02 марта 2016г.
Большинство конструкций и изделий, используемых в отрасли ―Строительство‖ изготавливаются на основе традиционных материалов, таких как бетон, сталь, древесина, керамика и др. Однако при определенных условиях эксплуатации (агрессивная среда, повышенные нагрузки и т.д.) данные материалы не всегда могут соответствовать требованиям, предъявляемым к ним. Одним из путей обеспечения требуемых эксплуатационных показателей является применения в качестве материала для строительных конструкций полимербетонов различных видов.
В настоящее время в строительстве нашли применение полимербетоны на основе фурановых, эпоксидных, полиэфирных, карбамидных и других смол. Стоит отметить, что промышленное производство этих смол в России за последние годы резко сократилось или оказалось полностью за пределами государства (фурановые смолы), в результате чего стоимость их резко возросла. В виду этого повышение стойкости конструкции к различным агрессивным средам возможно с использованием альтернативных полимеров, например, диеновых олигомеров, принадлежащих к классу жидких каучуков.
Материал, полученный на основе жидких каучуков, выпускаемых несколькими заводами в РФ, в том числе Воронежским заводом синтетического каучука (СК-2)-каучуковый бетон (каутон), состав которого приведен в Табл.1, обладает высокой, практически универсальной химической стойкостью (Табл.2) и благоприятными физико-механическими свойствами (Табл.3).
В процессе исследований свойств каутона и строительных конструкций на его основе, которыми занимались: Потапов Ю.Б.[9,10], Борисов Ю.М.[1,2,3,4], Нгуен Фан Зуй [5], Пинаев С.А.[7], Поликутин А.Э.[8], Чмыхов В.А.[11], Панфилов Д.В.[6] и др., была доказана эффективность применения данного материала и конструкций на его основе.
Таблица 1
Компонентный состав армокаутона
Наименование компонентов
|
Содержание компонентов, мас. %
|
Цис-полибутадиеновый низкомолекулярный каучук СКДН-Н
|
8,0
|
Сера техническая
|
4,0
|
Тиурам-Д
|
0,4
|
Оксид цинка
|
1,6
|
Оксид кальция
|
0,5
|
Зола-унос
|
7,0
|
Кварцевый песок
|
24,0
|
Щебень
|
54,5
|
Таблица 2
Коэффициенты химической стойкости каутона
Вид агрессивной среды
|
Коэффициент химической стойкости
|
через 1 год экспонирования
|
прогнозируемый через 10 лет
|
20 %-ный раствор серной кислоты
|
0,95
|
0,95
|
3 %-ный раствор азотной кислоты
|
0,8
|
0,7
|
10 %-ный раствор лимонной кислоты
|
0,9
|
0,8
|
20 %-ный раствор едкого натрия
|
0,95
|
0,95
|
10 %-ный раствор едкого калия
|
0,8
|
0,65
|
Насыщенный раствор хлористого натрия
|
0,9
|
0,8
|
Дизельное топливо
|
0,95
|
0,95 |
Таблица 3
Физико-механические свойства каутона
Свойства
|
Показатели для каутона
|
Прочность при сжатии, МПа
|
76,9…100,3
|
Прочность при растяжении, МПа
|
13…18
|
Модуль упругости, МПа
|
(1,5…1,8)´104
|
Коэффициент длительности при сжатии
|
0,72…0,76
|
Коэффициент Пуассона
|
0,2…0,3
|
Теплостойкость, о С
|
100…110
|
Морозостойкость, число циклов замораживания – оттаивания, не менее
|
500
|
Истираемость, г/см2
|
0,25…0,79
|
Водопоглощение, мас. %
|
0,05
|
Усадка, мм/м
|
–
|
Главным недостатком тяжелого цементного бетона (при применении его в изгибаемом элементе) является значительная разница между прочностью на сжатие и на растяжение (в 10-15 раз), что вызывает ранее трещинообразование и, как следствие, неучѐт работы растянутой зоны при эксплуатационных нагрузках в расчетах по прочности. То есть в железобетонном изгибаемом элементе работает не все сечение, а только сжатая зона, при этом растянутая зона лишь добавляет вес конструкции и обеспечивает проектное положение арматуры. Устранить или свести к минимуму этот недостаток можно путем использования в растянутой зоне материала с более высокой прочностью на растяжение, чем у бетона, приравняв (или приблизив) тем самым прочностные показатели сжатой и растянутой зон в изгибаемом элементе. В результате получаем изгибаемый элемент с одинаковыми или близкими по значению прочностями сжатой и растянутой зон, что позволяет более полно и эффективно использовать каждый из материалов. Кроме того, использование каутона в растянутой зоне благоприятно сказывается на защите стальной арматуры от внешнего воздействия среды. Однако, поскольку каутон подвержен образованию трещин (как и бетон, но при больших напряжениях), остается необходимость в армировании растянутой зоны, чтобы не происходило разрушение элемента с образованием первой трещины.
