автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Технологии создания и методы расчета фибробетонных и фиброжелезобетонных элементов с агрегированным распределением волокон



На правах рукописи

АЙВАЗЯН Эдуард Суренович

ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ФИБРОБЕТОННЫХ И ФИБРОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С АГРЕГИРОВАННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ВОЛОКОН

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения 05.23.08 - Технология и организация строительства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ОКТ 2013

Ростов-на-Дону - 2013

005534730

Работа выполнена в Федеральном бюджетном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

Научный руководитель: - заслуженный строитель РФ,

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Ростовского государственного строительного университета МАИЛЯН Левон Рафаэлович (05.23.01) Научный консультант: - кандидат технических наук, доцент

Ростовского государственного строительного университета Маилян Александр Левонович (05.23.08)

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Сочинского государственного университета ПЕРЕСЫПКИН Евгений Николаевич(05.23.01) - доктор технических наук, профессор, директор Комплексного научно-исследовательского института РАН, БАТАЕВ Дени Карим-Султанович (05.23.08)

Ведущая организация: - ОАО ПСП «СевКавНИПИагропром»

Защита состоится 26 октября 2013г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 в Ростовском государственном строительном университете по адресу:

344022 Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, тел/факс 8(863)227-73-78; 227-75-68; E-mail: dis_sovet_rgsu@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета Автореферат разослан 25 сентября 2013г.

Ученый секретарь A.B. Налимова

диссертационного совета, ^___

кандидат технических наук, доцент

I •

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность . темы. Правительственная стратегия развития строительного комплекса России на период до 2020 года состоит «.. .в освоении выпуска нового поколения высококачественных строительных материалов и изделий, в том числе композитных».

Это диктует необходимость создания более совершенных материалов и конструкций, которые характеризовались бы максимальными надежностью и долговечностью и минимальными затратами. Среди них особое место занимают фибробетон и фиброжелезобетонные конструкции.

Одной из основных проблем фибробетона и фиброжелезобетона на сегодня является, .создание равномерного (агрегированного) распределения волокон по длине или объему элемента.

' Эту проблему, чаще • всего без особого успеха, пытаются решить с помощью раздельных технологий перемешивания различных компонентов фибробетона в бетоносмесителе или применением специальных его видов.

Вместе, с: тем, : очевидно, что комплексное конструкторско-технологическое .решение этой проблемы позволит получить как материал, так и конструкции из него, обладающие по сравнению с традиционными аналогами повышенными технико-экономическими показателями.

В связи с этим, тема диссертационной работы представляется актуальной и важной. - : . .■",.-

Цель диссертационной работы - разработка новых технологий создания фибробетона с агрегированным распределением волокон, исследование его физико-механических и конструктивных характеристик, изучение работы железобетонных элементов с предварительно напряженной и ненапрягаемой арматурой из него, разработка рекомендаций по расчетному определению характеристик фибробетона и методов расчета конструкций.

Для достижения цели необходимо решить задачи исследования:

- предложить теоретически и опробовать практически новые технологии создания фибробетона с агрегированным распределением волокон;

- исследовать экспериментально физико-механические характеристики фибробетона с агрегированным распределением волокон - прочность, деформации, модуль упругости и диаграммы деформирования при сжатии и растяжении и предложить расчетные зависимости для их определения;

- изучить экспериментально конструктивные свойства фибробетона с агрегированным распределением волокон - усадки, ползучести, усадочной трещиностойкости и длины зоны анкеровки, и разработать расчетные рекомендации по их определению;

провести экспериментальные исследования работы изгибаемых железобетонных элементов из фибробетона с агрегированным распределением волокон с предварительно напряженной и ненапрягаемой арматурой -прочности, деформативности и трещиностойкости, и предложить методы их расчетной оценки.

Решение поставленных задач позволит повысить эффективность фибробетона и строительных конструкций из него.

Объект исследования - фибробетон с агрегированным распределением волокон и железобетонные изгибаемые конструкции с преднапряженной и ненапрягаемой высокопрочной арматурой из него.

Предмет исследования - новые технологии создания фибробетона с агрегированным распределением фибр, разработка методов расчетной оценки его характеристик и работы изгибаемых конструкций из него.

Методы исследований — технологические, численные и экспериментальные, математического и физического моделирования, анализа размерностей, математической статистики.

Достоверность разработанных технологических рекомендаций и методов расчета подтверждается результатами статистической обработки численных и экспериментальных исследований автора и других исследователей.

Научная новизна работы:

- предложены новые челночная и конвейерная технологии создания фибробетонов с агрегированным распределением фибр;

- исследована работа фибробетонов с агрегированным распределением фибр класса ВЗО с процентом фибрового армирования 4% по челночной и конвейерной технологиям на сжатие и растяжение, выявившие их лучшие характеристики и диаграммы деформирования по сравнению с фибробетоном с произвольным распределением фибр по обычной технологии, предложены расчетные зависимости для их определения;

- изучены усадка, ползучесть, усадочная трещиностойкость, длина зоны анкеровки и потери преднапряжения в фибробетоне с агрегированным распределением фибр по предложенным челночной и конвейерной технологиям, выявлены их отличия от тех же характеристик в фибробетоне с произвольным распределением фибр по обычной технологии и предложены рекомендации по их расчетной оценке;

- проведены экспериментальные исследования изгибаемых элементов из бетона с агрегированным распределением фибр, произвольным распределением фибр и без фибр, с преднапряженной и ненапрягаемой арматурой выявившие

существенно лучшую прочность, деформативность и трещиностойкость балок с агрегированным распределением фибр;

- предложены новые способы расчета прочности нормальных сечений изгибаемых фиброжелезобетонных элементов и момента образования трещин, а также рекомендован расчет деформативности и ширины раскрытия трещин по методике норм с использованием разработанных рекомендаций по учету характеристик и диаграмм деформирования фибробетона с агрегированным распределением фибр;

- выявлено, что при определенных условиях фибровое армирование с агрегированным распределением фибр способно стать альтернативой предварительному напряжению арматуры, давая аналогичные характеристики балок по прочности, деформативности и трещиностойкости, сформулированы условия такой альтернативной замены.

Практическая ценность и внедрение результатов работы:

- издан Стандарт предприятия «Блоки стеновые фибробетонные с агрегированным распределением фибр» (ЗАО «Ростовский завод ЗЖБК», Ростов н/Д, 2013г.);

- налажен серийный выпуск блоков стеновых фибробетонных с агрегированным распределением фибр на ЗАО «Ростовский завод ЗЖБК», Ростов н/Д;

- рекомендации использованы при проектировании 2-х реальных объектов ОАО НПО «Эсмик-П» (Новочеркасск, 2012г.);

- результаты внедрены также в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете и Кабардино-Балкарских государственном университете и государственной сельхозакадемии.

На защиту выносятся:

- разработанные технологии создания фибробетонов с агрегированным распределением фибр;

- результаты численного моделирования работы фибробетона с агрегированным распределением фибр;

- результаты экспериментальных исследований фибробетона с агрегированным распределением фибр и изгибаемых железобетонных элементов с преднапряженной и ненапрягаемой арматурой из него;

- рекомендации по расчету и проектированию характеристик фибробетона с агрегированным распределением фибр и прочности, деформативности и трещиностойкости изгибаемых железобетонных элементов с преднапряженной и ненапрягаемой арматурой из него, основанные на анализе сходимости численных и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях «Строительство-2010...2013» (Ростов н/Д, РГСУ, 2010...2013гг.), 40...42 научно-технической конференции СевКавГТУ (Ставрополь, 2011...2013гг.), 1...Ш академических чтениях ЮРО РААСН по строительным наукам (Кисловодск, ЮРО РААСН, 2010...2012гг.)

