52…65,15)10^-5 та при з = 0,6 - (67,84…97,2)10^-5.

Деформації повзучості керамзитобетону нелінійно залежать від напружень навіть при низьких рівнях (t₀), хоча ступінь нелінійності різний для різних складів бетону. Через 150-200діб після навантаження нелінійність деформацій повзучості стабілізується, криві С(t,,) стають, практично, паралельними, приріст деформацій повзучості починає лінійно залежати від напружень. Встановлено, що характеристика нелінійності f_с статистично значимо залежить від складу керамзитобетону, рівня діючих напружень і не залежить від віку бетону до моменту завантаження.

Для оцінки тріщиностійкості керамзитобетону були проведені дослідження зразків кубів та призм з надрізами, щодо визначення критичного коефіцієнту інтенсивності напружень К_Iс. Значення К_Iс для кубів з надрізами на позацентровий стиск склали 0,0511…0,1367 МН/м^3/2, для балочних зразків з надрізами за триточковою схемою - 0,1208…0,2559 МН/м^3/2.

Аналіз результатів виявив: використання суперпластифікатару С-3 приводить до ущільнення структури та підвищення тріщиностійкості на 22…39%; при введені до складу пористого піску замість щільного - тріщиностійкість збільшується на 20%.

Четвертий розділ присвячений вивченню сумісної роботи арматури з бетоном та роботі зігнутих залізобетонних елементів, конструкцій на основі цементно-зольного керамзитобетону, в тому числі попередньо напружених.

Дослідження зчеплення арматури з бетоном проводилось шляхом висмикування стержня з бетонних призм. Результати випробувань показали, що:

- для різних довжин заглиблення ?_анк. = 7(6), 14(12) і 21(18) см, (,мм) приріст _зч. різний (рис.2.) і зменшується із збільшенням довжини заглиблення в середньому на 22% для пропареного керамзитобетону, та на 30% для бетону природнього твердіння;

- із збільшенням міцності керамзитобетону природного твердіння напруження ₀ збільшується, у середньому, на 32 %, а пропареного - на 29% (рис.2);

- за середніми значеннями _зч./R визначена лінійна залежність виду:

- для бетону після тепловологісної обробки:

^п_зч./R = 0,618 - 0,01062R; (14)

- для бетону природного твердіння:

^н_зч./R = 0,613 - 0,012R. ?? ? ?(15)

Рис. 2 Залежність _зч.= f(R, ?_анк) та =f(R, ?_анк) для керамзитобетону на карбонатному піску і цементно-зольному в'яжучому: ^_______ природного твердіння, - - - - - тепловологісного твердіння.

Випробування дослідних елементів - балок при короткочасному завантажені проводили в віці 1105 діб з метою визначення їхньої несучої здатності, тріщиностійкості та деформативності.

При випробуванні були отримані дослідні дані, які дозволяють оцінити параметри , _b, , _bm, прийняті у СНиП 2.03.01-84* для розрахунку елементів, що згинаються.

Короткочасні випробування проводились на зразках чотирьох серій: класу В15: = 1,21% (I серія), = 1,74% (II серія); класу В20: = 1,21% (III серія), = 1,74% (IV серія). Склади керамзитобетону на карбонатному піску та цементно-зольному в'яжучому використані при проектуванні конструкцій наведені в табл.2. Аналіз експериментальних даних показав, що значення коефіцієнту, який враховує нерівномірність розподілення деформацій крайнього стиснутого волокна бетону _b по довжині ділянки з тріщинами, знаходиться в інтервалі 0,8…0,93, що менше нормованої величини, рівної 0,9. Це призводить до завищення розрахункового прогину дослідних зразків-балок.

Таблиця 2

Витрати матеріалів на 1м³ бетону

Проектна міцність бетону, МПа	Витрати матеріалів на 1 м3 керамзитобетону	Кубикова міцність R(пп), МПа
	Ц, кг/м3	З, кг/м3	К, кг/м3	П, кг/м3	В, л
20	300	120	430	725	225	17,6
25	350	150	505	540	245	21,2

Кореляційний аналіз дозволив встановити, що між _b і М/М⁰_u існує досить тісний лінійний зв'язок, виражений рівнянням регресії (16):

_b = 0,8902 + 0,0153 М/М⁰_u. ? ???????????????(16)

При експлуатаційних навантаженнях _b=0,9, що узгоджується з чинними нормами.