Оптимальная работа конструкций в условиях агрессивных сред обуславливается не только применением новых эффективных строительных материалов высокой коррозионной и химической стойкости, но и использованием таких форм поперечного сечения, которые позволяют максимально полно использовать конструкционные свойства материалов. Одной из таких форм поперечного сечения изгибаемых каутоно- бетонных элементов является тавровая с полкой, расположенной в сжатой зоне. Использование конструкции таврового поперечного сечения позволяет снизить расход материала, за счет удаления части растянутой зоны. Нами предлагается в сжатой полке таврового сечения использовать тяжелый цементный бетон, в растянутом ребре-каутон.
Исследованием подобных конструкций, но прямоугольного поперечного сечения занимался автор работы [5], который экспериментально показал, что каутон имеет высокую адгезию к бетону (в процессе испытания балок отслоение материалов не наблюдается), что делает использование такого сочетания материалов в двухслойной конструкции возможным и целесообразным.
Настоящая работа посвящена изучению прочности каутоно-бетонных элементов строительных конструкций таврового профиля, подверженных воздействию поперечного изгиба при различных процентах продольного армирования, с бетонной полкой в сжатой зоне и каутоновым ребром в растянутой.
Для достижения поставленной цели нами предполагается изготовление и испытание каутоно-бетонных балок с таким изменяемым параметром, как процент продольного армирования; получение данных о напряженно- деформированном состоянии, несущей способности, и разработка рекомендаций по проектированию данных конструкций. С целью сравнения работы исследуемых конструкций с традиционными (железобетонными) будут изготовлены железобетонные балки аналогичные по геометрическим параметрам и армированию каутоно- бетонным.
При исследовании нормальных сечений изгибаемых двухслойных каутоно-бетонных элементов таврового поперечного профиля необходимо решить следующие задачи:
– провести анализ напряженно-деформированного состояния нормальных сечений двухслойных каутоно- бетонных изгибаемых элементов при изгибе;
– оценить влияние процента продольного армирования на прочность;
– разработать рекомендации по расчету нормальных сечений каутоно-бетонных изгибаемых элементов.
Для решения поставленных задач предполагается изготовить 5 серий образцов-балок таврового поперечного сечения из каутон-бетона с различным процентом продольного армирования. Все балки испытываются на поперечный изгиб двумя симметрично приложенными силами. Схема загружения представлена на Рисунке 1. В качестве продольного армирования используем стержневую арматуру класса А500С диаметрами 8мм, 10мм., 12мм., 14мм. и 16 мм. (с процентом продольного армирования 0,84%; 1,31%; 1,89%; 2,57%; 3,35% соответственно). Диаметр и количество стержней продольной стержневой арматуры назначен исходя из условия разрушения балки по нормальному сечению по растянутой зоне.
Для контроля прочности на сжатие и
растяжение одновременно необходимо
изготовление образцов-призм размером 4x4x16 см. и образцов-восьмерок, представлены соответственно на Рисунке
2a и Рисунке 2b.
С целью выявления
особенности НДС нормальных сечений проводим измерение продольных
деформаций нормальных сечений по высоте элемента
при помощи тензодатчиков
(схема наклейки тензодатчиков показана на Рисунке 3).
