Конструктивные пено- и фибропенобетоны на воде с пониженной температурой затворения

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Конструктивные пено - и фибропенобетоны на воде с пониженной температурой затворения

Л. Р. Маилян, А. Л. Маилян (РГСУ, г. Ростов-на-Дону)

К. В. Макарычев (ВГАСУ, г. Воронеж)

Введение

В [1] выявлено, что применение в пено- и фибропенобетонах воды затворения пониженной температуры благотворно сказывается на их прочности на сжатие и сделана попытка объяснить качественно физическую природу явления и изменение прочности.

В цели настоящего исследования входит изучение свойств пено- и фибропенобетона на воде затворения пониженной температуры как конструкционного материала, в частности его прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования «напряжения-деформации» как при сжатии, так и при растяжении, как основных параметров, используемых для расчета и проектирования строительных конструкций.

1. Общие положения

Известно, что вода в диапазоне температур 0…+4°C имеет наиболее упорядоченную структуру, характеризующуюся максимальной плотностью (рис.1). Нагревание воды свыше +4°С способствует активизации теплового движения молекул, уменьшает их упорядоченность в объеме и ведет к уменьшению плотности [2].

Рис. 1 Зависимость плотности воды от температуры [2]

Из этого и вытекает задача исследования конструктивных свойств пено- и фибропенобетона на воде пониженной температуры, соответствующей ее максимальной плотности.

2. Влияние температуры воды на конструктивные свойства и диаграммы деформирования пено- и фибробетонов изучалось на испытаниях на осевое сжатие и осевое растяжение 96 опытных образцов из пено- и фибропенобетона.

В опытах варьировались:

- вид бетона - пенобетон, фибропенобетон;

- температура воды затворения t°- +4°С, +20°С, +37°С;

- вид напряженно-деформированного состояния - осевое сжатие, осевое растяжение;

- виды образцов - призмы 10х10х40см, восьмерки 10х10х70см;

- возраст бетона t - 7, 28, 90, 365 суток.

В качестве фибр применялись волокна из полипропилена, процент фибрового армирования был постоянным и равным 4%.

Испытания опытных образцов проводили, дублируя их - с постоянной скоростью нагружения и с постоянной скоростью деформирования.

За отправную точку принимались показатели пено- и фибропенобетона с t°=+20°С.

Сравнение макроструктуры пено- и фибропенобетонов на воде затворения с температурой +4°С, +20°С и +37°C показало, что при прочих равных условиях у пено- и фибропенобетонов на воде +4°C размер пор ощутимо меньше, чем на воде +20°C и форма пор близка к круглой, в то время как у пено- и фибропенобетонов на воде +37°C размер пор заметно крупнее и форма их эллиптическая, что хорошо корреспондируется с [1].

Меньший размер пор у пено- и фибропенобетонов на воде затворения с температурой +4°C приводит и к их лучшим конструктивным характеристикам.

Прочность на сжатие R_b (табл. 1,2) у пенобетонов на воде с t°=+4єС в возрасте 7 суток была на 8,1% больше, чем у пенобетонов на воде с t°=+20°C и на 13,51% больше, чем у пенобетонов на воде с t°=+37°C, прочность которых, в свою очередь, была ниже на 5,41%, чем у пенобетонов на воде с t°=+20°C. К 28 суткам эта разница составила соответственно 10,87; 19,57 и -8,7%, к 90 суткам - 12,28; 22,81 и -10,53% соответственно и на 365 сутки - 12,5; 24,17 и -11,67% соответственно.

Еще в большей степени выявленный эффект заметен в прочности на сжатие фибробетонов (табл.1,2).

