автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Композиционные строительные конструкции с применением фибробетонов

Министерство путей сообщения Российской Федерации Московский государственный университет

путей сообщения ( МИ ИТ )

__ _ "

На правах рукописи

Абу Хассун Барджас ^Секмат УДК 624.042:621 ( 043.3 )

Композиционные строительные конструкции с применением фибробетонов.

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения .

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москпа -1997

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения ( МИИТе)

Научным руководитель - кандидат теническнх наук,

профессор Я.И.Швццко

Официальные оппоненты -доктор тех.наук, профессор

Костяев П.С.

кандидат тех.наук. Решетник A.A.

Ведущая организация - -ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко

Защита диссертации состоится " / " в "

в ауд. /¿/А на заседании диссертационной совета ДИ4.05.08 по специальности 05.23.01 "Строительные конструкции, здния и сооружения'1 Московского государственного университета путей сообщения ( МИИГГа ) по адресу: 101475 г.Москва , ул.Образцова ,15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета^кандидат технических наук доцент

В.И.Юнокнн

Обща л характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время являются вопросы создания , и совершенствования конструкции на основе применения материалов , обладающих высокими физико-механическими свойствами , атмосферостонкостыо , , износостойкостью , трещиностойкостмо и другими свойствами .

Это объясняется необходимостью строительства и реконструкции надежных и долговечных зданий и сооружений химической промышленности, сельского хозяйства , транспорта ( железнодорожного , авиационного , автомобильного и водного ) и других, технологические процессы которых требуют изыскания эффективных средств защиты строительных конструкций . Традиционные материалы уже сейчас не всегда удовлетворяют этим требованиям.

Отмеченные выше области строительства получают развитие и в Сирийской Арабской Республике.

Развитие строительства сопровождается непрерывными поисками более совершенных конструкционных строительных материалов , внедрение которых , в свою очередь , приводит к необходимости Создания новых конструкций и технологических приемов.

Эффективным типом конструкционных материалов , обладающих целым комплексом высоких показателей физико-механических свойств , яш1яштся' бетоны с дисперсным армированием (фибробетоны ).

Новые материалы требуют создания и новых конструктивных форм и решений , в которых полностью

нснользуются их положи тельные свойства . Такому решению в наибольшей степени отвечает создание композиционных конструкции , основанных на сочетании различных конструкционных материалов и отличающихся высокой эксплуатационной надежностью и долговечностью . Решение указанной выше проблемы имеет важное актуальное значение.

Целью работы является экспериментально-теоретическое исследование работы фибробетонов и композиционных-строительных конструкций на их основе.

Это потребовало решение следу ющих основных задач:

- аналитически выявить и оценить основные факторы , влияющие на работу фнбробстонов и композиционных строительных конструкции на их основе ;

исследовать механику деформирования н разрушения фибробетонов;

- установить упрочняющий эффект дисперсного армирования с учетом упругих свойств дискретных волокон и матрицы и параметров армирования;

- выявить особенности работы двухслойных конструкций с применением фибробетонов;

- разработать предложения по расчету композиционных конструкций двухслойного типа с учетом реальных свойств применяемых материалов.

Научная новизна.

Подтверждены гипотеза о наличии связи между Л1»слокациям11 и пластическими деформациями в фмбробетоиах , а также основные положения механики деформирования фибробетонов , обуславливающие повышения их прочности , жесткости и предельной растяжимости . Выявлено .напряжеино-дефформированное состояние двухслойной плиты при нагруженин с учетом свойств реально применяемых

лнозиционных материалов. Определены усилия и построены »граммы напряжений композиционной конструкции гхслоиного типа с применением фибробетона .

акт нческое значенне.

Результаты выполненных исследований могут быть юльзованы в строительных отрослях , как в Сирийской абской Республике , так и в Российской Федерации .

Выявлены параметры , обуславливающие повышение )чностн , жесткости и трещиностойкости фнбробетонов . 1лизована программа для расчета двухслойной конструкции с :том свойств реально применяемых композиционных герналов.

бликанин.

По теме диссертации опубликовано две научные работы . робации работы выполнена:

на кафедре " Строительные конструкции " Московского ударственного университета путей сообщения (МИ ИТ); и конференции " Недели науки - 94 " МИИТа ; а второй Международной научно-технической конференции ктуальные проблемы развития железнодорожного транспорта", >сква , 1996 год.

руктура и объем работ.

