Міцність, тріщиностійкість, деформативність кералітобетону та конструкцій на його основі

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.044:624.041.6

МІЦНІСТЬ, ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ, ДЕФОРМАТИВНІСТЬ КЕРАЛІТОБЕТОНУ ТА КОНСТРУКЦІЙ НА ЙОГО ОСНОВІ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

СТОЛЕВИЧ ІГОР АНАТОЛІЙОВИЧ

Одеса - 2005



Дисертація є рукопис.

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

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент КОСТЮК Анатолій Іванович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, доцент кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор СТОРОЖЕНКО Леонід Іванович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, професор кафедри конструкцій з металу, дерева і пластмас

кандидат технічних наук, доцент МИХАЙЛОВ Олексій Андрійович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, доцент кафедри металевих та дерев'яних конструкцій

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра будівельних конструкцій та мостів, Міністерство освіти і науки України, м. Львів

Захист відбудеться “31” травня 2005р. о 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.085.01 у Одеській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4, ОДАБА.

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

Автореферат розісланий “29 “ квітня 2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Макарова С.С.



АНОТАЦІЯ

Столевич І. А. Міцність, тріщиностійкість, деформативність кералітобетону та конструкцій на його основі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 -Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Одеська державна академія будівництва та архітектури. Одеса,2005.

Дисертація присвячена дослідженню основних міцностних і деформативних властивостей нового виду легкого бетону - кералітобетону на карбонатному піску і дослідженню міцності, тріщиностійкості і деформативності бетонних і залізобетонних, у тому числі і попередньо напружених, конструкцій виготовлених з нього.

Ключові слова: кераліт, кералітобетон, карбонатний пісок, методика розрахунку, рівняння регресії, агрегатно - структурний фактор, міцність, деформативність, тріщиностійкость, прогин, зчіплення, параметр.



АННОТАЦИЯ

Столевич И.А. Прочность, трещиностойкость, деформативность кералитобетона и конструкций на его основе. - 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, 2005.

Диссертация посвящена исследованию основных прочностных и деформативных свойств нового вида легкого бетона - кералитобетона на карбонатном песке и исследованию прочности, трещиностойкости и деформативности бетонных и железобетонных, в том числе и предварительно напряженных конструкций.

Полученный вспучиванием бросовых илистых грунтов морского дноуглубления поризованный материал с мелкоячеистой внутренней структурой, обладает малой плотностью, достаточной прочностью с высокими теплоизоляционными свойствами. Название нового материала "кералит" подчеркивает родство его с керамзитом и учитывает природу исходного сырья , а так же схожие его физико - механические свойства.

Исследование технической возможности и экономической целесообразности использования крупного пористого заполнителя - кералита и мелкого пористого заполнителя - карбонатного песка для бетона и железобетона представляет собой важную народно - хозяйственную задачу.

Вступление содержит обоснование актуальности темы, сформулирована цель и задачи исследований, показано их практическое значение в области строительства.

Первый раздел рассматривает современное состояние исследования свойств легких бетонов и конструкций из них, в том числе с использованием местных материалов. Приведен обзор работ, посвященных данной тематике.

Второй раздел содержит характеристики применяемых материалов кералита и карбонатного песка для исследований, их добыча, химический и гранулометрический состав. Приведены опытные образцы, элементы и конструкции, их размеры и изготовление. Схема и объем эксперимента. Методика планированного эксперимента при исследовании на каждом этапе, с использованием математических методов планирования и математико-статистических методов в исследовании.

В третьем разделе представлены результаты экспериментальных исследований водопотребности, уплотняемости, расслаиваемости, плотности кералитобетонной смеси; кубиковой прочности, плотности, призменной прочности, модуля упругости, границ микротрещинообразования, предельной сжимаемости кералитобетона на карбонатном песке при кратковременном действии нагрузки. Изложены предложения по учету в расчетах особенностей свойств кералитобетона на карбонатном песке при кратковременном действии нагрузки.

Четвертый раздел содержит результаты проведенных экспериментальных исследований усадки и ползучести кералитобетона на карбонатном песке. Изложены предложения по учету в расчетах особенностей свойств исследуемого бетона при длительном действии нагрузки. залізобетонний карбонатний пісок кералітобетон

Пятый раздел содержит результаты экспериментальных исследований сцепления арматуры периодического профиля с кералитобетоном, сжатых стеновых камней и стеновых блоков и изгибаемых элементов: железокералитобетонных балок и предварительно напряженных плит перекрытий и покрытий, и приведены предложения по их расчету.

Ключевые слова: кералит, кералитобетон, карбонатный песок, методика расчета, уравнение регрессии, агрегатно-структурный фактор, прочность, деформативность, трещиностойкость, прогиб, сцепление, параметр.



THE SUMMARY

Stolewich I.A. Durability, crack steady, deformity keralitoconcrete and designs on his basis. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.23.01 - Building designs, building and structure. - Odessa state academy of construction and architecture. Odessa, 2005.

The dissertation is devoted to research basic strong and deform of properties of a new kind of concrete - keralitoconcrete on karbonat sand and research of durability, crack steady and deformity concrete and reinforced concrete, including previously intense, designs.

Keywords: keralit, keralitoconcrete, karbonat sand, technique of account, equation of regress, aggregate-structural factor, durability, deformity, crackresistance, deflection, coupling, parameter.



ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ РОБОТИ

Актуальність теми. Успішне рішення задач з перспективного розвитку житлового будівництва на Україні потребує створення та виробництва ефективних матеріалів - легких пористих заповнювачів для бетонів і конструкцій з них, володіючих меншою вагою і в той же час більш надійних.

Легкі бетони на пористих заповнювачах являють собою універсальний будівельний матеріал, що дозволяє, при його раціональному використовуванні, вирішувати багато актуальних задач сучасного будівництва та одночасно вирішувати екологічні, ресурсозберігаючі і економічні проблеми за рахунок утилізації технологічних та техногенних відходів шляхом виготовлення місцевих пористих заповнювачів.