Таблица 1

Влияние температуры воды затворения на прочность на осевое сжатие и осевое растяжение пено- (числитель) и фибропенобетонов (знаменатель)

Таблица 2

Отклонения прочности пено- и фибропенобетонов при температурах воды затворения +4єС и +37єС на осевое сжатие (числитель) и осевое растяжение (знаменатель) от их прочности при температуре +20єС

Прочность на растяжение R_bt (табл. 1,2) у пенобетонов на воде с t°=+4єС в 7 суток была на 12% больше, чем на воде с t°=+20°C и на 20% больше, чем на воде с t°=+37°C, прочность которых, в свою очередь, была ниже на 8%, чем на воде с t°=+20°C. В 28 суток эта разница составила соответственно 15,52; 27,06 и -11,54%, в 90 суток - 20,21; 34,04 и -13,83% соответственно и в 365 суток - 22,88; 38,13 и -15,25% соответственно.

Еще больше этот эффект повышения прочности на растяжение у фибробетонов (см.таблицы 1,2).

Причиной повышения прочности на сжатие и на растяжение пенобетонов, приготовленных при t°=+4єС по сравнению с пенобетонами, приготовленными при температурах t°=+20єС и +37єС, являлось ускоренное кластерообразование, вызванное пониженной температурой воды затворения [3]. Причиной же повышенного по сравнению с пенобетонами прироста прочности фибропенобетонов при сжатии и при растяжении - при температуре +4єС по сравнению с фибробетонами при температуре +20°C - являлось ускоренное кластерообразование, вызванное не только пониженной температурой воды затворения, но еще и фибрами. То есть совмещение двух причин - пониженной температуры воды затворения и фибрового армирования - привело к синергетическому эффекту и конечный результат усилился.

Так, однако, не произошло в фибропенобетонах при температуре +37°C - там повышенная температура привела к замедленному кластерообразованию, а фибровое армирование - к повышенному, и суммарный эффект снизился.

Отметим также, что как пено-, так и фибропенобетоны на воде затворения с t°=+4єС продолжали набирать прочность при сжатии и растяжении в течение 365 суток, что объясняется продолжением процессов гидратации в цементном камне в течение всего этого периода. В то же время прочность пено- и фибропенобетонов на воде затворения с t°=+20°C и t°=+37°C после 90 суток изменялась незначительно.

Предельные деформации (соответствующие максимальной прочности) пенобетонов с различной температурой воды затворения как при осевом сжатии е_bR, так и при осевом растяжении е_btR, демонстрировали обратную картину - при понижении температуры воды затворения они снижались, при ее повышении - росли во все контрольные сроки твердения (рис.2).

При 7 сутках предельные деформации при сжатии у пенобетонов на воде с t°=+4єС были на 10,1% меньше, чем у пенобетонов на воде с t°=+20°C и на 22,5% меньше, чем у пенобетонов на воде с t°=+37°C, предельные деформации которых, в свою очередь, были выше на 11,4%, чем у пенобетонов на воде с t°=+20°C. К 28 суткам эта разница составила 14,8; 29,7 и -14,9%, к 90 суткам - 18,2; 34,7 и -16,5% и на 365 сутки - 20,5; 39,1 и -18,6% соответственно.

А вот в фибробетонах такого выраженного эффекта не наблюдалось. В них на воде с t°=+4єС в возрасте 7 суток предельные деформации были практически те же - на 3,2% больше, чем у фибропенобетонов на воде с t°=+20°C, но на 14,5% меньше, чем у фибропенобетонов на воде с t°=+37°C, предельные деформации которых, в свою очередь, была больше на 11,3%, чем у фибропенобетонов на воде с t°=+20°C.

Отклонения предельных деформаций сохраняют те же тенденции и в другие сроки - так, у фибропенобетонов на воде +4єС, +20°C и +37°C они достигают в 28 суток соответственно 4,8; 13,5 и 8,7%, в 90 суток - 5,8; 17,8 и 12%, а на 365 сутки - 7,1; 20,6 и 13,5%.

Указанные тенденции, характерны и для предельных деформаций пено- и фибропенобенов при осевом растяжении.