Диссертаций состоит из введения , 3 (трех ) глав , общих водов , списка использованных источников , содержит 104 1аниц машинописного текста , 24 ( двадцати четырех ) :унков, 9 ( девяти ) таблиц и списка использованных !очников 115 ( сто пятнадцати ) наименований.

Содержание работы

Во висдснин обоснована актуальность проблем , а также научная новизна работы и ее практическое значение.

В первой главе изложен аналитический обзор исследований в области дисперсно армированных бетонов и композиционных строительных конструкций .

Виды н сфера применения армирован'-ых материалов конструкций из них постоянно расширяются . В последние го; объектом особого внимания стало создание композицнонш материалов с заранее заданным комплексом физик механических свойств . Это объясняется ужесточением у слов эксплуатации строительных конструкций , связанное с бурнь развитием техник , и , в связи с этим, стремлением специалист существенно улучшить свойства конструкционных строителыи ■материалов и , в первую очередь , повысить их прочность растяжение , трещнпостоикость , ударную вязкость истираемость , непроницаемость и др. Все это буд способствовать повышению долговечности и эксплуатационн надежности строительных конструкций , снижению 1 материалоемкости.

Композиты , как правило , состоят из двух или бол разнородных по своим свойствам материалов с установлен»! границей раздела между ними. При определенном сочетай! составляющих композиционный материал приобрета повышенные физнко-механнческие свойства , которыми не мож обладать никакой из его компонентов в отдельности . Приче.\ конечные свойства композиционных материалов в значительн мере определяются как свойствами матриц и армнрующ волокон , так и степенью взаимодействия между ними содержанием к геометрией волокон. Существенное влияние : свойства композитов оказывают также технологические факто| и , в первую очередь , возможность равномерного распределен волокоц по объему и обеспечение их онределенн направленности. Сочетание высокой удельной прочности с

мической стойкостью и пониженной теплопроводностью зволяет применять дисперсно-армированные материалы в таких нструкциях , в которых ранее известные материалы или лоэффектнвны , или вообще непригодны .

Так , некоторые исследователи ( Л. Коттрел ) сходятся во ¡енни на том, что "упрочнение волокнами имеет так много симуществ , что , повнднмому , в будущем составит основу лучения прочных инженерных материалов " .

Значительные исследования проводятся по разработке сперспо-армированных бетонов , их практическому применению чонструкцнях и сооружениях промышленного , транспортного и ажданского строительства . Введение в бетонную смесь ротких , произвольно ориентированных волокон органического неорганического происхождения заметно улучшает свойства гонов : прочность на растяжение , сопротивление образованию сщин , ударным воздействиям , истиранию , температурным здействиим .

юанализирован как общий подход к механике композиционных териалов в целом , так и отдельных , входящих в этот класс териалов.

Значительный вклад в развитие механики мпозиционных материалов как в Российской Федерации , так и рубежом , внесли работы В.В.Болотина, В.С.Ивановой , П.Макарова , А.К.Малмсйстера , А.ВЛГосарева , М.Огибалова , Ю.Н.Работнова , А.М.Скудры , .М.Тарнопольского , И.И.Фраицевича , Т.Д.Шермергора , к.Авестона, Б.Агарвола , Л.Браутмана, Р.Крнстенсена , (Срока , А.Иамэна , Д.Оуэна , М.Ричардсона , Дж.Спурьера, Томаса , Г.Холистера , и др. Анализ этих работ позволил |делнть основные направления в исследовании механики мпозитов.

Внедрение новых конструкционных материалов тровождается непрерывными поисками и новых нструктивных форм и решений , рациональных методе*» расчета фоектироваиня . Весьма интенсивно в последние годы в нашей )ане и за рубежом ведутся исследования комиозищюиных

конструкнн , основанных на сочетании армированных цементн бетона и полимерных материалов , полммербетонов . конструкциям» такого типа в основном относя железобетонные конструкции с различного рода полимернь покрытиями , конструкции двухслойного типа .

Исследованиями различных авторов выявл повышенная несущая способность , жесткость, трещнностойкс и физико-химическая стойкость композиционных конструкт разработаны предложения по их расчету и проектированию .

В результате анализа состояния проГ гемы , выявле вопросов , наиболее важных для создания и внедре композиционных строительных конструкций на оси фибробетонов м требующих дальнейшей разработки , 61 сформулированы задачи настощих исследований.