Кералітобетон на карбонатному піску - новий вид легких бетонів, в якому великим заповнювачем є кералітовий гравій, одержаний обпалюванням при великій температурі непридатних грунтів, які розробляються при ремонтно - експлуатаційному та капітальному днопоглибленні підхідних каналів і портових акваторій (морські та лиманні мули) за традиційною технологією виробництва керамзиту.

Застосування кералітобетону на карбонатному піску в несучих та огороджуючих конструкціях будівель дозволяє отримати економічний ефект за умов максимального врахування його особливостей при проектуванні і використовуванні в конструкціях різного призначення.

Наведене вище визначає актуальність теми дисертаційної роботи і дозволяє вирішити поставлені задачі дослідів міцнісних та деформативних властивостей нового виду легкого бетону і конструкцій з нього, з розробкою рекомендацій по проектуванню та застосуванню у масовому житлово-цивільному будівництві, як важливу наукову задачу, яка має велике практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота - один з етапів науково-дослідних робіт кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій по дослідженню легких бетонів на місцевих пористих заповнювачах та конструкцій з них, а саме держбюджетні теми №0194U008092 “Спрямоване структуроутворення композиційних будівельних матеріалів шляхом використання мінеральних наповнювачів, включаючи відходи виробництва, з метою підвищення надійності роботи матеріалів у будівельних конструкціях” (1993-1995рр); №0196U013361 “Дослідження матеріалів, конструкцій з важких та легких бетонів і розробка технологічних регламентів” (1994-1998рр) і “Дослідження напружено - деформованого стану і розрахунок елементів ушкоджених залізобетонних конструкцій” (2001-2005рр).

Мета роботи. Експериментально довести технічну можливість використання нового виду легкого бетону - кералітобетону на карбонатному піску в стислих та згинальних елементах і конструкціях, у тому числі попередньо напружених для житлово- цивільного будівництва.

Задачі досліджень.

Для досягнення мети були визначені наступні задачі:

- отримати зручні для практичного використовування залежності

міцності, щільності та модуля пружності кералітобетону на карбонатному піску від основних рецептурних факторів та вихідної рухомості суміші;

- отримати статистично надійні залежності, дозволяючі прогнозувати кубикову та призмову міцність, модуль пружності, межі утворення мікротріщин, крайню стиснуваність, усадку, повзучість, досліджуваного бетону в залежності від факторів складу;

- встановити вплив віку досліджуваного бетону на змінювання його міцністних та деформативних властивостей і отримати залежності характеризуючі зміну в часі цих характеристик;

- розробити методику комплексного підходу до оптимізації параметрів досліджуваного бетону з обліком факторів складу;

- дослідити анкерування у бетоні ненапруженої і напруженої стрижневої арматури при короткочасовому навантаженні та розробці рекомендацій по її визначенню;

- дослідити несучу здібність, тріщиностійкість та деформативність стиснутих і згинальних елементів та конструкцій, порівняти одержані результати з нормативними вимогами і дати рекомендації по розрахунку.

Об'єкт дослідження. Бетонні і залізобетонні елементи та конструкції з кералітобетону ненапружені і з попереднім напруженням.

Предмет досліджень. Вплив складу бетону на його міцність та деформативність; анкерування арматури в бетоні; міцність, тріщиностійкість та деформативність стиснутих (стінових каменів, блоків) та згинальних (балок і плит перекриття і покриття) елементів і конструкцій (попередньо - напружених панелей перекриття та покриття).

Методи досліджень. Міцність, деформативність та тріщиностійкість зразків бетону, елементів і конструкцій визначали відповідно до діючих стандартів.

Наукова новизна отриманих результатів:

Вперше отримані експериментальні дані про загальні властивості кералітобетону на карбонатному піску, призначеного для використання у стиснутих та згинальних елементах і конструкціях, в тому числі і попередньо - напружених, в результаті чого:

- виявлена впливовість основних рецептурно-технологічних факторів складу на водопотребу, ущільнення, розшаровування, міцність, щільність, одностатевість по міцності та щільності, межі тріщиноутворення, крайню стискуємость. Отримані залежності для визначення цих характеристик;

- запропоновані залежності для прогнозування основних розрахункових параметрів (призмова міцність, модуль пружності, усадка, повзучість);

- складена номограма оптимізації складів кералітобетону на карбонатному піску залежно від витрат цементу та агрегатно-структурного фактору;

- надані рекомендації по обліку у розрахунках властивостей міцністних і деформативних властивостей досліджуваного бетону;

- отримані експериментальні дані про зчіплювання арматури з бетоном, несучою властивість, тріщиностійкість та деформативність стиснутих і згинальних елементів і конструкцій, в тому числі і попередньо напружених при короткочасовій дії навантаження; надані рекомендації по їх обліку в розрахунках.

Практичне значення отриманих результатів полягає:

- вперше в достатньо повному дослідженні основних фізико-механічних властивостей нового виду легких бетонів - кералітобетону на карбонатному піску, виготовленні та випробуванні конструкцій з нього;

- в методі оптимізації складів кералітобетону на карбонатному піску, який дозволяє на стадії проектування облікувати експлуатаційні і технологічні потреби, що приводить до зниження матеріалоємності та вартості конструкцій;

- в рекомендаціях по використовуванню статистично надійних залежностей, прогнозуючих міцністні та деформативні властивості кералітобетону на карбонатному піску та зміну їх у часі, що дозволяє більш точніше оцінити роботу конструктивних елементів з такого бетону;

- в рекомендаціях по використовуванню лінійних рівнянь регресії, що дозволяє значно спростити підхід до вивчання й уточнення основних фізико - механічних властивостей кералітобетону на карбонатному піску;

- в рекомендаціях по корректуванню основних розрахункових параметрів досліджуємого бетону, що дозволяє більш точніше нормувати їх значення і тим самим підвищувати розрахункову несучу здатність конструктивних елементів, а також більш точніше прогнозувати їх тріщиностійкість та деформативність;

- в рекомендаціях по використовуванню кералітобетону на карбонатному піску в стінових каменях, стінових блоках та попередньо напружених плитах перекриття і покриття;

- в розробці технічних умов на: “Грунти мулисті морські для виробництва кералітового гравію, щебеня і піску”; “Гравій, щебінь і пісок кералітові”; “Каміння кералітобетонні”; “Блоки кералітобетонні стінові великі”; “Плити суцільні з легких бетонів на основі кераліту для перекрить та покрить житлових і громадських будівель”.