Публикации. Основные результаты опубликованы в 7 работах, включая 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 4 статьи в других изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 153 стр. состоит из введения, пяти глав, общих выводов и содержит 110 страниц машинописного текста, 30 рисунков, 21 таблицу, библиографический список из 186 наименований и 5 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы, приводятся цель и задачи работы, описываются объект, предмет и методы исследований, достоверность результатов, научная новизна, практическая ценность и внедрение результатов, апробация, публикации, структура и объем работы.

В первой главе проводится анализ проблемы и существующих исследований по теме работы.

Отмечается, что благодаря работам Ю.М. Баженова, В.Н. Байкова, Л.Г. Курбатова, Б.А. Крылова, И.А. Лобанова, Л.В. Моргун, В.И. Морозова, JI.P. Маиляна, Л.А. Малинина, К.0. Михайлова, Г.В. Несветаева, Ю.В. Пухаренко, Ф.Н. Рабиновича, Б.Г. Скрамтаева, К.В. Талантовой, Т.К. Хайдукова , М.М. Холмянского и др. стало возможным применение фибробетонов и конструкций из них. Однако далеко не все вопросы на сегодняшний день решены в полной мере.

В результате анализа ставятся цель и задачи исследования. Во второй главе предлагаются новые технологии создания фибробетонов с агрегированным распределением фибр.

Общая постановка задачи - отойти от традиционного принципа -смеситель и опалубка неподвижны при приготовлении и укладке смеси, и предложить принципиально новые технологии приготовления фибробетона и изделий из него, в процессе которых один из двух основных технологических элементов - смеситель или опалубка - будет подвижным.

Предлагается челночная технология фибробетона с агрегированным распределением фибр, принципиально отличающаяся тремя основными особенностями и основанная на:

- не перемешивании, а смешивании",

- не исходных материалов - цемента, крупного, мелкого заполнителя, воды и фибр, а основных компонентов фибробетона - бетона и фибр;

- не внутри смесителя, а внутри опалубки изготавливаемого элемента.

Для линейных элементов вдоль опалубки перемещаются каретки с подающей бетон трубой бетононасоса и с подающим фибры раструбом дозатора волокон. Для плоскостных или массивных элементов каретки подачи бетона и фибр перемещаются по двум или четырем сторонам.

Перемещения кареток могут быть заданы в 4 режимах: последовательного и одновременного, однонаправленного и разнонаправленного движения.

Принципиально челночная технология изготовления фибробетона отличается тем, что один основной технологический элемент - смеситель -становится мобильным (подвижным); второй основной технологический элемент - опалубка - остается неподвижной.

Проведены исследования свойств фибробетонов с агрегированным распределением волокон, включающие испытания на осевое сжатие и растяжение 72 образцов, изготовленных по обычной и челночной технологиям.

В опытах варьировались технология — обычная, челночная в четырех режимах (последовательного: одно- и разнонаправленного и одновременного: одно- и разнонаправленного движения); вид НДС - осевое сжатие, осевое растяжение; вид образцов - призмы 10x10x40см, восьмерки 10x10x70см; возраст бетона - 7, 28, 90 и 365 суток; режим испытаний - с постоянной скоростью нагружения и деформирования. Бетон обычный тяжелый класса В 30, стальные волокна с процентом фибрового армирования 4%.

Перемещения кареток осуществлялись с помощью горизонтальных лебедочных механизмов (примерно 0,2м/сек), установленных по обе стороны от опалубок опытных образцов всей серии, выставленных в ряд по одной оси.

При одной проходке кареток заполнялась не более 1/8 высоты опалубки.

Анализ результатов выявил, что прочность на сжатие в 7сут. у фибробетонов по челночной технологии по всем режимам была выше, чем у фибробетонов по обычной технологии - на 6,3; 6,7; 6,4 и 6,9% соответственно, к 28сут.-на 9,6; 9,8; 9,7 и 10,1%, к 90сут.-10,4; 10,8; 10,5 и 11% и на 365сут,-11,5; 12,1; 11,7 и 12,2%. Прочность на растяжение - в 7сут. отклонения составляли 8,3; 7,9; 8,1 и 8,9%, 28сут. - 10,2; 10,8; 10,0 и 11,1%, 90сут. - 12,3; 12,8; 12,6 и 12,9% и 365сут- 12,4; 13,2; 12,7 и 13,3% соответственно.

Причиной повышения прочности фибробетонов по челночной технологии по сравнению с фибробетонами по обычной технологии в любом возрасте являлось равномерное (агрегированное) распределение волокон по сечениям, позволяющее, во-первых - сделать кластерообразование более равномерным, а

во-вторых - более полно использовать прочность фибр.

Превышение прочности фибробетонов по челночной технологии над прочностью фибробетонов по обычной технологии, растет с увеличением возраста бетона вплоть до 365 сут. при любом режиме челночной технологии, что объясняется упорядочением продолжающихся процессов гидратации в цементном камне в течение всего периода. Повышение прочности по челночной технологии было в одних и тех же пределах независимо от режима.

Относительное превышение прочности фибробетонов по челночной технологии над прочностью фибробетонов по обычной технологии несколько больше при осевом растяжении, чем при осевом сжатии, хотя в целях упрощения расчетных рекомендаций их можно принять одинаковыми.

Предельные деформации при осевом сжатии и при осевом растяжении демонстрировали обратное - у фибробетонов по челночной технологии по сравнению с фибробетонами по обычной технологии они снижались во все контрольные сроки твердения - при 7 сут. они были меньше на 7,7...9,3%, в 28 сут,-10,1... 12,9%, к 90 сут.-12,2...14,5% и на 365 сут.-14,8...15,6% независимо от режима челночной технологии.

Начальный модуль упругости при сжатии и растяжении у фибробетонов по челночной технологии практически при всех ее режимах и во все сроки твердения до 9,9.. .11,1% выше, чем у фибробетонов по обычной технологии.

У диаграмм деформирования «напряжения-деформации» при сжатии и при растяжении во все сроки твердения максимум смещается вверх и влево; -угол подъема в начале координат растет, увеличивается подъемистость.

Далее предлагается конвейерная технология фибробетонов с агрегированным распределением волокон, основанная на принципе движущегося объекта и неподвижного оборудования для его изготовления с непрерывным и прерывистым движением. Первый вариант - опалубка элемента непрерывно движется по конвейеру вдоль нескольких неподвижных постов с оборудованием, установленным по обе стороны от линии движения - с одной стороны - с подающей бетон трубой бетононасоса, с другой стороны - с подающим фибры раструбом дозатором волокон.

Второй вариант - опалубка движется по конвейеру прерывисто, с краткосрочными остановками на постах с оборудованием.

Здесь также возможны одно- и разнонаправленное движения, при которых опалубка заполняется либо за одну, либо за несколько проходок.

Таким образом, новая конвейерная технология фибробетона принципиально отличается тем, что в процессе изготовления:

- один из основных технологических элементов - смеситель - остается неподвижным;

- второй основной технологический элемент - опалубка - становится мобильным, то есть подвижным.