У розрахунках елементів, що згинаються з цементно-зольного керамзитобетону, значення коефіцієнту , яке характеризує пружно - пластичний стан бетону стиснутої зони бетону рекомендується приймати таким, як і для інших видів бетону, тобто = 0,45.

Дослідні значення деформацій стиснутої зони ⁰_bm добре узгоджуються з розрахунковими ^т_bm. Середні значення відношення ⁰_bm/^т_bm для балок I і II серії відповідно дорівнюють 1,01…1,05. Проведеними дослідами встановлено значеня ⁰_bm збільшується зі зростанням кількості робочої арматури.

При збільшенні відсотка армування = 1,21% (I серія) до = 1,74% (II серія) деформації бетону стисненої зони зростають, у середньому в 1,3 рази. Значення відносної висоти стиснутої зони у перерізах над тріщинами є постійним на всьому діапазоні балок. Відсоток армування =1,21% (I серія) до = 1,74% в усіх серіях дослідних балок викликає зростання висоти стиснутої зони, в середньому в 1,4 раза.

Збільшення середніх відносних деформацій крайнього стиснутого волокна нормального перерізу та розтягнутої арматури пов'язано з появою перших тріщин в елементі. До появи цих тріщин збільшення деформацій розтягнутої арматури і бетону стиснутої зони близьке між собою. В межах подальшого росту навантаження, а особливо після появи тріщин в розтягнутій зоні, інтенсивність збільшення деформацій розтягнутої арматури, а також стиснутого бетону зростає.

За статичного навантаження дослідних зразків перші нормальні тріщини з'явилися в зоні чистого згину при навантаженнях, що складали для балок з відсотком армування = 1,25% - 0,23М⁰_u, з = 1,75% - 0,21М⁰_u. Ширина розкриття тріщин в зоні чистого згину балок при експлуатаційному навантаженні знаходилась в межах 0,08…0,14мм, збільшувалась зі зменшенням відсотка армування. При цьому навантаженні її найбільше значення а_сrс = 0,2мм було виявлено в балках I серії.

Експериментальні значення моментів тріщиноутворення (7,08кНм…9,98кНм) перевищили теоретичні на 6,7%. Експериментальна величина а_сrс для нормального перерізу за експлуатаційного навантаження менше ніж дані СНиП 2.03.01-84* для цементно-зольного керамзитобетону. Таким чином, порівняльний аналіз дослідних та розрахункових величин ширини розкриття тріщин дозволяє оцінити розрахункову ширину розкриття тріщин з достатнім степенем надійності.

Дослідні прогини балок розмірами 100х150х1200мм при дії експлуатаційних навантажень досягли величини 4…6мм (рис.3), а їх відношення до теоретичних f ⁰/f ^т = 1,02 для балок I серії, f ⁰/f ^т = 1,0 для балок II серії, f ⁰/f ^т = 1,06 для балок III серії, f ⁰/f ^т = 1,03 для балок IV серії.

Теоретичні значення прогинів балок усіх серій з урахуванням величин дослідних коефіцієнтів ш_b і ш_sm, мають незначні відхилення від експериментальних. Це пов'язано з тим, щодо розрахункової формулу включена жорсткість елементу, яка відноситься до перерізу з найбільшим згинальним моментом, тобто до перерізу з тріщинами.

Випробування дослідних балок розмірами 100х150х2200мм за довготривалої дії навантаження проводили у віці 282 доби міцністю R₍₂₈₎ = 18,1МПа з відсотком армування м = 1,21% (I серія) і м = 1,74% (II серія), відповідно, при рівнях завантаження 0,5 та 0,7 від руйнівного навантаження. Для порівняння отриманих результатів випробували балки з R₍₂₈₎ = 23,1МПа та м = 1,21% за довготривалої дії навантаження, що складає 0,5 від руйнівного. Зразки перебували під навантаженням 360 діб в приміщенні з вологістю 70±15% і температурою t = 19±3%.