Особистий внесок здобувача: Всі основні результати отримані автором самостійно:

- розроблена та реалізована програма експериментальних досліджень з використанням методів планування експерименту та статистичної обробки результатів;

- отримані і проаналізовані математичні моделі кубикової та призмової міцності, щільності, модуля пружності, меж тріщиностворення, граничної стиснутості, усадки і повзучості в залежності від факторів складу бетону;

- отримані дані експериментальних досліджень зчеплення арматури з бетоном, міцності, тріщиностійкісті та прогинів залізобетонних балок в залежності від впливу відсотка армування, плит перекриття та покриття і стиснутих стінових каменів та блоків;

- розроблені рекомендації по обліку в розрахунках особливостей міцністних і деформативних властивостей кералітобетону на карбонатному піску.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень доповідалися та обговорювалися на науково - технічних конференціях і симпозіумах по проблемах теорії та практики залізобетону (м.Рівне - 1997, 1998, 1999; м.Львів - 1997, 2000; м.Макіївка - 1998, 1999, 2004; м.Одеса - 1998, 2000, 2002, 2004).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 12 друкованих праць в наукових фахових виданнях, перелік яких затверджено ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, основної частини (5 розділів), висновків, списку використаних літературних джерел, додатків. Робота викладена на 286 сторінках і включає 167 сторінок основного тексту, 74 малюнка, 70 таблиць, список використаних літературних джерел з 144 найменувань на 12 сторінках, а також 3 додатка на 19 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, мета і задачі досліджень, наведені основні наукові результати, показано їх практичне значення, дані про публікації та апробації дисертації.

У першому розділі приведена характеристика сучасного рівня експериментальних досліджень легких бетонів і конструкцій на їх основі; узагальнені особливості властивостей керамзитобетону на карбонатному піску; наведені вимоги до конструкційних легких бетонів та обгрунтовані задачі досліджень.

Можливість використання легких бетонів практично у всіх областях будівництва обгрунтована результатами обширних експериментальних досліджень, проведених в останнє десятиріччя вітчизняними і зарубіжними вченими та інженерами. Дослідженню легких бетонів посвячені роботи І.Н.Ахвердова, Д.К.Бауліна, Г.А.Бужевича, А.І.Ваганова, І.Вебера, К.І.Вілкова, А.А.Гвоздєва, Г.П.Курасової, Н.А.Корнєва, Н.А.Кудрявцева, Ю.М.Мешкаускаса, А.Б.Пірадова, Н.Я.Співака, М.З.Симонова, Н.С.Стронгіна, А.К.Яворського, У.А.Ямлеєва та ін.

Ці дослідження дозволили зняти, чи значно послабити, діючі обмеження по розрахунку та проектуванню легкобетонних конструкцій і тим самим підвищити їх ефективність та економічність. Але, дослідження легких бетонів не можна рахувати навіть частково закінченими в силу різноманіття властивостей пористих наповнювачів, попередньо визначаючих чи підтверджуючих відмінності в властивостях вироблених з них бетонів.

Треба відзначити, що конструкційний легкий бетон зараз з'являється об'єктом широкої співпраці в рамках багатьох міжнародних організацій (CEB - FIP, RILEM та ін.). При цьому особиста увага приділяється так званому High Performance Concrete, а іменне новому (по класифікації FIB/CEB) типу легкого бетону “високої функціональності”, в т.ч. з характеристиками високої міцністі та довговічністі, що обумовлено формуванням монолітної щільної неперервної контактної матриці (цементного каменя) і пористого наповнювача.

Комплексні дослідження, проведені в НДІЗБ, ОДАБА, ГІБІ, ЛатНДІбудівництва, НДІБМІМінбудматериалов, УкрНДІбудпроект, РІБІ та ін. показали технічну можливість та економічну доцільність використання карбонатного піску в бетонах на штучних наповнювачах та, в першу чергу, в керамзитобетоні, який складає біля 70% загального об'єму легких бетонів.

Кералітобетон на карбонатному піску - новий різновид легких бетонів - є місцевим будівельним матеріалом, використання якого визначено поперед усім сировинною базою для виготовлення кераліту та отримання карбонатного піску. Карбонатні піски одержують шляхом збагачення (здрібнення, розсіву та т.п.) відходів (30...70%) від розпилу низькоміцних вапняків-черепашників, промислові запаси яких складають сотні млн.мі в південних районах України.

В другому розділі приведені характеристики початкових матеріалів; конструкції дослідних зразків, елементів і конструкцій; методика їх виготовлення; схема та об'єм експериментальних досліджень; основні математико-статистичні методи, використані в роботі.

В дослідженнях використовували: кералітовий гравій фракцій 5...10 і 10...20, виготовлений на Куліндорівському ЗЗБК ВО ”Одесзалізобетон” з мулистих грунтів порту Південий (Аджаликський лиман) Одеської обл..; карбонатний пісок Орловського родовища Одеської обл..; портландцемент марки 400; арматуру Ш5Вр-I, Ш10-12А-III - для дослідних елементів і балок та Ш12Ат-V - для попередньо напружених плит перекриття і покриття.

Експериментальні дослідження проводили на дослідних зразках і конструкціях.

- кубах і призмах 100х100х100мм, 100х100х400мм, 100х100х(70, 140, 210мм);

- стінових каменях 90х188х390мм і 190х188х390мм;

- стінових блоках 400х 1190х2180мм (НБ 12.22.4);

- залізобетонних балках 100х150х2200мм;

-попередньо напружених плитах перекриття і покриття 6250х1490х220мм (П.63.15-8АтV).

Дослідні елементи виготовляли в лабораторних та виробничих умовах.