Во второй_главе приведены результ;

экспериментальных и теоретических исследований фибробетон

Свойства композиционных материалов , представляю! собой многокомпонентные системы , определяются различна факторами : свойствами , количественным содержанием качеством отдельных составляющих , соотношением между ни технологией изготовления и др. Вследствие та многофакторности свойств , имеющиеся в технической литера! данные носят довольно противоречивый характер . В послед годы начаты и получили дальнейшее развитие исследова технологии , свойств и определение оптимальных соста композиционных материалов , с применением математичес методов планирования экспериментов.

Классические методы планирования экспериментов чаще заменяются более эффективными- методами , кото позволяют существенно сократить число опытов и получить б< полную информацию об изучаемом процессе . К ним отноа статические методы планирования экстремальных эксперимен Эти методы позволяют оптимальным способом реи экспериментальные задачи , особенно в части соотношс ингредиентов , а также описывать изучаемые процессы в фо математической модели.

Исходным теоретическим моментом статист'ических тодов планирокання экстремальных экспериментов является ея возможности апроксимацин изучаемого процесса в форме линома методом наименьших квадратов . Однако , в отличие от [ассического регрессионного анализа , здесь экспериментатор |бнрает заранее такие точки в факторном пространстве , ггорые позволяют достаточно просто определять как »эффициенты регрессии , так и их статистическую ошибку.

Свойства фибробетона в наибольшей мере определяются оиствами матрицы , содержанием и свойствами армирующих локон , соотношением между их длиной и диаметром , которые, свою очередь , являются независимыми , случайными юторами , и др . Установление общих закономерностей ;ханнзма влияния этих факторов на некоторые шетрукционные свойства фибробетона проводилось с помощью »тематнко-статнс1 ических методов планирования и обработки зультатов эксперимента , в частности , с использованием погофакторного композиционного планирования.

Свойства бетонной .матрицы характеризовались 'личиной модуля упругости . Необходимо отметить , что с (сличением

уменьшением ) величины модуля упругости увеличивалась ( <епьшалась) прочность матрицы.

Свойства фибробетона в рассматриваемом случае шялись функцией следующих факторов , изменяющихся в эеделах:

XI- степень наполнения матрицы волокнами (содержание волокон ) - ( 0,2 - 8,0 ) % ;

Хг - длина йолокои - ( 5 - 45 )• мм ;

Х3 - модуль упругости матрицы - (100 - 300 ) 102 Миа .

Общее количество экспериментов при К=3 ( где К*-вличество факторав вырьировання ) равно 20 .

Выбор величины " звездного плеча " ( а = 2кМ = 2,Л1 = ,682 ) и количество экспериментов в центре плана

осуществлялось в соответствии с требованиями ротатабельнос планирования.

Средние уровни переменных : Xi = 4,1% ; Xz = 25 мм ; X; 200x102 Мпа.

Шаг варьирования переменных : Xi = 2,3% ; Хг = 12 м-Х3 = 60x102 Мпа.

Порядок проведения экспериментов был рандомизиров; что позволило ослабить влияние неконтролируемых переменш В математической постановке задача сводится к отыскаш уравнений регрессии , . аналитической и графнческ интерпретации полиномиальных моделей ( уравнения регресс искались в классе полиномов второго порядка) .

Получены следующие уравнения регрессии ( математические модели )

R™ = 190,8-21,llXi - 1,05X2- 0,001Хз+ l,98Xi2 - 0,063Х,)

+l,29xlO-5XiX3 + 0,032Х22 - 1,354x10* Х2Х3 + ЗхЮ» Х32;

R, = 66,5 + 00,28Xi - 0,025X2 - О.ОООЗХз + 0,58Xi2 -

0,116XiX2 -2,45xl0"5 X1X3 + O^IXj2 + l,9xl(H X2X3 +

1,29x10-» X32;

E = 3,36x10« - 0,2436x10* Xi + 0,017x10» X2 - 0,08Хз-

2,18x102Xi2- 6,8X1X2 + 0,02XiX3 - 8,2Хг2 + 0,0015ХгХз +

7,2x10-® X32.

Для проверки адекватности полученных ураиений ( , вероятностью 0,95 ) определены расчетные значения критер Фишера ( F - критерия ),

которые составили соответственно 2,906 ; 5,008 ; 2,183; 4,018 , ч меньше F„&,. = 5,05 (т.е. уравнения адекватны ).

Классическое исследование полученных уравнений применением математического анализа является сложным лишено наглядности . Поэтому уравнения исследованы пут! фиксирования некоторых параметров ( в данном случае Xi) на т или иных уровнях и варьирования остальных .