Но конвейерная технология изготовления фибробетона принципиально отличается и от челночной:

- при челночной технологии один из основных технологических элементов - смеситель - становится мобильным, то есть подвижным, а в конвейерной технологии - он остается неподвижным;

- при челночной технологии второй основной технологический элемент -опалубка - остается неподвижным, а в конвейерной технологии - он становится мобильным, то есть подвижным.

То есть, принципы, заложенные в основу конвейерной и челночной технологии, прямо противоположены - в них подвижные и неподвижные технологические элементы меняются местами — и в обоих случаях они отличаются от принципов традиционной технологии.

Исследования свойств фибробетонов с агрегированным распределением волокон по конвейерной технологии включали испытания на осевое сжатие и растяжение 72 опытных образцов

В опытах варьировались: технология приготовления фибробетона -обычная и конвейерная в четырех режимах (однонаправленного движения: последовательного и одновременного наполнения и разнонаправленного движения: последовательного и одновременного наполнения); вид НДС — осевое сжатие и осевое растяжение; вид образцов - призмы 10x10x40см и восьмерки 10х10х70см; возраст бетона - 7, 28, 90 и 365 суток; режим испытаний - с постоянной скоростью нагружения и деформирования.

Перемещения опалубок осуществлялись непрерывно (0,2м/сек) с помощью горизонтальных лебедочных механизмов. Полное заполнение опалубки обеспечивалось за 1 проходку 4 постов подачи бетона и 4 постов подачи фибр - при одно- или за 4 проходки 1 поста подачи бетона и 1 поста подачи фибр - при разнонаправленном движении.

Анализ результатов позволил выявить, что прочность на сжатие в 7 сут. у фибробетонов по конвейерной технологии по всем режимам была выше, чем у фибробетонов по обычной технологии на 6,3; 6,5; 6,4 и 6,5%, к 28 сут.-на 9,7; 9,9; 9,6 и 10,0%, к 90 сут.-на 10,5; 10,7; 10,4 и 10,8% и на 365 сут,- 12,1; 12,4; 11,9 и 12,2% соответственно. Прочности на растяжение - здесь в возрасте 7 сут. отклонения 9,3; 9,7; 9,5 и 9,9%, в 28 сут.- 13,2; 12,8; 13,1 и

13,3%, к 90 сут,- 15,1; 15,4; 15,4 и 15,8% и на 365 сут,- 17,4; 17,8; 18,0 и 17,6% соответственно.

Предельные деформации при осевом сжатии и растяжении, наоборот, снижались - при 7 сут. были меньше - на 7,9...9,5%, к 28 сут,- 10,5...12,7%, к 90 сут. - 12,0...14,3% и на 365 сут. - 14,5...15,2% независимо от режима.

Начальный модуль упругости при сжатии и растяжении у фибробетонов по конвейерной технологии при всех режимах и во все сроки твердения был до 9,8... 10,5% выше, чем у фибробетонов по обычной технологии.

Повышение модуля упругости объяснялось повышением прочности и снижением предельных деформаций фибробетонов по конвейерной технологии по сравнению с фибробетонами по обычной технологии, что смещало вверх и влево максимум на диаграмме «напряжения-деформации».

Отметим, что данные для фибробетонов по конвейерной технологии, практически совпадают с данными для фибробетонов по челночной технологии, отличаясь от них всего в пределах 1...1,5%.

В целом, что при изготовлении по челночной или конвейерной технологиям независимо от их режимов возможно получение фибробетонов улучшенной структуры и с более высокими характеристиками по сравнению с фибробетонами, полученными по обычной технологии.

В третьей главе разрабатываются предложения по расчетной оценке характеристик и диаграмм деформирования фибробетонов с агрегированным распределением фибр.

Сначала разрабатываются рекомендации по определению их нормативных и расчетных сопротивлений. Проводятся экспериментальные исследования 80 кубов 10x1 Ох 10см из фибробетона по челночной и конвейерной технологиям, из которых по 40 - на осевое сжатие и растяжение при раскалывании.

По результатам статистической обработки опытных данных определены нормативные сопротивления при надежности 0,95. Их значения, являющиеся одновременно расчетными сопротивлениями для предельных состояний II группы для фибробетонов В30 с ц=4% приводятся в работе.

Расчетные сопротивления фибробетонов для предельных состояний I группы получали как частное от деления нормативных сопротивлений сжатию и растяжению на соответствующие коэффициенты надежности по бетону.

Предельную сжимаемость и предельную растяжимость для фибробетонов же с агрегированным распределением волокон, при |1=4%, можно принимать при кратковременном нагружении на 10% ниже, чем по обычной технологии.

Далее даются предложения по расчетной оценке свойств фибробетонов с агрегированным распределением волокон.

Аналитическое описание коэффициентов изменения характеристик фибробетонов в зависимости от возраста бетона предлагается в виде К = /(¡), где Г - соответствующая функция; I - возраст, а за базовую функцию / (1) принимается зависимость, рекомендованную ЕКБ-ФИП:

где в качестве функции Y/YR выступают приращения А прочностных Rb, Ru, деформативных ebR, бык характеристик, а также начального модуля упругости Еь=Еы фибробетонов с агрегированным распределением фибр, а в качестве аргумента X/XR - относительный возраст фибробетона t/28 , то есть возраст в сутках, отнесенный к базовому - 28 сут.

Анализ показал, что значения К для всех указанных параметров при сжатии и растяжении близки между собой, что дало основание рекомендовать для расчетов в конечном итоге единые значения К при сжатии и растяжении, а также для фибробетонов как по челночной, так и по конвейерной технологиям.

Аналитическое описание диаграмм деформирования фибробетонов с агрегированным распределением волокон в различные сроки твердения и как при сжатии, так и при растяжении в целях единообразия расчетных зависимостей предлагается осуществлять также по функции (1) - как и для оценки изменения прочностных и деформативных характеристик,

В целом, порядок расчетной оценки характеристик и диаграмм фибробетонов с агрегированным распределением волокон таков - на первом этапе определяется изменение прочностных ARb и АЯы и деформативных Аеьи, Леып, АЕь, АЕъх характеристик при заданных сроках твердения при сжатии и растяжении - по зависимости (1) и вычисленным значениям коэффициентов; на втором этапе аналитически описываются диаграммы "а-е" фибробетона с агрегированным распределением волокон при сжатии и растяжении в различные сроки твердения — вновь используется функция (1) с подстановкой в нее соответственно (Rb + ARb); (s + AEbR); AEb, и (Rbt + ARbt); (sbtR + ДеьнО; АЕЫ, при этом параметр К:

Анализ показал хорошую сходимость опытных и расчетных результатов. Взаимосвязь изменения диаграмм деформирования при сжатии и растяжении обычно полагаются подобными.

(1)

= (£,+ AgM)(£t/¡ +A£t) = Кд + &ekJ(Ebl+AEbt)

(2)

№+ЛR„)

Анализ полученных опытных данных выявил дополнительную взаимосвязь изменения диаграмм "о-е" фибробетонов с агрегированным распределением волокон по челночной и по конвейерной технологиям -выявлено, что координаты максимумов диаграмм "сть - £ь" и "аы - £ы" при любом сроке твердения лежат на одной прямой, проходящей через начало координат.