Експериментальні дослідження складалися з двох етапів. На першому етапі досліджували вплив рецептурно - технологічних факторів на основні фізико - механічні властивості кералітобетонної на карбонатному піску суміші і бетону. Дослідження проводили по методиці планування експерименту, використовуючи близький до D - оптимального план типу Н_а5. В якості факторів прийняті: витрата цементу Ц(х₁); агрегатно-структурний фактор r (х₂); зручноукладання суміші (х₃); час перемішування суміші t_n (х₄); час віброущільнення суміші t_в (х ₅). В якості контролюємих параметрів були обрані: об'єм міжзернових порожнин V_п, показник розшаровування суміші П_р, і щільність кералітобетонної суміші с_с; витрата води В; кубикова міцність R(28) , щільність с, дисперсія міцності SІ_R і щільності SІ_с кералітобетону.

На другому етапі досліджували міцністні та деформативні характеристики кералітобетону на карбонатному піску, його зчеплення з арматурою, особливості роботи стиснутих і згинальних елементів і конструкцій.

Для експериментальних досліджень, проводжуваних по методі планування експерименту (близький до D-opt план типу 2і і план Бокса - Бенкена 3і) в якості факторів прийняті: витрата цементу (х₁); агрегатно-структурний фактор (х₂); вік навантаження тривалою нагрузкою t_с(х₃). В якості контролюємих параметрів призначили: кубикову міцність R(28) і призмову міцність R_в(28) у віці 7, 28, 115, 300, 500 діб; модуль пружності в тому ж віці, межі області мікротріщиноутворення Rє_crc і R^н_crc; найбільші деформації стиснення е_вu; відносні деформації усадки е_sс(t,tw); відносні деформації повзучості е_сс(у, t, t₀) кералітобетону, навантаженого в віці t₀ = 7, 28, 115 діб навантаженням, рівним 0,2R_в S; 0,6R_в S; 0,8R_в S.

Дослідження зчеплення проводили, використовуючи близький до D-opt план типу 2і. В якості факторів прийнято клас бетону В(х₁) і довжину заділки арматури ?_зад(х₂). Контролюючими параметрами призначені: середня величина ф_сц кералітобетону пропареного і натурального твердіння; напруження у₀ в арматурі в момент зрушення не навантаженого кінця арматурного стриженя; вплив міцності бетону і довжини заділки стриженей на величину і характер зростань зміщень не навантаженого кінця арматурного стриженя.

В результаті реалізації експерименту (випробування, обробка та аналіз результатів) були одержані оптимальні по завданому критерію склади, на базі яких були виготовлені і випробувані дослідні елементи і конструкції.

Дослідні елементи - балки виготовляли з кералітобетону оптимального складу класу В12,5. Виготовлено і випробувано короткочасовим навантаженням дві серії дослідних балок (м=0,77% і м=1,75%).

Дослідні стінові кералітобетонні камені і блоки та попередньо напружені плити перекриття і покриття вироблені з бетону класів відповідно В2,5, В7,5, В12,5.

Загальний об'єм експерименту становить: 273 куба, 366 призм, 36 призм на зчеплення,16 стінових каменів, 2 стінових блока, 6 балок, 2 попередньо напружені плити перекриття.

Дослідні зразки та елементи випробували в лабораторних і виробничих умовах відповідно з діючими державними стандартами.

За результатами планованого експерименту для кожного контролюємого параметру були одержані рівняння регресії другого ступеня вигляду



(1)

Для спрощення одержаних залежностей вигляду (1) застосовували лінійні залежності вигляду

У = в₀ + в₁ · х , (2)

де х= (В/Ц + r) - узагальнений фактор складу.

В дослідженнях використана метода одержання і статистичного аналізу рівнянь регресії, викладена в роботах В.А.Вознесенського, Є.Н.Львівського, В.В.Налімова та ін.

В третьому розділі подані результати експериментальних досліджень основних властивостей кералітобетону на карбонатному піску, обгрунтовуючі його розрахункові параметри.

Аналіз впливу рецептурно-технологічних факторів на основні властивості кералітобетонної суміші і бетону проводили за рівняннями регресії виду (1).

Встановлено, що для визначеної витрати цементу існує оптимальний склад кералітового гравію і карбонатного піску (r_opt), який відповідає мінімально можливій водопотребі суміші при умові забезпечення завданої вигідновкладуваємості.

Найбільший вплив на об'єм міжзернових порожнин V_п, характеризуючий ступінь ущільнення суміші, зчинює фактор r. Збільшення його значень від 0,3 до 1 приводить до зменшення V_п в середньому в 2 рази.

Розшаровування кералітобетонної суміші при її віброущіленні уникнути практично неможливо. Ступінь його залежить від усіх розглянутих факторів. Однак при самих несприятливих їх сполученнях воно не привищує 7,1%.

За результатами експериментальних досліджень отримані квадратичні рівняння регресії вигляду 1 щільності кералітобетонної суміші, щільності кералітобетону в висушеному до постійної маси і кубкової міцності. Рівняння адекватні по F-критерію Фішера (F_ад<F_табл) і мають інформаційну цінність (F_інф>F_табл).

Аналіз цих рівнянь показує, що найбільший вплив на щільність і міцність виявляють два фактори - витрата цементу (х₁) і агрегатно - структурний фактор r (х₂). Ступінь впливу цих факторів неоднакова: чисельне значення коефіцієнту при (х₂) приблизно в 3 рази більше відповідного при (х₁) - в рівняннях щільності, а в рівняннях міцності ступінь їх впливу різна: з підвищенням витрат цементу (х₁) зростає міцність, а з підвищенням агрегатно-структурного фактора (х₂) - міцність зменшується.

Отримані результати послужили експериментальним обґрунтуванням для розробки методики комплексного підходу до проектування оптимальних складів кералітобетону на карбонатному піску, котра дозволяє визначити оптимальні значення рецептурних факторів (Ц, r, В) з врахуванням мінімальної вартості наповнювачів.