Анализ уравнений и графиков показал , что для получения ксимальных значений прочности м модуля упругости дисперсно жированного полимербетона значения факторов влияния Хг и должны быть в следующих пределах ( табл. 1).

Таблица 1

Оптимальные значения факторов влияния

раметр процесса , Х,=0,2% Х,=4,1% Х1=8,0% (лежащий оптимизации

х2 , мм 37,0 37,0 5(45)

,-Мпа 30000 30000 30000

Х2 , мм 27,0 35,6 34,1

Х3 , Мпа 22000 30000 30000

В табл. 2 приведены результаты дисперсионного анализа [ каждого параметра оптимизации .

Таблнца 2

Результаты дисперсионного анализа параметров прочности и модуля упругости

Параметр Максимальное откло- Относи- Обшая Остаточная процесса, пение эксперкменталь- тельная диспер дисперсия

подлежа- ных и расчетных зна- ошибка сия функци щий оптн- чений функции отклн- функции

мизацим ка , Мпа ¿иакс » жеа

К 19,8 0,58(9)* 3,637Х103 1,251x10

Ив 7,9 0,22(14)* 1,23x103 0,246x10

Е 3,544x103 0,18(9)* 20,56х107 5,117х1С

*) Цифры в скобках - номер точки I ( где 1 = 1,2,3,...,!» ) которой обнаружено ём»ке •

Анализ влияния каждого из факторов и их взаимодейсн показал следующее:

1) повышению прочности при изгибе диспер» армированного армополимербетона способствуют все пар! взаимодействия ( содержание волокон и их длина , длина воло1 и модуль упругости матрицы и т.д. ) , а также увеличение для волокон;

2) при увеличении только степени наполне] полимербетонной матрицы армирующими волокнами прочно при изгибе снижается ,*

3) прочность при сжатии армополимербетона повышае с увеличением содержания армирующих волокон .

Исследовано влияние модулей упругости матрицы Еч и армирующих волокон Ее при различных значениях 1/(1 ( соотношение между длиной и диаметром армирующих волокон) и уровня дисперсного армирования ¡л на модуль упругости композита фибробетона .

Модуль упругости матрицы существенно влияет на модуль упругости фибробетона только при высокое уровне дисперсного армирования

( рис. 1. ) .При незначительном армировании модуль упругости фибробетона почти не отличается от модуля упруго тн матрицы .

Ев

Важно отметить , что с увеличением соотношения - —— ( в

Ем

случае применения высокомодуль»; к волокон ) , во всех случаях происходит снижение модуля упругости фибробетона ( рис. 2 ).

Увеличение параметра 1/(1 , т.е. с увеличением длины армирующих во. жон , а также с увеличением их содержания , в основном происходит и повышение модуля упругости фибробетона ( рис. 3 и 4 ).

Зависимость модуля упругости фибробстона ( Еф ) от модуля упругости матрицы ( Е м)

Егф & ¿;0'!О МПя.

За

2 о

1 \

/ \ ' 6Г

2г?

1- ц = 1,8% №41

2- .д. = 1,8% №15

3- /# = 4,1% №28

4- // = 5,4% №41

5- // = 6,4% №15

рис. 1

Завнсимость модуля упругости фибробетона ( Еф) от соотношения Ев/Ем при различном содержании дисперсной арматуры ( ¡.I ) и постоянном 1/(1 = 27-42

За

го

10

£ =2Ш

—7-;

:

2о

зо

1-я

2- Ц

= 6,4% = 4,1% = 1.8%

Зависнмость модуля упругости фибробетона от соотношения 1/d

fy^ïo.fo* МЛ*

до

г о

—"~~r* S . -

-4

Ч

11

12

¡5

30

1 - Ем = 26000 M Па

2 - Ем = 14000 M Па 3- Ем = 26000 M Па

4 - Ем = 14000 МПа

5 - Ем = 20000 МПа

/i =6,4% // = 6,4% ц- 1,8% pi- 1,8% /у = 4,1 %

рис. 3

Зависимости модуля упруг ости фибробетона от содержания армирующих волокон

* - 40- /О 3 МП а

1 - 1/с1 = 43,5

2 - 1/а = 16

3-1/(1 = 29,5

1 и 2 - при Ем = 26000 МПа 3 - при Ем = 20000 МПа

ТИфективным теоретическим методом исследования структурно-неоднородных сред является представление их в виде моделей (структурных, математических ). Гак , рассматривая на микроскопическом уровне фибробетон., дисперсно армированный хаотически направленными волокнами , представим его как состоящий ит отдельных зерен содержащих элементарные волокна различной направленности . Соотношения между напряжениями и деформациями дня материала , состоящего из зерен , обладающих различными свойствами , оценивается методикой усреднения . При этом использована гннотиза Я.И.Швидко , согласно которой задача определения пластических деформаций и армонолимербетонах сводится к теории непрерывно нарушаемых дислокации.