Таким образом, подобие диаграмм "<зь - еь" и "аЬ( - еы" при сжатии и растяжении имеет место и для фибробетонов с агрегированным распределением волокон, приготовленных как по челночной, так и по конвейерной технологии, в любые сроки твердения.

Предложена расчетная зависимость для её описания, имеющая в целях единообразия, одинаковый вид и структуру с рекомендациями для характеристик и диаграмм деформирования фибробетона.

В четвертой главе исследуются усадка, ползучесть, усадочная трещиностойкость и длина зоны анкеровки фибробетонов с агрегированным распределением фибр.

Методика экспериментальных исследований включала испытание 20 призм 10x10x40 см — по 5 бетонных, фибробетонных по обычной технологии с произвольным распределением фибр и фибробетонных по челночной и конвейерной технологиям с агрегированным распределением фибр.

Измерение усадочных деформаций начиналось с 3-х суточного возраста, деформаций ползучести - с загружения в пружинных установках в 28 суток.

Из 5 изготовленных призм каждого вида образцов по 2 были поставлены для измерения усадки и по 3 - для измерения ползучести.

Анализ результатов исследований показал, что в фибробетоне с агрегированным распределением фибр, изготовленном по челночной и конвейерной технологиям, усадка снизилась до 20% по сравнению с фибробетоном с произвольным распределением фибр, изготовленным по обычной технологии, а у того - в два раза по сравнению с бетоном без фибр.

Ползучесть фибробетона с агрегированным распределением фибр оказались меньше, чем фибробетона с произвольным распределением фибр на 9,б...10,9% и на 31,9...37% меньше, чем у бетона без фибр.

Сравнение же мер ползучести С,.г = £„/аь при одинаковом сжимающем напряжении показало, что разница их значений у фибробетона с агрегированным распределением фибр по челночной и конвейерной технологиям и фибробетона с произвольным распределением фибр по обычной технологии оказалась на 10,1% больше, то есть, соответственно, на 43,1% больше, чем у бетона без фибр.

Это означает, что значительно меньшие деформации усадки и ползучести фибробетонов, изготовленных по новым челночной и конвейерной технологиям при прочих равных условиях, будут способствовать уменьшению потерь преднапряжения от усадки и ползучести в предварительно напряженных фиброжелезобетонных элементах, что позволит понизить величину преднапряжения в высокопрочной арматуре фиброжелезобетонных конструкций и уменьшить расходы на технологические операции при их изготовлении.

Рекомендации по расчетной оценке усадки и ползучести фибробетона с агрегированным распределением волокон - снизить расчетные значения усадочных деформаций для фибробетона с агрегированным распределением волокон по сравнению с бетоном без фибр в два раза.

Соответственно, потери преднапряжения от усадки в элементах из такого бетона могут быть при естественном твердении приняты сниженными вдвое, что подтверждено при измерении потерь от усадки и ползучести.

Для фибробетона по новым технологиям с агрегированным распределением волокон рекомендуется ввести дополнительные коэффициенты 0,8 и 0,85 к величинам потерь от усадки и от линейной ползучести, тогда рекомендованные зависимости будут иметь вид:

стус = 20 МП а (3)

<*Ьр СТЬр

Стпол =85 -, при -<0,75 (4)

К-ьр К-Ьр

Разработанные рекомендации показывают, что потери преднапряжения в железобетонных элементах из фибробетона с агрегированным распределением фибр по новым технологиям, будут существенно ниже, чем в аналогичных фибробетонных элементах по обычной технологии и еще больше - из бетона без фибр, что приведет к повышению установившегося преднапряжения, снижению деформативности и повышению трещиностойкости.

Усадочная трещиностойкость фибробетонов с агрегированным распределением волокон исследовалась на бетонных и фибробетонных призмах 100x100x800мм с расположенным по оси гладким стальным стержнем диаметром 18 мм.

В средней части длиной 500 мм исключалось сцепление стержня с бетоном, а на концевых участках к нему приваривались коротыши для усиления анкеровки в бетоне.

Наблюдения за деформациями начинали через 2-3 суток после бетонирования й продолжали до появления первой трещины, что позволяло судить об усадочной трещиностойкости бетона не только по времени появления

первой трещины, но и по численному значению коэффициента усадочной трещиностойкости К = Яы/стыу где Кь, - прочность бетона; Стыу -растягивающие напряжения от усадки в 28-дневном возрасте.

Всего было испытано 12 призм - по 3 из бетона без фибр, фибробетона с произвольным распределением фибр и фибробетона с агрегированным распределением фибр по челночной и конвейерной технологиям.

Анализ показал, что свободные усадочные деформации последнего оказались на 35% меньше, чем у предпоследнего, которые в свою очередь оказались в 3 раза меньше, чем в первого.

Деформации сжатия центрального арматурного стержня в фибробетоне по новым технологиям оказались на 24% меньше, чем в фибробетоне по обычной технологии, которые сами оказались в б раз меньше, чем в бетоне без фибр.

Коэффициент усадочной трещиностойкости в образцах без фибр оказался равным 1,02, при произвольно распределенных фибрах - 8,01, а при агрегированно распределенных фибрах - 11,1, то есть в 11 раз больше.

Длины зоны анкеровки и передачи преднапряжения в фибробетонах с агрегированным распределением волокон представим в виде

1р = Крс1Л1Ьр^а5р , где Кр = (ЗЕ5с)1/4/1,68а3/4, МПа1'2 (5)

Значение параметра Кр устанавливается на основании экспериментальных данных, также как и коэффициент сор соответствующей формулы норм.

Полученная зависимость нелинейна в отличие от линейной формулы норм, она правильнее описывает картину и дает более точные результаты во всем диапазоне изменения преднапряжения.

Экспериментальные исследования длины зоны передачи преднапряжения в фибробетоне с агрегированным распределением волокон проводились на концевых участках 9 балок размерами 8x12x150 см, из которых по три балки были изготовлены из железобетона без фибр (БОТ), фиброжелезобетона с обычным распределением фибр (ФБОТ), фиброжелезобетона с агрегированным распределением фибр (ФБНТ).

Армирование концевых участков - 1, 2 и 3 05Вр14ОО с ст8р = 730 МПа.

Как показали опыты, при равнопрочных бетонах Длина зоны передачи преднапряжения на фибробетон с агрегированным распределением фибр на 3...3,5% меньше, чем на фибробетон с произвольным распределением фибр, и на 10... 11,5% меньше, чем у бетона без фибр.

Если же учесть, что фибробетон с агрегированным распределением фибр при одинаковом расходе цементаимеет прочность на сжатие до 12% по сравнению с фибробетоном с произвольным распределением фибр и до 40% по

14

сравнению с бетоном без фибр, то очевидно, что длина анкеровки и передачи напряжений с арматуры на бетон в фибробетоне с агрегированным распределением волокон уменьшается в целом на 25...30%.

В пятой главе проводится исследование работы фиброжелезобетон-ных балок с агрегированным распределением фибр и совершенствование их расчета. Изготовлено и испытано 18 балок размером 8x12x150 см - 3 серии. В опытах варьировались: вид бетона - бетон; фибробетон с произвольным и с агрегированным распределением фибр; процент армирования стальной арматурой ц = 0,245; 0,49; 0,735%; коэффициент преднапряжения К5р = 0; 1. Процент фибрового армирования был принят равным = 4%. Балки армировались 1, 2 или 305Вр14ОО с предварительным напряжением и без него. Предварительное напряжение принималось одинаковым а5р = 730 МПа.