Доведені також результати експериментальних досліджень в вигляді рівнянь регресії (1) і (2)) призмової міцності, модуля пружності в віці t₀=7, 28, 115, 300, 500 діб і ?, меж області мікротріщиностворення, крайнього стиснення кералітобетону. Рівняння адекватні по F-критерію Фішера (F_ад<F_табл) і мають інформаційну цінність (F_інф>F_табл).

Аналіз рівнянь регресії призмової міцності R_в(t) вигляду (1) дозволили встановити, що при t>28 діб залежність міцності від витрат цементу носить криволінійний характер, котрий показує її зростання до оптимального значення при визначених r, відповідаючого граничній міцності кералітобетону. При однакових значеннях витрати цементу з зменшенням значення фактору r міцність кералітобетону зростає.

Аналіз рівнянь регресії виду (2) показав, що превалюючий вплив на с, R_в, Е_в виявляє витрата цементу та агрегатно-структурний фактор r. Позитивні результати перевірки нульової гіпотези про однорідність дисперсій величин R_в(t), Е_в(t), і (В/Ц+r), дозволили при рівні значимості б =0,05 одержати лінійні рівняння регресії:

R_в(28),МПа= 41,3 -14,7[(В/Ц)+r], (3)

Е_в(28)·10^-3,МПа=19,4-4,71[(В/Ц)+r]. (4)

Рівняння (3) і (4) в віці t=28 діб наведені в якості прикладу.

Витрата води, на відміну від витрати цементу та агрегатно-структурного фактора, виявляє статистично значимий вплив на характер зміни Е_в в часі.

Результати статистичних розрахунків показують, що збільшення віку кералітобетону не викликає значимого змінення характеру впливу досліджуємих факторів на призмову міцність. Рахуючи це, для її прогнозування можна користовуватися виразом (5)

R_в(t, В/Ц, r)= (50,4 - 16,8e^-0.0133t) - 15,8[(В/Ц)+ r ]. (5)

Значення коефіцієнту призмової міцності ц_в для кералітобетону на 5-11% перевищують відповідні значення БНіП 2.03.01-84*. Величини ц_в рекомендується нормувати по формулі (6)

ц_в=0,933+0,0032R-0,000149RІ. (6)

Для прогнозування значень модуля пружності в часі пропонується використовувати залежність вигляду (7)

Е_в(t) = Е_в(?)[1-е ^-бt]. (7)

Входячі до цієї залежності величини Е_в(?) і б при відомих характеристиках складу кералітобетону рекомендується обчислювати по (8) і (9)

Е_в(?) = 18380 - 3972 [(В/Ц) + r], (8)

б = 0,87 - 0,34 [(В/Ц)+ r ], (9)

а при відомій щільності с і класі по міцності на стиснення В по (10) і (11)

Е_в(?)=441 , (10)

б=0,0195В+0,078. (11)

Вимогам найбільш тісного зв'язку між модулем пружності Е_в, щільністю с і міцністю R_в відповідає вираз виду

Е_в(?)=390, де r_ху=0,87, д_Е=896.

Порівняльний аналіз модулів пружності Е_в легких бетонів, регламентованих БНіП 2.03.01-84* і розрахованих по залежності (7) з урахуванням (10) і (11) вказує, що для кералітобетону на карбонатному піску діючі норми завищують значення Е_в на 3-28%.

Для визначення меж області мікроруйнувань досліджуваного бетону в залежності від його міцності рекомендується використовувати вирази (12) і (13)

Rєcrc/R_в = 0,386 + 0,081· lgR_в, (12)

R^нcrc/R_в = 0,861 + 0,062 · lgR_в. (13)

Для опису залежностей найбільших деформацій стиснення е_вu, незалежно від віку кералітобетону, може бути використано усереднене рівняння вигляду

= [196 + 97 (В/Ц + r )] ·10-⁵. (14)

В четвертому розділі надані результати експериментальних досліджень усадки і повзучості. Викладені пропозиції що до врахування в розрахунках, особливостей властивостей досліджуваного бетону при тривалій дії навантаження.

Досліди по визначенню деформацій повзучості і усадки здійснювали на 9 складах бетону (15 стрічок плану), використовуючи план Бокса - Бенкена розмірності К-3 і при побудуванні математичних моделей усадки трансформований план розмірності К-2.

Зразки кожної стрічки плану, призначені для визначення деформацій повзучості, навантажувались відносними рівнями навантаження з=0,2; 0,6; 0,8.

Терміни дії тривалого навантаження на зразки, призначені для визначення деформацій повзучості, склали від 395 до 483 діб.

Аналіз рівнянь регресії деформацій усадки е_sc(t, t_w) виду (1) і результати статистичних розрахунків показали, що характер впливу досліджуваних факторів в часі якісно не змінюється: зменшення концентрації кералітового гравію і витрат цементу приводить до зростання е_sc(t, t₀). Деформації усадки в усіх термінах лінійно залежать від витрат цементу. Фактор r виявляє в 2-4 рази більший вплив на е_sc(t, t₀), чим витрата цементу.

Розвиток в часі процесу усадки кералітобетону на карбонатнім піску досить достовірно може бути аппроксимований залежністю

е_sc(t, 1) =[144,7(В/Ц)+ r -73,1] [1-е^{-0.0101(В/Ц+r)(t-1)} ]. (15)

Залежність (15) зручна тим, що вже на стадії проектування складів бетону дозволяє прогнозувати усадочні деформації кералітобетону на карбонатному піску в любий момент часу t>1.

Регресія удільних відносних С(t,t₀,у) і удільних лінійних відносних С(t,t₀) деформацій повзучості на витрату цементу, агрегатно - структурний фактор і вік кералітобетону до моменту навантаження (t₀=7, 28, 115діб) оцінувалася по математичним моделям виду (1), побудованим на базі їх крайніх значень.

Деформації повзучості кералітобетону нелінійно залежать від напружень навіть при низьких рівнях з(t₀), хоч ступінь нелінійності різна для різних складів бетону. Через 200-450 діб після навантаження (залежно від складу бетону і рівня діючих напружень) нелінійність деформацій повзучості стабілізується, криві С(t, t₀, у) стають практично паралельними, прирощення деформацій повзучості починають лінійно залежати від напружень. Встановлено, що характеристика нелінійності f_c статистично значимо залежить від складу кералітобетону, рівня діючих напружень і не залежить від віку бетону до моменту навантаження.