Рис. 3 Залежність прогинів від відносних моментів у керамзитобетонних балках за короткочасної дії навантаження, БК-I-2 при R_b = 18,1МПа і м = 1,74%; БК-II-1 R_b = 18,1МПа і м = 1,21%; БК-III-2 R_b = 23,1МПа і м = 1,21%

Розвиток деформацій бетону і арматури балок, що досліджувались, супроводжувався збільшенням висоти стиснутої зони бетону (t,t₀). Інтенсивність зростання (t, t₀) у часі практично не залежить від кількості поздовжньої (робочої) арматури.

Прогини балок інтенсивно розвивалися в перші 120…150діб після їх завантаження і до віку 300 діб помітно стабілізувалися. Відносне зростання прогинів до віку t - t₀ = 360 діб за відношенням до первинних (рис.4) склало для балок III серії ( = 1,25%) - 0,54, а для балок I та II серії ( = 1,25%; 1,75%) - 0,71…0,75. При експлуатаційному навантаженні прогини знаходились в межах (1/152…1/165)?, що не перевищує нормативної величини відносного прогину 1/150?.

Зростання ширини розкриття тріщин в балках під дією тривалого навантаження, близького до експлуатаційного, спостерігалося у перші 60… 100 діб, після чого а_сrс(t, t₀) до віку (t, t₀) = 360 діб залишалася, практично, незмінними. Дослідні значення а_crc(t, t₀) в балках за період тривалої дії навантаження збільшилися у порівнянні з початковими а_сrс(t₀), у середньому, в 1,22 рази (I серія) і 1,18 раз (II серія).

Рис. 4 Прогини балок за довготривалої дії навантаження: а) I та III серій; б) II серія

На характеристики міцності та деформативності елементів, що згинаються, з керамзитобетону на цементно-зольному в'яжучому за тривалої дії навантаження суттєво впливає коефіцієнт армування, рівень та тривалість витримки під навантаженням.

Порівняння експериментальних та теоретичних руйнівних моментів за короткочасної і довготривалої дії навантаження показує позитивну збіжність результатів. Розрахунок несучої здатності, тріщиностійкості та деформативності елементів, що згинаються із цементно-зольного керамзитобетону на карбонатному піску рекомендується проводити по СНиП 2.03.01-84*, використовуючи уточненні значення розрахункових параметрів R_b, R_bt, R_bser, R_btser, E_b, ц_b, _s? і _р?.

На заводі ТОВ "Кулиндоровський індустріальний концерн" (м.Одеса), на основі типової серії 1.141-1, вип.63 були виготовлені дослідні зразки попередньо напружених круглопорожнистих плит перекриття ПК 63.15-8А_т800 із цементно-зольного керамзитобетону на карбонатному піску під навантаження 800 кгс/м².

Величина попереднього напруження прийнята з позицій тріщиностійкості у_sp = 550МПа. Міцність бетону на стиск R₂₈=20,7МПа, початковий модуль пружності E_b = 13480МПа, середня щільність 1570 кг/м³. Витрати матеріалів наведені в табл. 2. Робоча арматура діаметром 14мм, натяг виконували електротермічним способом. Втрати попереднього напруження визначали за “Рекомендациями по учету потерь предварительного напряжения от усадки и ползучести керамзитобетона на карбонатном песке: НИЛЭП ОИСИ. - М. Стройиздат, 1987. - 103 с.” з урахуванням дослідних даних величин деформацій усадки та повзучості керамзитобетону на цементно-зольному в'яжучому.

Зразки плит випробовували на 28…32. Результати показали, що відношення дослідного руйнівного моменту М^о_р до теоретичного М^т знаходиться в межах М^о_р/М^т_р =1,03…1,08.

Розрахункові значення міцності q^т_р перевищують проектні значення q^пр_р на 8…18%. Тріщиностійкість забезпечена, тому що від дії нормативного навантаження максимальна ширина розкриття тріщин склала 0,05…0,1мм, що не перевищує контрольне значення а_сrс =0,25мм.

Жорсткість також забезпечена, тому що прогини плит за нормативного навантаження склали ѓ_факт = 1,85см і ѓ_факт =1,62см. Відповідно до СНиП 2.03.01-84* граничний прогин плити ѓ_u = 628/200 = 3,14см > ѓ_факт, тобто відповідає вимогам проектування несучих конструкцій при розрахунку за другою групою граничних станів.