В Табл.4 представлены параметры
экспериментальных изгибаемых каутоно-бетонных элементов
таврового поперечного сечения.
Таблица 4
Параметры экспериментальных балок
Исследование влияния процента продольного армирования на прочность нормальных сечений
|
Толщина полки, мм
|
25
|
Ширина полки, мм
|
180
|
Высота балки, мм
|
120
|
Количество и диаметр стержней продольной арматуры, мм
|
1∅8; 1∅10; 1∅12; 1∅14; 1∅16
|
Процент продольного армирования, %
|
0,84; 1,31; 1,89;
2,57; 3,35
|
Данные исследования при таком сочетании материалов и такой форме поперечного сечения проводятся впервые. В дальнейшем, на следующих
этапах исследования планируется дополнительно варьировать толщиной и вылетом полки
тавра.
Список литературы
1. Борисов Ю.М. Исследование несущей способности нормальных
сечений двухслойных каутоно-бетонных изгибаемых элементов [Текст] / Ю. М. Борисов, А. Э. Поликутин, Нгуен Фан Зуй // Вестник
Центрального регионального отделения
РААСН: сборник научных статьей. – Воронеж: ВГАСУ, 2010. – Выпуск 9. – С. 133 – 137.
2. Борисов Ю.М. Напряженно-деформированное состояние нормальных сечений двухслойных каутоно- бетонных изгибаемых элементов
строительных конструкций [Текст]
/ Ю. М. Борисов, А. Э. Поликутин, Нгуен Фан Зуй // Научный вестник ВГАС «Архитектура и строительство». – Воронеж: ВГАСУ, 2010. – № 2. – С. 18-24.
3.
Борисов Ю.М. Дисперсно армированные строительные композиты
[Текст] / Ю.М. Борисов,
Д.В. Панфилов, С.В. Каштанов, Е.М. Юдин // Строительная механика и конструкции, 2010. – № 2 (5). – С. 32-37.
4.
Борисов Ю.М. Задачи
и методика экспериментальных исследований нормальных сечений изгибаемых элементов таврового профиля из армокаутона [Текст]
/ Ю.М. Борисов, А.Э. Поликутин, А.С. Чудинов, А.Ю. Атанов // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология,
2011. – № 1. – С. 52-57.
5. Нгуен Фан Зуй. Двухслойные каутоно-бетонные изгибаемые элементы строительных конструкций [Текст]: дисс. … канд. техн. наук: 05.23.01
/ Нгуен Фан Зуй. – Воронеж,
2010. - 185 с.
6. Панфилов Д.В. Дисперсно
армированные строительные композиты на основе
полибутадиенового
олигомера [Текст]: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.05
/ Панфилов Дмитрий Вячеславович. - Воронеж,
2004.– 188 c.
7.
Пинаев С.А. Влияние полимерцементной защиты на трещиностойкость железобетонных изгибаемых элементов. [Текст] / Пинаев С.А., Франсиско Савити
Матиас да Фонеска
// Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие
технологии. Экология. – Воронеж: ВГАСУ, 2011. – Выпуск 1. – С85–88.
8.
Поликутин А.Э. Прочность
и трещиностойкость наклонных
сечений изгибаемых элементов
строительных конструкций из армокаутона [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.01 / Поликутин
Алексей Эдуардович.- Воронеж, 2002. –235с.
9.
Потапов Ю.Б. Высокоэффективные композиты на основе жидких каучуков
[Текст] // Материалы международной научно-технической конференции (IV Академические чтения
РААСН) "Актуальные проблемы строительного материаловедения": сб. науч. статьей. – Пенза, 1998.– С. 16-17.
10. Потапов Ю.Б. Каутоны –
новый класс коррозионностойких строительных материалов [Текст]
// Строительные материалы XXI века. – 2000.– № 9. – С. 9-10.
11. Чмыхов В. А. Сопротивление каучукового бетона действию агрессивных сред [Текст]: дисс. … канд. техн. наук : 05.23.05
/ Чмыхов Виталий Александрович. – Воронеж, 2002.
– 224 с.