Для обчислення значень С(t,t₀) =С(?,28) ·?( t₀) ·f(t- t₀) треба знати граничні значення міри повзучості кералітобетону при навантаженні його в віці t₀=28діб, які можна підрахувати по квадратичному рівнянню регресії при фіксуванні фактора (х₃) на нульовому рівні, а також по лінійному рівнянню

С(?,28)=1,317 [ (В/Ц) + r ] ^2.1 . (16)

В основі методу прогнозування деформацій кералітобетону на карбонатному піску лежать основні залежності спадкової теорії старіння. Для врахування особливостей повзучості такого бетону при заданих класі по міцності на стиснення В і щільності с параметри функцій: ?(t₀), враховуючої вплив старіння на міру повзучості; f(t- t₀) враховиваючей наростання в часі міри повзучості; f_c , враховуючої нелінійність деформацій повзучості і f_м - нелінійність деформацій при короткочасовому завантаженні вичислювати по слідуючому узагальненому виразу вигляду:



с,d,д,г,V_с,m_с ,V_k(28),m_k(28),V_k(t),m_k(t) = А_і±С_і(с·В) ^0,333±D_і(с·В) ^0,333. (17)

Окрім цього одержані квадратичні і лінійні залежності вигляду (1) і (2), дозволяючі визначити вказані вище параметри при відомих характеристиках складів бетону: витрати цементу - Ц, води - В і значення агрегатно-структурного фактору - r.

В п'ятому розділі приведені результати експериментальних досліджень дослідних зразків на зчеплення арматури класу А-III з кералітобетоном, стиснутих стінових каменів і стінових блоків, згинальних дослідних балок і попередньо напружених суцільних плит перекриття і покриття і надані рекомендації по їх розрахунку і застосуванню.

Дослідження зчеплення арматури з бетоном вивчалось шляхом висмикування стрижня з бетонних призм. Результати досліджень показали:

- із збільшенням класу по міцності на стиснення кералітобетону В10, В15 і В20 ф_сц збільшується пропорційно в середньому на 11% для пропарених зразків і на 14% для зразків природного твердіння;

- для різних довжин заділки ?_зад=7(6), 14(12) і 21(18)см,Ш прирощення ф_сц різне і зменшується з збільшенням довжини заділки в середньому на 17% з незначним зменшенням для пропареного кералітобетону;

- із збільшенням класу кералітобетону природного твердіння напруження у₀ збільшується в середньому на 48%, а пропареного в середньому на 35%, залишаючись відносно великим для бетонів природного твердіння (в середньому на 60%);

- по середнім значенням ф_сц /В визначена лінійна залежність виду

ф_сц /В = 0,825 - 0,0193В. (18)

Рівняння адекватне по F - критерію Фішера (F_ад<F_табл) і має інформаційну цінність (F_інф>F_табл).

На Куліндорівському ЗЗБВ виготовлена способом вібропресування дослідна партія стінових каменів з кералитобетону класу по міцності на стиснення (В2.5) і щільності с_сух=1110кг/мі двох типорозмірів: СКЦ-1 (цільний камінь з трьома круглими не наскрізними порожнинами) і СКЦ-2 (поздовжена половинка суцільна) і контрольні куби.

В результаті випробування середні показники щільності, міцності і коефіцієнтів варіації дослідних каменів СКЦ-1 і СКЦ-2 склали відповідно с=1170кг/мі, с=1190кг/мі, С_Vс =5,1% і R=35,1кг/мі, С_Vс =11,7% і R=35,3кг/мі.

Результати випробувань на морозостійкість 10 зразків після 25 циклів заморожування - відтаяння показали, що середнє значення втрати маси склало 3%, а втрати міцності 11% по зрівнянню з контрольними зразками.

Таким чином проведені випробування кералітобетону і стінових каменів з нього показали, що стінові камені відповідають (ГОСТ 6133-84), а марка (клас) каменів відповідає М35 (В2.5), а по морозостійкості F25.

На Куліндорівському ЗЗБВ було здійснено промислове виготовлення експериментальної партії стінових блоків серії 87 в відповідності з робочими кресленнями НБ 12.22.4, проектним класом по міцності на стиснення В7,5 (М100) і маркою по середній щільності D1200 з кералітобетону. Випробування блоків проводили в віці 28 діб.

Результати випробувань контрольних зразків - кубів і призм показали, що R=10,6МПа, R_в=8,7МПа і Е_в=7900МПа.

Результати середніх показників випробуваних зразків, випилених з випробуваних блоків склали: R=9,8МПа, R_в=8,15МПа, Е_в=10250МПа, с=1265кг/мі; вологість бетону 13%.

Середні результати випробувань стінових кералітобетонних блоків показали, що відношення розрахункового руйнівного навантаження до дослідного руйнівного навантаження N_р ^р / N_р⁰ =1,02; межа міцності на стиснення бетону в блоках - 8,3МПа; відношення дослідного навантаження з'явлення тріщин до дослідного руйнівного навантаження - 0,96.

Випробування дослідних елементів - балок проводили в віці 115±6 діб з ціллю визначення їх несучої здатності, тріщиностійкості і деформативності.

При випробуванні були одержані дослідні данні, дозволяючі оцінити параметри н, ш_в, е, е_вm , прийняті в БНіП 2.0301-84* для розрахунку згинальних елементів.

Встановлено, що дослідні значення коефіцієнту ш_в коливаються в межах від 0,87 до 0,96. Спостерігається деякий вплив на ш_в відсотка армування м%.

Кореляційний аналіз дозволив встановити, що між ш_в і М/Мu⁰ існує досить тісний лінійний зв'язок, виражений рівнянням регресії (19)

ш_в=0,91 + 0,02 М/М_u⁰. (19)

При експлуатаційних навантаженнях ш_в=0,9, що узгоджується з існуючими нормами. Значення коефіцієнту н, характеризуючого пружно - пластичний стан бетону стисненої зони, апроксимовані залежністю вигляду (20)

н =0,481- 0,027 М/М_u⁰, r_ху =0,82. (20)

В розрахунках згинальних елементів з кералітобетону на карбонатному піску, враховуючи прийняті допущення, значення коефіцієнту н рекомендується приймати таким, як і для інших видів бетонів, тобто н=0,45.