Прочность нормальных сечений. Опытные балки разрушились по нормальным сечениям как по первому так и по второму случаю

т.е. в опытах были охвачены все случаи разрушения по нормальным сечениям.

Анализ показал большую прочность всех балок с агрегированным распределение фибр чем балок с произвольным распределением фибр, и намного большую чем балок из бетона без фибр - от слабо до сильно армированных, от ненапрягаемой до предварительно напряженных.

Прирост прочности балок при фибровом армировании - с агрегированным или произвольным его распределением - в преднапряженных и ненапрягаемых балках сохраняется практически так же, как в балках без фибр.

Влияние фибрового армирования на степень повышения прочности балок практически не зависело от наличия или отсутствия преднапряжения и было весьма существенным как в балках с агрегированным, так и в балках с произвольным распределением фибр.

Потери предварительного напряжения, выгибы, кривизны и прогибы.

Получено, что фибровое армирование с агрегированным распределением волокон сильно снижает потери предварительного напряжения - суммарные потери в балках с агрегированным распределением фибр оказались в 1,09..Л,15 раз меньше, чем в таких же балках с произвольным распределением фибр, и в 1,45... 1,7 раза меньше, чем в балках из бетона без фибр.

Выгибы при отпуске преднапряжения при фибровом армировании с агрегированным распределением фибр на 5...7,6%, а при произвольным распределением фибр - на 3...5,2% ниже, чем в балках из бетона без фибр вследствие повышенных значений модуля упругости фибробетона.

Кривизны у балок с агрегированным распределением фибр оказались меньшими как по сравнению с балками с произвольным распределением фибр, так и по сравнению с балками из бетона без фибр.

Прогибы при одинаковых относительных моментах у балок с агрегированным распределением фибр были на З...6% менее, чем у балок с произвольным распределением фибр и на 7.. .12% менее, чем у балок из бетона без фибр.

Еще в большей степени это относится к прогибам балок при тех же абсолютных значениях моментов.

Момент трещинообразования. В балках без преднапряжения фибровое армирование с произвольным распределением фибр повышает момент трещинообразования в зависимости от в 1,4...1,6 раза. Повышаются в этих пределах и значения относительных моментов трещинообразования Мсгс/Ми.

В балках же с агрегированным распределением фибр повышение момента образования трещин происходит еще примерно на 10... 13% и это соответствует также и повышению относительных моментов трещинообразования.

Степень влияния фибрового армирования - как с произвольным, так и с агрегированным распределением - снижается в преднапряженных балках. Если при ненапрягаемой арматуре в балках с одинаковым процентом армирования относительный момент трещинообразования при произвольном распределении фибр больше, чем в балках без фибр в 1,44 раза, то при напрягаемой арматуре -уже только в 1,2...1,3 раза. В балках же с агрегированным распределением фибр эти цифры соответственно равны 1,55 и 1,42.

Это вызвано тем, что с увеличением усилия обжатия линейной арматуры её влияние возрастает, а фибрового - ослабевает.

Ширина раскрытия трещин. В балках без преднапряжения из фибробетона с агрегированным и с произвольным распределением фибр ширина раскрытия трещин была существенно меньше, чем в подобных балках из бетона без фибр-в 1,4...3,5ив 1,3...3 раза соответственно.

В преднапряженных балках с агрегированным и с произвольным распределением фибр ширина раскрытия трещин была в 1,3...1,7 и в 1,2...1,5 раза меньше по сравнению с аналогичными балками из бетона без фибр.

Фибровое армирование и преднапряжение арматуры. Прочность балок с ненапрягаемой арматурой из фибробетона с агрегированным, а в ряде случаев и с произвольным распределением фибр, оказалась не ниже, чем прочность балок из бетона без фибр с аналогичным, но предварительно напряженным армированием. Это относилось к балкам с 2 или 305 Вр1400, относительная высота сжатой зоны которых была близка или больше

Деформативность - в эксплуатационных стадиях прогибы балок из бетона без фибр с предварительно напряженной арматурой практически не отличалась от прогибов балок из фибробетона с агрегированным распределением фибр с аналогичной ненапрягаемой арматурой, и чуть более -от прогибов таких же балок из фибробетона с произвольным распределением фибр с ненапрягаемой арматурой.

Моменты образования трещин, абсолютные и относительные, в балках с ненапрягаемой арматурой из фибробетона с агрегированным распределением фибр также были очень близки к моментам трещинообразования в балках с преднапряженной арматурой из бетона без фибр.

Наконец и ширина раскрытия нормальных трещин в эксплуатационных стадиях в балках из бетона без фибр с преднапряженной арматурой была практически той же, что в балках из фибробетона с агрегированным распределением фибр, но с ненапрягаемой арматурой, и ненамного меньше, чем балках из фибробетона с произвольным распределением фибр.

Выявленные факты в прочности, деформативности и трещиностойкости приводит к выводу, что при определенных условиях в стадии эксплуатации агрегированное распределение фибр способно выступить в качестве альтернативы предварительному напряжению арматуры и дать возможность перейти к ненапрягаемой арматуре, существенно облегчив технологию изготовления реальных железобетонных конструкций. Это позволит снизить и расход стали благодаря возможности обрывов арматуры в соответствии с эпюрой внутренних усилий и еще упростить технологию изготовления изделий.

Совершенствование методов расчета прочности нормальных сечений производится путем предложения приближенных способов, в которых работа растянутого бетона учитывается по действующим нормам, но с использованием новых введенных теоретических предпосылок - общей касательной к диаграммам деформирования при сжатии и растяжении - Еь = ЕЬ( и общей секущей, проходящей через точки их максимумов - Кь/ЕЬи=Кь/Еыи-

Предложим две гипотезы о соотношении деформаций и напряжений краевого сжатого волокна сечения (на сжатой грани) и краевого растянутого волокна сечения (над вершиной трещины). Первая свяжет деформации еь,и и Бы,и при исчерпании несущей способности соотношением их прочностей бетона, вторая - соотношением их предельных деформаций:

£Ь ц __£Ь и _ ЕЬД

£Ы:и Кьг' Ем и Еыя

Получим тогда уравнения равновесия нормальных сечений изгибаемых сталефиброжелезобетонных элементов при достижении предельного момента, сохранив прямоугольное очертание эпюр напряжений в сжатой и части растянутой зоны над трещиной, рекомендуемые для расчета:

Г Яь,2

|Ех = (11ь--) Ьхь + Я5СА5' - ^Аэ = 0 ; (8)

I Яь

•{ Яы3 И-ы2 &ы2

I ЕМ = (0,5 — +--0,5Яь)Ьхь2+ (Яь--)ЬЬ0хь+Ы5САДЬо - а') =Ми. (9)

I Яь Яь Яь

С Еыд

12х = (Яь - Яы-) Ьхь + К5СА'5 - Я5Аз = 0 ; (10)

I Г е2ыд Быд 1 Г Еыд!

IЕМ=|0,51^,---0^Кь|Ьх2ь+ - |Ы10хь+К5СА'з(Ь0-а')=Ми. (11)

i i- е\д еьд j i еья j

Уточнение расчета деформативности базируется на рекомендациях использовать в методике норм физико-механические и конструктивные характеристики и диаграммы деформирования фибробетона с агрегированным распределением волокон, определенные и построенные по нашим предложениям, как и новые нормативные и расчетные его сопротивления.