Дело в том, что в пенобетонах с t°=+4єС ускоренное по сравнению с другими температурами воды затворения структурообразование приводит с одной стороны - к росту прочности, а с другой - к снижению деформативности вследствие более упругих и жестких внутренних связей. А в фибробетонах с t°=+4єС ускоренное структурообразование приводит с одной стороны - к усилению роста прочности благодаря деформативности, так как пониженная температура воды затворения повышает жесткость структуры, а синтетические фибры, наоборот, снижают ее, повышая пластические свойства и нивелируя этим общий эффект.

Начальный модуль упругости при сжатии и растяжении у пенобетонов с t°=+4єС практически во все сроки твердения был одинаков и до 9,8% выше, чем у пенобетонов с t°= +20°C и еще на 4,9% выше, чем у пенобетонов на воде с t°=+37°C. Похожая картина наблю-

а)

б)

Рис. 2 Зависимость изменения предельных деформаций при сжатии (а) и растяжении (б) у пенобетонов (----) и фибропенобетонов (----)от температуры воды затворения в различном возрасте далась и у фибропенобетонов - там отклонения были соответственно 9,1 и 4,2%

Но если у пенобетонов повышение начального модуля упругости объяснялось повышением прочности и уменьшением предельных деформаций, что смещало вверх и влево максимум на диаграмме «напряжения-деформации», то у фибропенобетонов большее, чем у пенобетонов, повышение прочности компенсировало немного повысившиеся предельные деформации и смещало сильнее вверх и чуть вправо максимум на диаграмме «напряжения-деформации», приводя почти к такой же величине начального модуля упругости.

Диаграммы деформирования «напряжения-деформации» - для пенобетонов при сжатии и при растяжении при t°=+4єС по сравнению с диаграммами при t°=+20єС, принятой за эталонную, при всех сроках твердения характерны следующие особенности: максимум смещается вверх и влево; угол подъема в начале координат растет; увеличивается подъемистость диаграммы в восходящей ветви.

Для диаграмм же пенобетонов при t°=+37єС при всех сроках твердения при сжатии и растяжении характерные особенности, по сравнению с диаграммами при t°=+20єС, несколько иные: максимум смещается вниз и вправо; угол подъема в начале координат снижается; уменьшается подъемистость диаграммы в восходяшей и нисходящей ветвях.

Что же касается фибропенобетонов, то при t°=+4єС эти же отличия будут иными - максимум смещается сильно вверх и немного вправо; угол подъема в начале координат чуть растет - из-за большого подъема максимума по вертикали; увеличивается подъемистость как в восходяшей, так и в нисходящей ветвях.

При t°=+37єС для диаграмм фибропенобетонов характерные особенности, по сравнению с диаграммами при t°=+20єС: максимум смещается вниз и вправо; угол подъема в начале координат снижается; уменьшается подъемистость диаграммы в восходяшей и нисходящей ветвях.

Выявленные особенности изменения диаграмм деформирования характерны во все сроки твердения и при сжатии и растяжении.

В целом же очевидно, что при понижении температуры воды затворения становится возможным ускоренное формирование структуры пено- и фибропенобетонов с улучшенными физико-механическими характеристиками.

3. Предложения по аналитическому описанию характеристик пено- и фибробетонов с пониженной температурой воды затворения в различные сроки твердения условно разбиты на три этапа.

На первом предложим рекомендации по аналитическому описанию прочностных и деформативных характеристик в зависимости от температуры воды затворения в виде:

K = f (t°), (1)

пенобетон фибробетон вода затворение

где K - коэффициент, равный превышению новых, изменившихся прочностных и деформативных характеристик бетона над базовыми; f - соответствующая математическая функция; t° - температура воды затворения.

На втором предложим рекомендации по аналитическому описанию прочностных и деформативных характеристик в зависимости от возраста бетона в виде:

K = f (t), (2)

где f - соответствующая математическая функция; t - возраст бетонов.