Дослідні значення деформацій стиснутої зони е_вm⁰ добре узгоджуються з теоретичними е_вm^Т. Середні значення відношення е_вm⁰ /е_вm^Т для балок I і II серії відповідно рівні 1,03 і 1,04. Проведеними дослідами встановлено збільшення значень е_вm⁰ з зростанням кількості арматури. При збільшенні відсотка армування м = 0,77% (I серія) до м = 1,75% (II серія) деформації бетону стисненої зони збільшуються в середньому в 1,72 рази. Ширина розкриття тріщин в зоні чистого згину балок при експлуатаційному навантаженні знаходилась в межах 0,09 - 0,17мм (С_Vcrc=0,37), збільшувалась зі зменшенням відсотка армування. При цьому навантаженні її найбільше значення а_crc=0,21мм було виявлено в балках I серії.

Дослідні прогини балок I і II серії при дії експлуатаційних навантажень склали відповідно 8,6 - 10,2мм і 11,8 - 12,9мм, а їх відношення до теоретичних f⁰/f^т =1,01 для балок I серії і f⁰/f^т =1,03 для балок II серії. Розбіжності між ними для балок I і II серії коливаються відповідно від -8% до +9% для балок I серії і від -2% до +7% балок II серії.

Розрахунок несучої здатності, тріщиностійкості і деформативності згинаємих елементів з кералітобетону на карбонатному піску рекомендується проводити по БНіП 2.03.01-84*, використовуючи уточнені значення розрахункових параметрів R_в; R_вt; R_в,ser; R_вt,ser; ц_в; е_вm.

На основі типової серії 1.141-1, вип..63 порожнинних плит перекриття були розроблені Черноморниипроект, НИИЖБ, ОИСИ технічні умови на плити суцільні з легких бетонів на основі кераліту для перекриття і покриття житлових та цивільних будинків.

На Куліндорівському ЗЗБВ була виготовлена дослідна партія плит, яка складалась з двох зразків плит марки П63.15-8Ат-Vл з кералітобетону класу В12,5 під навантаження 800кг/мІ. Величина попереднього напруження прийнята з позицій тріщиностійкості у_sp=500МПа. Втрати попереднього напруження визначали по (Рекомендации по учету потерь предварительного напряжения от усадки и ползучести керамзитобетона на карбонатном песке: НИЛЭП ОИСИ. - М.: Стройиздат, 1987. - 103 с.) з врахуванням дослідних даних про величини деформацій усадки та повзучості кералітобетону.

Середні величини показників властивостей кералітобетону контрольних зразків кубів і призм склали R=16,3МПа, R_в=13,2МПа, Е_в=13630МПа, с=1570кг/мі.

Розрахункові значення міцності q_p^т перевищують проектні значення q_p^пр на 33,5%.

Тріщиностійкость забезпечена, тому що від дії нормативного довго- діючого навантаження тріщини в розглянутих виробах не з'явилися.

Жорсткість також забезпечена, тому що прогин панелей від нормативного навантаження складає f=2,22 см, що меньш крайнього допустимого f_lim=3см.

Результати випробування плит:

- співвідношення дослідних та теоретичних руйнівних навантажень, навантажень тріщиноутворення та прогинів складає:

q_p⁰ / q_p^т = 1,04; q_crc⁰ / q_crc^т =1,02 та f⁰ / f^т = 0,81.



ВИСНОВКИ

1. Застосування нового виду легких бетонів - кералітобетону на карбонатному піску в основних несучих конструкціях житлових і цивільних будинків забезпечує потребні експлуатаційні показники, що дозволяє утилізувати морські і ліманські мули днопоглиблення для виробництва кералітового гравію, а також використовувати відходи при розробці вапнякових кар'єрів для отримання карбонатного піску і тим самим зрівняти екологічний баланс в південих регіонах України.

2. Рецептурно-технологічні фактори істотно впливають на формування основних властивостей кералітобетонних на карбонатному піску сумішів і бетону. Врахування впливу вказаних факторів з достатньою для практики точністю рекомендується здійснювати, використовуючи рівняння регресії вигляду (1) для сумішів і (2) для бетону.

3. Для оптимізації складів кералітобетону на карбонатному піску рекомендується використовувати методику комплексного підходу, враховуючу технологічні та експлуатаційні вимоги до бетону. Використовування рекомендованої методики дозволяє одержувати раціональні склади, які задовольняють вимогам мінімальної кошторисної вартості бетону з врахуванням його призначення.

4. Значення коефіцієнту призмової міцності ц_в і модуля пружності Е_в досліджуваного бетону відрізняються від рекомендованих БНіП 2.03.01-84*. Тому величини ц_в і Е_в рекомендується визначати виразами (6) і (7) з врахуванням (8) і (9).

5. Для прогнозування значень міцності R_в(t), які змінюються в часі, і модуля пружності Е_в(t) рекомендується використовувати вирази (5) і (7) з врахуванням (8), (9) чи (10), (11).

6. Для визначення деформації усадки досліджуваного бетону при відомих характеристиках його складу рекомендується використовувати залежність (15), дозволяючу вже на стадії проектування складів, прогнозувати усадочні деформації в будь-який момент часу t>1.

7. Для прогнозування деформацій повзучості рекомендується використовувати основні залежності спадкової теорії старіння. Параметри функцій, які входять в ці залежності, слід обчислювати при заданому складі бетону по рівнянням регресії вигляду (1), (2), а при заданому класі бетону В та його щільності с - по узагальненому рівнянню (17).

8. Для визначення меж області мікроруйнування в залежності від міцності рекомендується використовувати вирази (12) і (13), а для опису крайніх деформацій стиснення залежність (14).