Это, как показывает анализ, позволяет добиться удовлетворительной для расчетов сталефиброжелезобетонных элементов сходимости опытных и теоретических данных.

Рекомендации по оценке трещиностойкости. Определение момента образования трещин предложим производить по уравнениям равновесия нормальных сечений, сохранив расчетную схему норм и введя некоторые дополнительные условия

Сохранив эпюру напряжений в сжатой зоне треугольной, а в растянутой зоне - прямоугольной, используем часто встречающуюся предпосылку, что продолжение эпюры в сжатой зоне отсекает на растянутой грани сечения условную ординату равную 2Яы, то есть

хы=^хь, (12)

После подстановки деформаций и напряжений, взаимосвязи высот сжатой и растянутой зон и гипотезы плоских сечений, уравнение проекций: Яыхь2 (хь - а') Е3 (И - а -хь) Е3

——Ь +--— 2Яы — А'8 - Кь,Ъ(Ь-хь)--=-2ЯЫ — А, = Ы,Р (13)

Ь - хь (Ь - хь) Еь (Ь - хь) Еь

После решения уравнения проекций (13), решается уравнение моментов относительно нейтральной оси сечения, которое после преобразований: 211ь,хь3Ь 2Кыхь(Е5/Еь)А'5 _ Яы(Ь-хь)2Ь Е5

-— +-=-(хь-а')---2Яы—АвСИ-хь-а') - Н^р =МСГС(14)

З(Ь-хь) Ь - хь 2 Еь

Так получена расчетная зависимость для определения момента образования трещин, базирующихся не на методике ядровых моментов, а на уравнениях равновесия нормальных сечений.

Уточнение расчета ширины раскрытия трещин произведем, не затрагивая структуры и общей направленности расчетных рекомендаций норм, а порекомендуем лишь использовать в них характеристики фибробетона с агрегированным распределением волокон, определенные по нашим рекомендациям, в частности новые нормативные и расчетные его сопротивления.

Такой прием позволяет добиться удовлетворительной для расчетов сходимости опытных и теоретических данных, что позволяет рекомендовать его для использования при расчете и проектировании реальных конструкций.

Выявление условий альтернативной замены предварительного напряжения арматуры фибровым армированием. Проведенный анализ прочности, деформативности и трещиностойкости выявил безусловное превосходство опытных балок из фибробетона с агрегированным распределением фибр над балками из фибробетона с произвольным распределением фибр и из бетона без фибр.

Но была получена еще и принципиальная возможность замены в эксплуатационных стадиях предварительного напряжения арматуры фибровым армированием - в особенности с агрегированным распределением фибр.

Этот вывод является очень важным в технологическом плане, так как позволяет осуществить переход от производства конструкций с предварительно напряженной высокопрочной арматурой, что достаточно сложно и опасно в технологическом плане, к производству конструкций с такой же, но ненапрягаемой арматурой, из фибробетона с агрегированным распределением фибр, что является намного менее сложной и не опасной технологией.

Если добавить, что переход от высокопрочной преднапряженной к высокопрочной ненапрягаемой арматуре в дальнейшем после дополнительных исследований, может быть продлен и до перехода к обычной ненапрягаемой арматуре, то это будет большим технологическим, конструктивным и экономическим шагом вперед.

Условий, при которых фибровое армирование с агрегированным распределением способно стать альтернативой преднапряжению арматуры,

давая аналогичные характеристики балок по прочности - в предельной, и деформативности и трещиностойкости - в эксплуатационных стадиях работы, то по анализу наших других авторов результатов на сегодняшний день в первом приближении их можно сформулировать следующим образом:

- предварительное напряжение линейной арматуры не должно превышать по величине 65% от его временного сопротивления разрыву;

- процент армирования линейной арматурой не должен быть малым;

- равнодействующие усилий в заменяемой преднапряженной и заменяющей ненапрягаемой арматуре должны быть равны между собой.

При соблюдении сформулированных условий фибровое армирование с агрегированным распределением можно рассматривать как альтернативу пред-напряжению линейной арматуры железобетонных конструкций.

Сходимость опытных данных с теоретическими, вычисленных по разработанным рекомендациям, проверялась по предельным моментам, прогибам, моменту образования и ширине раскрытия трещин.

Анаоиз показал, что использование в расчетах разработанных рекомендаций по расчету прочности, деформативности и трещиностойкости изгибаемых элементов с преднапряженной и ненапрягаемой высокопрочной арматурой, из бетона без фибр, фибробетона с произвольным распределением фибр и из бетона с агрегированным распределением фибр приводит к существенному улучшению сходимости опытных и теоретических данных.

Это дает основание рекомендовать разработанные предложения для практических расчетов железобетонных конструкций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены новые технологии создания фибробетонов с агрегированным распределением волокон - челночная и конвейерная, отличающиеся тем, что основаны на:

- не перемешивании, а смешивании;

- не исходных материалов - цемента, крупного, мелкого заполнителя, воды и фибр, а основных компонентов фибробетона - бетона и фибр;

- не внутри смесителя, а внутри опалубки изготавливаемого элемента

2. Отличия новых челночной и конвейерной технологий создания фибробетонов с агрегированным распределением волокон друг от друга состоят в том, что:

- в челночной технологии один основной технологический элемент -смеситель становится мобильным (подвижным), а второй основной технологический элемент - опалубка остается неподвижной;

- в конвейерной технологии, наоборот, смеситель остается неподвижным, а опалубка становится мобильной (подвижной),

то есть в челночной и конвейерной технологиях подвижные и неподвижные основные технологические элементы меняются местами.

3. Проведенные экспериментальные исследования работы фибробетонов класса ВЗО с процентом фибрового армирования стальными волокнами 4%, изготовленных по новым челночной и конвейерной технологиям, выявили, что в любом возрасте от 7 до 365 суток они имеют лучшие прочностные и деформативные характеристики по сравнению с фибробетонами, изготовленными по обычной технологии, в частности в 28 и 365 суток соответственно:

- прочность увеличивается - на осевое сжатие до 10,1 и 12,1%, на осевое растяжение до 11,1 и 13,3% (челночная); и до 10,1 и 12,1%, до 11,1 и 13,3% (конвейерная);

- предельные деформации уменьшаются - при осевом сжатии до 12,9 и 15,6%, при осевом растяжении - до 12.5 и 15,5% (челночная); до 10,1 и 12,1%; до 11,1 и 13,3% (конвейерная);

- модуль упругости растет - при осевом сжатии и растяжении до 9,9 и 11,1% (челночная и конвейерная).

4. Выявлено изменение диагралш деформирования «напряжения-деформации» фибробетонов, изготовленных по челночной и конвейерной технологиям, в любом возрасте от 7 до 365 суток при сжатии и растяжении:

- максимум смещается вверх и влево;

-угол подъема в начале координат растет;

- подъемистость диаграммы увеличивается в восходящей ветви.

5. Выявлено, что изменение характеристик и диаграмм фибробетонов, изготовленных по челночной и конвейерной технологиям, стабилизируется к возрасту 365 суток, но продолжает еще несколько расти.