Результати випробування плит:

співвідношення дослідних та розрахункових руйнівних навантажень, навантажень тріщиноутворення та прогинів складає:

q / q^T_p = 1,08; q / q = 1,02 та f^о / f^т = 0,87.

ВИСНОВКИ

1. В результаті проведених досліджень отримано конструкційний керамзитобетон на карбонатному піску і цементно-зольному в'яжучому міцністю 15,2…27,1МПа, середньою щільністю 1400…1700кг/м³, при заміні частини цементу золою ТЕС в межах 20-35%.

2. Межа мікротріщиноутворення бетону, що досліджується, перевищує в 1,03…1,06 рази значення межі мікротріщиноутворення керамзитобетону на кварцовому піску. Міцність на стиск знаходитися в межах (253…340)·10^-5, що на 8…14% вище за керамзитобетон на кварцовому піску. Встановлено, що тріщиностійкість керамзитобетону на пористому піску збільшується на 20%, а при використанні домішки С-3 - на 22…39%. Отримані експериментальні значення _s? і _р? для бетону, що досліджується. Це дозволяє визначити величини втрат попередньої напруги від цих параметрів за методикою викладеною СНиП 2.03.01-84*.

3. Зчеплення бетону, що досліджується, з арматурою періодичного профілю має достатню величину, що забезпечує сумісну роботу арматури з бетоном.

4. Встановлено, що в залізобетонних елементах, що згинаються, з керамзитобетону на цементно-зольному в'яжучому довжиною 1,2м при короткочасній дії навантаження дослідні значення моментів тріщиноутворення на 1,68…6,7% перевищують теоретичні; максимальна ширина розкриття тріщин склала 0,2мм; прогини за експлуатаційного навантаження (0,625М_u^о) досягли 4…6мм. Прогини за довготривалої дії навантаження для балок довжиною 2,2м збільшилися на 4,1…8,5мм від початкового завантаження і знаходяться в межах (1/152…1/165)?, ширина розкриття тріщин не перевищила 0,25мм.

5. За короткочасного випробування попередньо напружених багатопустотних плит перекриття дослідні значення прогинів нижче за нормативні на 30%, ширина розкриття тріщин склала 0,05…0,1мм, що менше ніж a^к_crc = 0,25мм.

6. Розрахунок несучої здатності, тріщиностійкості та деформативності елементів, що згинаються з керамзитобетону на карбонатному піску і цементно-зольному в'яжучому рекомендується проводити за методикою СНиП 2.03.01-84*, використовуючи уточнені значення розрахункових параметрів R_b, R_bt, R_bser, R_btser, E_b, ц_b, _s? і _р?.

7. Випробування попередньо напружених плит перекриття довжиною 6,3 м із керамзитобетону на цементно-зольному в'яжучому показали, що вони задовольняють вимогам чинних норм відносно їх міцності, тріщиностійкості та деформативності.

На підставі проведених досліджень можна рекомендувати бетонні, залізобетонні елементи, що згинаються, і конструкції, у тому числі попередньо напружені із цементно-зольного керамзитобетону для використання при зведенні житлових та цивільних будівель.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Камаль М.Р. Мадии. Исследование и анализ влияния рецептурно-технологических факторов на прочность керамзитобетона на кварцевом песке / Камаль М.Р. Мадии, С.В. Зинченко, С.В. Макаров, А.С. Столевич // Ресурсоекономічні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: збірник наук. праць. Рівне, НУВГП, 2007. №15. С. 65-70. (Внесок здобувача: графічний аналіз впливу рецептурно-технологічних факторів на міцність та щільність керамзитобетону на кварцовому піску).

2. Зинченко С.В. Параметры механики разрушения для оценки трещиностойкости керамзитобетона / С.В. Зинченко // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Одеса Зовнішрекламсервіс, 2007. №26. С. 148-153.

3. Столевич А.С. Влияние факторов состава и возраста керамзитобетона на предельную сжимаемость / А.С. Столевич, Камаль М.Р. Мади, С.А. Кравченко, С.В. Зинченко, С.В. Птюшкин // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Одеса Зовнішрекламсервіс, 2007. №28. С. 333-339. (Внесок здобувача: отримані розрахункові залежності початкового модуля пружності бетону від чинників складу бетону та зроблено графічний аналіз впливу узагальненого чинника складу на граничну деформацію стиску).