На третьем совместим предложенные ранее зависимости и сведем их в единую формулу, учитывающую изменение прочностных и деформативных характеристик пено- и фибропенобетона в зависимости от температуры воды затворения и возраста бетона:

K = f (t°+ t) (3)

За единую базовую функцию, описывающую все указанные тенденции, изберем:

, (4)

где X_R, Y_R - координаты максимума графика функции (4), построенного в абсолютных показателях; К - управляющий параметр, влияющий на форму графика функции (4).

График функции (4), предложенной П. Сарджином [4] и рекомендованной ЕКБ-ФИП для описания диаграмм деформирования железобетонных конструкций, в зависимости от значения управляющего параметра К трансформируется в прямую (К=1), квадратичную параболу (К=2) и действительную ветвь квадратичной гиперболы (1< K <2 и K>2).

В качестве функции Y/Y_R в выбранной нами для расчетных рекомендаций функции (4) выступают приращения (%) прочностных R_b, R_bt и деформативных е_bR, е_btR характеристик, а также начального модуля упругости E_b=E_bt пено- и фибропенобетонов, а в качестве аргумента Х/X_R - относительное превышение текущей температуры над базовой (t-t₂₀)/t ₂₀.

Значения X_R и Y_R, характеризующие максимумы графиков функции (4) имеют свои конкретные значения, приведенные нами в тексте для каждой из прочностных и деформативных характеристик и модулей упругости.

Статистическая обработка полученных результатов позволила определить значения значений управляющих параметров К для всех прочностных, деформативных характеристик и модулей упругости пено- и фибропенобетонов и свести их в таблицу 3. При определении К выяснилось, что его значения при сжатии и растяжении близки между собой (отклонения не превышают 0,4 по абсолютной, и 6% - по относительной величине), что дало основание рекомендовать для расчетов единые значения К при сжатии и растяжении.

В ходе статистической обработки также выяснилось, что нет необходимости в построении отдельных функций в зависимости от возраста бетона K= f (t) и в построении суммарных функций в зависимости от температуры воды затворения и возраста бетона K= f (t°+ t), поскольку они хорошо описываются зависимостями и их коэффициентами, подобранными для функций K_R= f (t°).

Таблица 3

Функции, аргументы и значения параметров зависимости (4) для определения прочностных и деформативных характеристик пено- и фибропенобетонов при различной температуре воды затворения и в разные сроки твердения

Анализ показал хорошую сходимость разработанных теоретических рекомендаций с нашими экспериментальными результатами.

4. Аналитическое описание диаграмм деформирования "напряжения-деформации" пено- и фибропенобетонов при различных температурах воды затворения и сроках твердения, и их взаимосвязи при сжатии и растяжении.

Одной из наиболее удобных и распространенных в мире являетсязависимость П. Сарджина [4], рекомендованная ЕКБ-ФИП для расчетов железобетонных конструкций:

, (5)

где R и _R - максимальная прочность и соответствующие ей деформации на сжатие или растяжение; К=_RЕ/R - численный параметр, равный отношению начального Е (касательного) модуля упругости к предельному (секущему) модулю упругости R/_R в момент достижения максимума функции (5) с координатами R и _R.

В тех же рекомендациях предлагалось принимать (рис. 3) диаграммы деформирования бетона при сжатии "_bb" и при растяжении "_btbt" подобными, имеющими одинаковый начальный Е_b=Е_bt и секущий модуль упругости R_b/_bR = R_bt/_btR, как и параметр К.

Рис. 4 Общий вид диаграммы деформирования бетона при сжатии и растяжении в абсолютных координатах

В целях единообразия предлагаемых расчетных зависимостей, применим единые функции (4) - (5) как для оценки изменения прочностных и деформативных характеристик, так и для описания диаграмм деформирования пено- и фибропенобетона при различных температурах воды затворения и в различные сроки твердения при сжатии и растяжении.