6. Определены и рекомендованы для применения при проектировании по результатам статистической обработки опытных данных при надежности 0,95 значения нормативных сопротивлений на сжатие и растяжение, а также расчетных сопротивлений для предельных состояний первой и второй группы, фибробетонов класса ВЗО при проценте фибрового армирования 4% с агрегированным распределением волокон, изготовленных по предложенным челночной и конвейерной технологиям.

7. Предложены расчетные зависимости для определения прочностных и деформативных характеристик при осевом сжатии и растяжении фибробетонов с агрегированным распределением волокон, изготовленных по предложенным челночной и конвейерной технологиям в возрасте 7 до 365 суток, определены их параметры и коэффициенты.

8. Предложено расчетное описание диаграмм деформирования «напряжения-деформации» в любом возрасте 7 до 365 суток при осевом сжатии и растяжении фибробетонов с агрегированным распределением волокон, изготовленных по предложенным челночной и конвейерной технологиям, формулой ЕКБ-ФИП с учетом разработанных рекомендаций по оценке изменения их прочностных и деформативных характеристик.

9. Выявлена взаимосвязь изменений прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования при осевом сжатии и растяжении фибробетонов с агрегированным распределением волокон, изготовленных по предложенным челночной и конвейерной технологиям, в различном возрасте. Предложена расчетная зависимость для её описания, имеющая в целях единообразия, одинаковый вид и структуру с рекомендациями для характеристик и диаграмм деформирования фибробетона.

10. Проведенные экспериментальные исследования усадки, ползучести, усадочной трещиностойкости и длины зоны анкеровки в фибробетоне по предложенным челночной и конвейерной технологиям с агрегированным распределением волокон, выявили их отличия от аналогичных характеристик в фибробетоне по обычной технологии с произвольным распределением волокон и в бетоне без фибр соответственно:

- усадка - снижается почти на 20% и в 2,4 раза;

- деформации ползучести - уменьшаются до 10% и 37%;

- меры ползучести - при одинаковых сжимающих напряжениях отличаются на 10% и 43%;

-усадочная трещиностойкость выше в 1,38 и в 11 раз;

- длина зоны анкеровки арматуры снижается на 3,5% и 12%, а с учетом изменения его прочности, деформативности и модуля упругости-до 25...30%.

11. Предложены рекомендации по расчетной оценке:

- потерь преднапряжения в арматуре от усадки и от линейной ползучести фибробетона, изготовленного по предложенным челночной и конвейерной технологиям с агрегированным распределением волокон, приводящие к увеличению установившегося преднапряжения и повышению трещиностойкости фиброжелезобетонных элементов;

- значения численных параметров зависимости норм для расчета длины зоны анкеровки арматуры.

12. Проведенные экспериментальные исследования изгибаемых элементов из бетона с агрегированным распределением фибр, произвольным распределением фибр и без фибр, с преднапряженной и ненапрягаемой арматурой выявили, что в балках с агрегированным распределением фибр по сравнению с произвольным распределением фибр и без фибр:

- прочность нормальных сечений повышается как с преднапряженной (до 9,8 и 20,3%), так и с ненапрягаемой ( до 9,6 и 22,6%) арматурой;

- выгибы меньше (до 11,4 и 45,6%, их приращения во времени меньше (до 10,5 и 59,5%) и прогибы при одинаковых относительных значениях нагрузки М/Мк - меньше (до 9 и 22,4%);

- момент образования трещин (до 12,9 и 62,1%) выше при любых процентах армирования и коэффициентах преднапряжения;

- ширина раскрытия трещин при эксплуатационных уровнях нагрузки ниже (до 7,8 и 13,7% - в преднапряженных и до 7,1 и 35,7% - в обычных балках);

- потери преднапряжения от усадки, быстронатекающей и длительной ползучести снижаются (до 8 и 40,9%).

13. Предложены два способа расчета прочности нормальных сечений изгибаемых фиброжелезобетонных элементов с учетом растянутой зоны бетона на основе взаимосвязи деформаций и напряжений крайнего сжатого и крайнего растянутого (над вершиной трещины) волокон сечения.

14. Разработан новый расчет момента образования трещин, использующий в отличие от СНиП уравнения равновесия статики нормальных сечений фиброжелезобетонных элементов.

15. Рекомендован расчет деформативности и ширины раскрытия трещин по методике норм с использованием разработанных рекомендаций по учету характеристик и диаграмм деформирования фибробетона.

16. Выявлено, что при определенных условиях фибровое армированиес агрегированным распределением фибр способно стать альтернативой предварительному напряжению арматуры, давая аналогичные характеристики балок по прочности, деформативности и трещиностойкости. Сформулированы условия такой альтернативной замены.

17. Достоверность разработанных рекомендаций и методов расчета подтверждена лучшей по сравнению с нормами сходимостью предложенных теоретических рекомендаций с опытными данными.

Основные результаты отражены в 7 опубликованных работах:

- в 3 рекомендованных ВАК изданиях:

1. Маилян Л.Р., Налимова A.B., Маилян A.JI., Айвазян Э.С. Челночная технология изготовления фибробетона с агрегированным распределением фибр и его конструктивные свойства // Интернет-журнал «Инженерный вестник Дона», 2011, № 4.

2. Маилян Л.Р., Маилян А.Л., Айвазян Э.С. Расчетная оценка прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования фибробетонов с агрегированным распределением волокон // Интернет-журнал «Инженерный вестник Дона», 2013, № 3.

3. Маилян Л.Р., Маилян A.JL, Айвазян Э.С. Конвейерная технология фибробетона с агрегированным распределением фибр и его конструктивные свойства // Интернет-журнал «Инженерный вестник Дона», 2013, №3.

- в 4 других изданиях:

4. Айвазян Э.С., Маилян A.JI. Физико-механические свойства фибробетонов с агрегированным распределением фибр. «Строительство-2010». Матер, междун. научно-практич. конференц. - Ростов н/Д, РГСУ. - 2010. -С.178-179.

5. Маилян А.Л., Айвазян Э.С. Особенности конструктивных характеристик фибробетонов с агрегированным распределением волокон. «Строительство-2011». Матер, междун. научно-практич. конференц. - Ростов н/Д, РГСУ. - 2011. - С.49-50

6. Маилян Л.Р., Маилян А.Л., Айвазян Э.С. Работа железобетонных изгибаемых элементов из фибробетона с агрегированным распределением волокон с предварительно напряженной и ненапрягаемой высокопрочной арматурой и ее расчетная оценка. «Строительство - 2013». Матер, международн. научно-практич. конференции. - Ростов н/Д, РГСУ. - 2013. - С. 78-79.

7. Айвазян Э.С. Новые технологии получения фибробетонов с агрегированным распределением фибр. «Актуальные проблемы бетона и железобетона. Материалы и конструкции». Матер. I академических чтений PA ACH-Кисловодск. - 2010. - С.47-53.

Подписано в печать 23.09.13. Формат 60х841/16. Ризограф. Бумага писчая. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Редакционно-издательский центр РГСУ 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.