4. Дорофеев В.С. Влияние факторов состава керамзитобетона на карбонатном песке и цементно-зольном вяжущем / В.С. Дорофеев, И.А. Столевич, С.В. Зинченко, А.С. Столевич // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Одеса Зовнішрекламсервіс, 2008. №30. С. 94-99. (Внесок здобувача: отримані квадратичні та лінійні рівняння регресії властивостей міцності та деформативності цементно-зольного керамзитобетону).

5. Дорофеев В.С. Исследования керамзитобетона на карбонатном песке и цементно-зольном вяжущем / В.С. Дорофеев, С.В. Зинченко, Е.С. Луцкин, А.С. Столевич // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Одеса Зовнішрекламсервіс, 2008. №32. С. 118-123. (Внесок здобувача: отримані результати експериментальних досліджень з вибору складів керамзитобетону на цементно-зольному в'яжучому та їх аналіз).

6. Зінченко С.В. Вплив чинників складу на деформативні властивості керамзитобетону на карбонатному піску та цементно-зольному в'яжучому / С.В. Зінченко, А.С. Столевич, Є.С. Луцкін, І.А. Столевич // Ресурсоекономічні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: збірник наук. праць. Рівне, НУВГП, 2009. №18. С. 24-29. (Внесок здобувача: приведення результатів експериментальних досліджень впливу цементно-зольного в'яжучого, агрегатно-структурного фактору та віку на призмову міцність, модуль пружності, межу мікротріщиноутворення, деформації стиску).

7. Зинченко С.В. Прочностные и деформативные характеристики конструкционного керамзитобетона на цементно-зольном вяжущем / С.В. Зинченко, А.С. Столевич, Е.С. Луцкин // Будівельні конструкції: Міжвід. наук.-техн. зб. наук. праць: статті / НДІБК. 2009. №72. С. 223-231. (Внесок здобувача: отримані розрахункові залежності та графічні інтерпретації математичних моделей щільності, кубикової та призмової міцності, початкового модуля пружності, межі мікротріщиноутворення, граничної деформації стиску залежно від чинників складу).

8. Дорофеев В.С. Исследования усадки и ползучести керамзитобетона на цементно-зольном вяжущем / В.С. Дорофеев, С.В. Зинченко, Е.С. Луцкин, А.С. Столевич // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Вип. № 33. Одеса Зовнішрекламсервіс, 2009. С. 207-213. (Внесок здобувача: отримані експериментальні результати деформацій усадки і повзучості та пропозиції щодо їх урахування при розрахунку попередньо напружених плит).

9. Дорофеев В.С. Влияние факторов состава на физико-механические свойства керамзитобетона на многокомпонентном вяжущем / Дорофеев В.С., Столевич И.А., Зинченко С.В., Кравченко С.А., Столевич А.С. // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Одеса Зовнішрекламсервіс, 2009. №34. С. 92-102. (Внесок здобувача: графічний аналіз впливу чинників складу на щільність, кубикову та призмову міцність, початковий модуль пружності, межі мікротріщиноутворення, граничну деформацію стиску).

10. Зинченко С.В. Керамзитобетон на цементно-зольном вяжущем / С.В. Зінченко // Ресурсоекономічні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: збірник наук. праць. Рівне, НУВГП, 2009. №19. С. 30-35.

11. Зинченко С.В. Легкие бетоны на пористых заполнителях для конструкций / С.В. Зинченко, И.А. Столевич, А.С. Столевич, В.С. Дорофеев // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Одеса Зовнішрекламсервіс, 2009. №36. С. 179-186. (Внесок здобувача: розроблені склади керамзитобетону на цементно-зольному в'яжучому та надані результати експериментальних випробувань елементів, що згинаються).

АНОТАЦІЯ

Зінченко С.В. Міцність та деформативність конструкцій із цементно-зольного керамзитобетону. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Одеська державна академія будівництва та архітектури, Одеса, 2010р.