В целом, порядок расчетной оценки изменения свойств пено- и фибропенобетона будет иметь вид.

На первом этапе определяется изменение прочностных R_b и R_bt и деформативных _bR, _btR, Е_b, Е_bt при необходимых температурах воды затворения и сроках твердения при сжатии и растяжении - по зависимости (4) и табл. 3.

На втором этапе для описания диаграмм "" пено- и фибропенобетона при необходимых температурах воды затворения и сроках твердения при сжатии и растяжении используется функция (5) с подстановкой в нее вместо R и _R соответственно (R_b + R_b); ( + _bR); Е_b, при сжатии и (R_bt + R_bt); (_btR + _btR); Е_bt при растяжении, при этом параметр К:

(6)

Анализ показал хорошую сходимость опытных и расчетных результатов.

Взаимосвязь изменения диаграмм деформирования пено- и фибропенобетонов при сжатии и растяжении. Наиболее просто и одновременно достоверно эта взаимосвязь для обычных бетонов отражена в упоминавшихся рекомендациях ЕКБ - ФИП - в них принимается равенство начальных модулей упругости при сжатии и растяжении E_b = E_bt, то есть касательных к диаграммам "у_b -е_b" и "у_bt - е_bt"в начале координат, и рекомендуются одинаковые значения:

(7)

при сжатии и растяжении (то есть секущих в точках максимумов диаграмм "у_b -е_b" и "у_bt - е_bt"), а также дается одинаковая функция "у -е" при сжатии и растяжении - формула (5), тем самым диаграммы при сжатии и растяжении предполагаются подобными.

Анализ полученных нами опытных данных выявил некоторые дополнительные факты взаимосвязи изменения диаграмм "у-е" пено- и фибропенобетонов при сжатии и растяжении.

Это касается координат максимумов диаграмм "у_b -е_b" и "у_bt -е_bt" при каждой определенной температуре воды затворения и сроке твердения пено- и фибропенобетонов. Оказалось, что эти максимумы лежат при сжатии и растяжении на одной прямой, проходящей через начало координат графика.

То есть, подобие диаграмм "у_b -е_b" и "у_bt -е_bt" имеет место и для пено- и фибропенобетонов при сжатии и растяжении с одинаковыми температурами воды затворения и возрастами твердения.

4. Нормативные и расчетные характеристики пено- и фибропенобетона при различных температурах воды затворения. После установления повышения характеристик пено- и фибропенобетонов при различных температурах воды затворения необходимо разработать рекомендации по расчетному определению нормативных и расчетных сопротивления для предельных состояний I и II групп предельных состояний.

Для этого необходима была определенная статистика, основанная на большом количестве экспериментальных данных.

С этой целью нами были проведены дополнительные экспериментальные исследования - изготовливались и испытывались из пено- и фибропенобетона по 40 кубов размером 10х10х10см, из которых по 10 испытывались на осевое сжатие и растяжение при раскалывании, при температуре воды затворения +4°C и +37°C, всего 80 опытных образцов.

По результатам статистической обработки опытных данных были определены нормативные сопротивления сжатию и растяжению при надежности 0,95. Их значения, являющиеся одновременно расчетными сопротивлениями для предельных состояний второй группы R_b,ser и R_bt,ser для пено- и фибропенобетонов класса В 5 с процентом фибрового армирования µ=4% и температурах воды затворения +4°C, +20°C и +37°C приводятся в таблице 4.

Расчетные сопротивления пено - и фибропенобетонов для предельных состояний первой группы R_b и R_bt получали как частное от деления нормативных сопротивлений сжатию и растяжению на соответствующие коэффициенты надежности по бетону при сжатии _bc = 1,3 и при растяжении_bt = 1,5.