9. Зчеплення арматури з кералітобетоном на карбонатному піску достатнє для того, щоб забезпечити нормативну анкеровку арматури залізобетонних конструкцій.

10. Отримані експериментальні значення е_sc і е_сc дозволяють визначити величини втрат попередніх напружень від цих параметрів за методом викладеним в “Рекомендациях по учету потерь…“.

11. Проведені експериментальні дослідження елементів і конструкцій з кералітобетону на карбонатному піску - стінових каменів, блоків і попередньо напружених плит перекриття і покриття дозволяють рекомендувати їх для практичного застосування в житлово - цивільному будівництві.

12. Розрахунок несучої здатності, тріщиностійкості і деформативності стиснутих і згинальних елементів і конструкцій з кералітобетону на карбонатному піску рекомендується проводити по методиці БНіП 2.03.01-84*, використовуючи уточнені значення розрахункових параметрів R_в, R_вt, R_в,ser, R_вt,ser, ц_в, е_вm.

13. Економічна ефективність застосування кералітобетону на карбонатному піску в бетонних і залізобетонних конструкціях очевидна, так як сировиною для бетону являються непридатні грунти днопоглиблення та відходи каменепилення вапняків черепашників.



ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ

1. Столевич И.А., Майборода В.Ф. Легкие бетоны на местных заполнителях//Актуальні проблеми водного господарства: зб. Наук. Статей. Том 3. Нові матеріали, будівлі та споруди. - Рівне: УДАВГ, 1997. - С.14-17.

Внесок здобувача - розробка загальної методики планованого експерименту за допомогою рівнянь регресії 2-го ступеню та лінійної залежності.

2. Столевич И.А., Макарова С.С., Макаров С.В., Столевич А.С. Кералитобетон - новая разновидность легкого бетона//Вестник ДГАСА, вып. 98-1. Композиционные материалы для строительства, 1998. - С. 201-204.

Внесок здобувача - на підставі аналізу рівнянь регресії 2-го ступеня отримані оптимальні склади кералітобетону .

3. Столевич А.С., Макаров С.В., Темнов И.И., Костюк А.И., Столевич И А. Деформативность кералитобетона// Ползучесть в конструкциях. Сб. науч. тр. - Одесса: ОГАСА, АСУ, 1998. - С. 97-102.

Внесок здобувача - отримані розрахункові залежності міцності, модулю пружності у часі, нижню та вернхю межі мікротріщиноутворення, прогнозування деформацій усадки і повзучості залежно від чинників складу бетону.

4. Столевич І.А. Властивості легких бетонів на місцевих заповнювачах//Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Науково-технічний збірник. Вип.. 23, - Рівне: УДАВГ, 1998. - С. 202-206.

5. Столевич А.С., Макаров С.В., Темнов И.И., Столевич И.А., Макарова С.С. Свойства кералитобетона на карбонатном песке//Вісник ДДАБА. Зб. наук. праць. Вип.. 99-2(16). Композиційні матеріали для будівництва, 1999. - С. 30-33.

Внесок здобувача - отримані лінійні рівняння регресії міцності, модуля пружності, нижня та верхня границі мікротріщиноутворення залежно від узагальненого чинника складу бетону.

6. Столевич А.С., Макаров С.В., Столевич И.А. Потери предварительного напряжения в арматуре от ползучести и усадки легких бетонов//Сб. науч. трудов ОГАСА. - Одесса: Город мастеров, 1998. - С.106-108.

Внесок здобувача - пропозиції щодо розрахунку втрат попереднього напруження у арматурі від усадки та повзучості кералітобетону.

7. Столевич А.С., Макаров С.В., Столевич И.А. Вплив рецептурно- технологічних факторів на фізико - механічні властивості легких бетонів// Сб.наук.праць “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди”. Вісник РДТУ, ПЗТВ АБУ.- Вип.2-Рівне.-1999.-С.50-55.

Внесок здобувача -досліджено вплив та приведено залежності міцнісних та деформативних характеристик кералітобетону на вапняковому піску від узагальненого складу бетону.

8.Столевич А.С.,Макаров С.В., Столевич И.А. Свойства некоторых разновидностей легких бетонов//Сб.науч.праць “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій.-Вип.4.-НАНУ Ф-МІ ім. Г.В.Карпенка.- Львів: Каменяр,2000.-С.403-408.

Внесок здобувача -отримані експериментальні залежності до прогнозування в часі призової міцності, модуля пружності, деформацій усадки та повзучості від узагальненого складу кералітобетону.

9. Столевич А.С., Макаров С.В.,Суханов В.Г., Костюк А.И., Столевич И.А. и др.. Конструкции из легких бетонов// Зб.наук.праць ОДАБА,-Вип.1.-Одеса: Місто майстрів, 2000.- С. 45-48.

Внесок здобувача - наведена загальна методика досліджень та понад 12 нормативних розробок (рекомендації, технічні умови) де приймав участь здобувач.

10. Столевич А.С., Макаров С.В., Костюк А.И., Суханов В.Г., Столевич И.А. Свойства легких бетонов на местных пористых заполнителях//Вісник ОДАБА.-Вип.6.-Одеса: Астропринт,2002. - С.202-208.

Внесок здобувача -приведені розрахункові залежності стосовно кералітобетону на карбонатному піску.

11. Столевич А.С., Костюк А.И., Макаров С.В., Столевич И.А. Оптимизация состава и стабилизация свойств кералитобетона на карбонатном песке//Вісник ОДАБА.-Вип.8.-Одеса: ОДАБА,2002.-С.163-167.

Внесок здобувача - проведений загальний аналіз міцності та деформативності і отримані оптимальні склади кералітобетону на вапняковому піску.

12. Столевич И.А.,Костюк А.И. Конструктивные элементы из кералитобетона// Вісник ОДАБА. - Вип. 13. - Одеса: Зовнішрекламсервіс, 2004.-С.154-159.

Внесок здобувача -результати досліджень несучої здатності, тріщиностійкості та деформативності стінових каменів, блоків та попередньо-напружених суцільних плит перекриття та покриття.

Размещено на Allbest.ru