Дисертація присвячена дослідженню основних властивостей міцності та деформативності цементно-зольного керамзитобетону, та дослідженню міцності, тріщиностійкості і деформативності залізобетонних елементів, що згинаються, в тому числі попередньо напружених конструкцій на його основі.

Запропоновані залежності призмової міцності, початкового модуля пружності, межі мікротріщиноутворення, граничною стиснення бетону (R_b(t), Е_b(t), R⁰_crc(t) і R^н_crc(t), е_bu(t)) від чинників складу, що виражені за допомогою наведених поліномів другого ступеню та лінійних рівнянь від узагальненого чинника складу.

Експериментально досліджені та обґрунтовані дані міцності, деформативності, тріщиностійкості залізобетонних балок за короткочасної та довготривалої дії навантаження та зразків попередньо напружених плит перекриття із керамзитобетону на цементно-зольному в'яжучому.

Ключові слова: керамзитобетон, цементно-зольне в'яжуче, зігнуті елементи, несуча здатність, тріщиностійкість, деформативність, міцність.

АННОТАЦИЯ

Зинченко С.В. Прочность и деформативность конструкций из цементно-зольного керамзитобетона.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - "строительные конструкции, здания и сооружения". - Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса, 2010г.

Диссертация посвящена экспериментальным исследованиям изгибаемых элементов из цементно-зольного керамзитобетона, в том числе и предварительно напряженных.

Введение содержит обоснование актуальности темы, сформулированы научная новизна и задачи исследований, показано их практическое значение в области строительства, дана общая характеристика работы.

В первом разделе выполнен обзор и анализ современного состояния исследований свойств легких бетонов и конструкций из них, в том числе с использованием местных материалов.

Второй раздел содержит характеристики применяемых материалов, приведены опытные образцы, элементы и конструкции, их размеры и изготовление. Представлены схемы испытаний и армирования образцов, объем эксперимента, методика проведения эксперимента с использованием математико-статистических методов в исследовании и анализе результатов, подбора составов цементно-зольного керамзитобетона на карбонатном песке.

В третьем разделе приведены результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативных свойств керамзитобетона на цементно-зольном вяжущем при нагрузках различной длительности и интенсивности во времени.

В экспериментальных исследованиях, проводимых по методике планированного эксперимента, в качестве основных контролируемых параметров, были выбраны: R_(t); R _b(t), E_b(t), R^o_crc, R^v_crc, е_bu в возрасте после пропарки, 28, 115 суток. Приведены результаты исследований усадки _s? и ползучести _р?, которые изучались в течение года, значения критического коэффициента интенсивности напряжений для оценки трещиностойкости керамзитобетона.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований трех серий образцов: на сцепление арматуры периодического профиля с керамзитобетоном на цементно-зольном вяжущем, изгибаемых элементов - железобетонных балок с процентом армирования м = 1,21% и м = 1,74% при кратковременной и длительно действующей нагрузке, предварительно напряженных плит перекрытия. Предложены рекомендации по их расчету.

Испытания железобетонных балок статической кратковременной и длительной нагрузкой проводились по схеме однопролетной шарнирно опертой балки в зоне чистого изгиба. Разрушение опытных балок и плит перекрытия происходило по нормальным сечениям в результате дробления сжатой зоны при одновременном достижении арматурой предела текучести. Исследования напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов показали, что они удовлетворяют всем требованиям (по прочности, трещиностойкости, деформативности), предъявляемым к конструкциям.

Расчет несущей способности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых элементов, конструкций из керамзитобетона на карбонатном песке и цементно-зольном вяжущем рекомендуется проводить по методике СНиП 2.03.01-84^*, используя уточненные значения расчетных параметров R_b, R_bt, R_bser, R_btser, E_b, ц_b, _s, _sс.

Ключевые слова: керамзитобетон, цементно-зольное вяжущее, изгибаемые элементы, несущая способность, трещиностойкость, деформативность, прочность.

SUMMARY

Zinchenko S.V. “Strength and Deformations of constructions from cement-ash ceramsite concrete “. - Manuscript.

Dissertation for obtaining a scientific degree of the candidate of engineering sciences on a speciality 05.23.01 - building constructions, building and structures. - The Odessa State Academy of Building and Architecture, Odessa, 2010.

...