При расчете и проектировании пено- и фибропенобетонных элементов необходимо учитывать также деформативность пено- и фибропенобетонов. Для них при µ=4% предельную сжимаемость можно увеличить в 1,3 раза, т.е. принимать ее при кратковременном нагружении равной 2,6. 10^-3 (по нормам), а предельная растяжимость может быть принята увеличенной в 1,5 раза в сравнении с нормированным значением для бетона без фибр.

Таблица 4

Нормативные и расчетные характеристики пено- и фибропенобетона класса В 5 с процентом фибрового армирования µ=4% при различных температурах воды затворения

Выводы

1.Проведенные экспериментальные исследования равноплотных пено- и фибропенобетонов класса В 5 на воде затворения с температурой +4, +20 и +37°C выявили, что для получения их лучших конструктивных характеристик наиболее рациональной является температура +4°C, соответствующая максимальной плотности воды.

2.Установлено, что у бетонов на воде затворения температурой+4°C в возрасте 28 сут.:

у пенобетонов - увеличивается прочность на осевое сжатие - до 10,87% ; прочность на осевое растяжение - до 15,52%; модуль упругости - до 9,8%; уменьшаются предельные деформации - до 14,8%;

у фибропенобетонов - растет прочность на осевое сжатие - до 10,87%; прочность на осевое растяжение - до 15,52%; модуль упругости - до 9,1%, уменьшаются предельные деформации - до 4,8%.

Выявлено, что изменение характеристик пено- и фибропенобетонов на воде затворения +4°C продолжается и стабилизируется к возрасту 365 сут.

3. Предложены расчетные рекомендации для учета изменения прочностных и деформативных характеристик пено- и фибропенобетона на воде затворения с температурой +4°C, +20°C и +37°C и в возрасте 7,28,90,365 сут. при осевом сжатии и растяжении, определены их параметры и коэффициенты.

4. Выявлено изменение диаграмм деформирования «напряжения-деформации» пено- и фибропенобетона на воде затворения с температурой +4°C, +20°C и +37°C и в возрасте 7,28,90,365 суток при осевом сжатии и растяжении.

5.Предложено использовать для расчетного описания диаграмм деформирования «напряжения-деформации» пено- и фибропенобетона на воде затворения с температурой +4°C, +20°C и +37°C и в возрасте 7,28,90,365 суток при осевом сжатии и растяжении формулу ЕКБ-ФИП с учетом разработанных рекомендаций по оценке изменения их прочностных и деформативных характеристик.

6. Выявлена взаимосвязь изменений характеристик и диаграмм деформирования пено- и фибропенобетона на воде затворения различной температуры и в различном возрасте при осевом сжатии и растяжении. Предложена расчетная зависимость для описания этой взаимосвязи, имеющая в целях единообразия, одинаковый вид и структуру с расчетными рекомендациями, разработанными для характеристик бетона и его диаграмм деформирования.

7. По результатам статистической обработки опытных данных при надежности 0,95 определены и рекомендованы для применения при проектировании нормативные сопротивления на сжатие и растяжение (R_bn и R_btn) пено- и фибропенобетона класса В 5 при проценте фибрового армирования 4%, а также расчетные сопротивления для предельных состояний первой (R_b и R_bt) и второй группы (R_b,ser и R_bt,ser).

Список литературы

1. Смирнова, П.В. Температурный фактор в технологии фибропенобетона: Автореферат дисс. канд. техн.наук. Ростов н/Д, 2010.

2. Зацепина, Г.Н. Физические свойства и структура воды / Г.Н. Зацепина/ М.: МГУ. 1987. 171 с.

3. Шмитько, Е.И. Управление процессами твердения и структурообразования бетонов: Автореферат дисс. д -ра. техн. наук. Воронеж, 1994.

4. Sargin, M. Stress-Strain relationchips for concrete and the analisis of structural concrete section // SM. Stud; № 4, Solid Mechanics Oivision, University of Vaterloo. Ontario. Canada, 1971.

Размещено на Allbest.ru