Одной из широко распространенных моделей перехода от упругого поведения тела в некоторой точке к пластическому является условие пластичности ( или критерий текучести ) Треска-Сен-Вепана . Когда пластическое п' ведение материала обуславливается движением дислокаций , обобщенный критерия текучести формулируется следующим образом:

О + CT.uk;,. < 21\ здесь сг - растягивающее напряжение;

<х ;икл - дислокационное напряжение ; 2К - предел упругости.

Получены уравнения состояния для неоднородных композиционных материалов , отличающихся неоднородностью по пределу упругости.

Механизм деформирования дисперсно армированного композита при растяжении имеет следующие особенности : армирующие волокна представляют собой континуальную физическую преграду для субмикротрещнн , препятствуя их развитию ; армирующие волокна снимают пиковые и&пряжеши! перед фронтом приближающейся трещины ( при условии , что длина волокон превышает длину начальных структурных трещин); энергетический баланс структурной трещины

сущсственно улучшается вследствие прохождения через нее армирующих волокон , которые перекрывают ее и деформируются в данном месте одновременно с раскрытием трещины .

Эти особенности обуславливают не только повышение прочности и жесткости армополнмербетона , но одновременно способствуют увеличению растяжимости композита в целом .

В третьей главе приведены результаты расчета двухслойной конструкции ( плиты ) , состоящей из фнбробетона и железобетона . Расчет выполнен с применением метода конечных элементов.

Параметры , характеризующие физико-механические свойства материалов , взяты из полученных экспериментальных данных . В расчете использован энергетический метод для консервативных систем . В результате выявлено напряженно-деформированное состояние двухслойной плиты мри статическом и динамическом напряжениях с использованием свойств реально применяемых в практике строительства композиционных материалов , а также определены усилия в арматуре и построены диаграммы напряжений , формирующиеся при нагружении композиционной конструкции двухслойного хила с применением фибробетона.

Общие выводы.

Па основе проведенных комплексных экспериментальных и теоретических исследований работы фибробетонов и композиционных строительных конструкций на их основе сформулированы следующие основные выводы:

1. Исследована механика деформирования и разрушения фибробетонов. Выявлен упрочняющий эффект дисперсного армирования дискретными волокнами.

2. Установлено влияние соотношения модулей упругости матрицы и армирующих волокон, размеров и содержания последних на конструкционные свойства фибробетонов и получены соог ветствующие зависимости. Доказано, что модуль упругости матрицы существенным образом влияет на модуль упругости композита только при высоком уровне дисперсного армирования.

С повышением соотношения модулей упругости армирующих волокон и матрицы происходи г уменьшение модуля упругости фибробетона . Показано , что увеличение длины армирующих волокон и их содержания приводит к повышению модуля упругости фибробетона.

3. Получены ( в нелинейной постановке) зависимости между напряжениями и деформациями композитов , описывающие как семейство кривых , так и осредненную кривую о - € . Это позволяет отказаться от использования традиционно применяемых моделей , базирующихся на условном " правиле смесей ".

4. Выполнен расчет композиционной конструкции двухслойного типа с применением фибробетона , определены частоты собственных колебаний масс и форма колебаний двухслойной плиты во времени .

5. Выявлено иапряженно-деформированнос состояние двухслойной плиты при статическом и динамическом нагруженная с использованием свойств реально чримошемых в практике строительства композиционных материалов .

Основные положения и результаты диссертационной •оты опубликованы в следующих печатных трудах :

1. Швидко Я.И., Абу Хассун Б.Х. Дисперсное (ирование химически стойких бетонов. Тезисы докладов по »гам "Недели наукл-94", часть И , МИИТ, 1995 , с. 14-15.

2. Швидко Я.И., Абу Хассун Б.Х. Повышение плуатационной надежности строительных конструкций шовых электростанций. - В сб.:"Акту альные проблемны вития зк.д.транспорта . Тезисы докладов 11 Мездународной гчно-технической конференции, МИИТ, том 11,1996, с.23-