Отпечатано Заказ

Адрес

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1.0 уч.-изд.-л. Заказ №3131. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

04201362960

На правах рукописи

АЙВАЗЯН Эдуард Суренович

ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ФИБРОБЕТОННЫХ И ФИБРОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С АГРЕГИРОВАННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ВОЛОКОН

05.23.08 - Технология и организация строительства 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель заслуженный строитель Российской Федерации,

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор

Л.Р.МАИЛЯН Научный консультант кандидат технических наук, доцент

А.Л.Маилян

Ростов-на-Дону - 2013

Введение

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И МЕТОДОВ

РАСЧЕТА ФИБРОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................... 11

1.1. Основные свойства и область применеиия фиброармированных бетонов......................................... 11

1.2. Технико-экономические преимущества фибробетонных конструкций........................................................... 16

1.3. Технологии приготовления фибробетонов........................ 18

1.4. Теоретическое обоснование фибрового армирования бетонов ^

1.5 Изменение характеристик фибробетонов и железобетонных

элементов из них......................................................... 23

1.6. Задачи исследования................................................... 28

2. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СОЗДАНИЯ

ФИБРОБЕТОНОВ С АГРЕГИРОВАННЫМ

РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ВОЛОКОН........................................ 30

2.1. Общая постановка задачи и предпосылки для ее решения..... ^

2.2. Челночная технология изготовления фибробетона с агрегированным распределением волокон........................ 31

2.2.1. Принципиальная схема челночной технологии изготовления фибробетона................................. 31

2.2.2. Программа и методика экспериментальных исследований конструктивных свойств и диаграмм деформирования фибробетонов, изготовленных по челночной технологии с агрегированным распределением волокон.................................... 33

2.2.3. Анализ опытных результатов и выбор оптимальных режимов.......................................................... 36

2.3. Конвейерная технология изготовления фибробетона с агрегированным распределением волокон........................ 41

2.3.1. Сущность конвейерной технологии изготовления фибробетона..................................................... 41

2.3.2. Исследования конструктивных свойств и диаграмм деформирования фибробетонов, изготовленных по конвейерной технологии с агрегированным распределением волокон..................................... 44

2.3.3. Анализ результатов опытов и выбор рациональных режимов.......................................................... 46

2.4. Выводы по главе 2...................................................... ^

3. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКЕ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ДИАГРАММ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ФИБРОБЕТОНОВ С АГРЕГИРОВАННЫМ

РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ВОЛОКОН........................................ 53

3.1. Нормативные и расчетные характеристики фибропеиобетонов с агрегированным распределением волокон..................................................................... 53

3.2. Предложения по расчетной оценке прочностных и деформативных характеристик фибробетопов с агрегированным распределением волокон, изготовленных по челночной и конвейерной технологиям, в различные сроки твердения.................................................................. 55

3.3. Аналитическое описание диаграмм деформирования "напряжения-деформации" при сжатии

и растяжении фибропеиобетонов, с агрегированным распределением волокон, изготовленных по челночной и конвейерной технологиям, в различные сроки твердения и их взаимосвязь.................. 58

3.4. Выводы по главе 3 ....................................................... 61

4. УСАДКА, ПОЛЗУЧЕСТЬ, УСАДОЧНАЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ И ДЛИНА ЗОНЫ АНКЕРОВКИ В ФИБРОБЕТОНАХ С АГРЕГИРОВАННЫМ

РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ВОЛОКОН........................................ 63

4.1. Усадка и ползучесть фибробетонов с агрегированным распределением волокон............................................... 63

4.1.1. Общие положения и задачи исследований................ 63

4.1.2. Методика экспериментальных исследований............ 65

4.1.3. Анализ результатов исследований.......................... 67

4.1.4. Рекомендации по расчетной оценке усадки и ползучести фибробетона, изготовленного по новым технологиям с агрегированным распределением волокон............................................................ 70

4.2. Усадочная трещиностойкость фибробетонов с агрегированным распределением волокон......................... 71

4.2.1. Цель и задачи исследования................................. 71

4.2.2. Методы определения усадочной трещиностойкости ... 72

4.2.3. Принятая методика оценки усадочной трещиностойкости............................................. 74

4.2.4. Анализ результатов исследования усадочной

трещиностойкости............................................. 77

4.3. Исследование длины зоны анкеровки и передачи преднапряжения в фибробетонах с агрегированным распределением волокон............................................... 78

4.3.1. Теоретические предпосылки для определения длины зоны передачи преднапряжения........................... 78

4.3.2. Экспериментальные исследования длины зоны передачи преднапряжения в фибробетоне с агрегированным распределением волокон............... 84

4.3.3. Анализ полученных результатов и рекомендации по расчету

....................................................................... 85

4.4 Выводы по главе 4..................................................... 89

5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ИЗГИБАЕМЫХ ФИБРОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С АГРЕГИРОВАННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ВОЛОКОН И ПРЕДНАПРЯЖЕННОЙ И НЕНАПРЯГАЕМОЙ АРМАТУРОЙ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ИХ РАСЧЕТА......... 91

5.1. Программа и методика экспериментальных исследований фиброжелезобетонных элементов с агрегированным распределением волокон и преднапряженной и ненапрягаемой арматурой............................................. 91

5.2. Анализ результатов экспериментальных исследований........ 98

5.2.1. Прочностьнормальных сечений........................................................98

5.2.2. Потери предварительного напряжения, выгибы, кривизны и прогибы......................................................................................107

5.2.3. Момент образования и ширина раскрытия трещин .... 111

5.3. Совершенствование методов расчета прочности нормальных сечений изгибаемых фиброжелезобетонных элементов................116

5.4. Уточнение расчета деформативности............................................................120

5.5. Рекомендации по оценке трещиностойкости..........................................121

5.5.1. Методика определения момента образования трещин . 121

5.5.2. Уточнение расчета ширины раскрытия трещин......... 123

5.6. Выявление возможностей и условий альтернативной замены предварительного напряжения арматуры фибровым армированием............................................................. 123

5.7. Сходимость опытных данных с теоретическими, вычисленных по разработанным рекомендациям................

5.8. Выводы по главе 5............................................................................................................130

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ....................................................................................................................132

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................137

Приложение. Документы о внедрении результатов исследования ... 153

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Правительственная стратегия развития строительного комплекса России на период до 2020 года состоит «...в освоении выпуска нового поколения высококачественных строительных материалов и изделий, в том числе композитных».

Это диктует необходимость создания более совершенных материалов и конструкций, которые бы характеризовались бы максимальными надежностью и долговечностью и минимальными затратами. Среди них особое место занимают фибробетон и фиброжелезобетонные конструкции.

Одной из основных проблем фибробетона и фиброжелезобетона на сегодня является создание равномерного (агрегированного) распределения волокон по длине или объему элемента.

Эту проблему, чаще всего без особого успеха, пытаются решить с помощью раздельных технологий перемешивания различных компонентов фибробетона в бетоносмесителе или применением специальных его видов.

Вместе с тем, очевидно, что комплексное конструкторско-технологическое решение этой проблемы позволит получить как материал, так и конструкции из него, обладающие по сравнению с традиционными аналогами повышенными технико-экономическими показателями.

В связи с этим, тема диссертационной работы представляется актуальной и важной.

Цель диссертационной работы - разработка новых технологий создания фибробетона с агрегированным распределением волокон, исследование его физико-механических и конструктивных характеристик, изучение работы железобетонных элементов с предварительно напряженной и ненапрягаемой арматурой из него, разработка рекомендаций по расчетному определению характеристик фибробетона и методов расчета конструкций.

Для достижения цели необходимо решить задачи исследования:

- предложить теоретически и опробовать практически новые технологии

создания фибробетона с агрегированным распределением волокон;

б

- исследовать экспериментально физико-механические характеристики фибробетона с агрегированным распределением волокон - прочность, деформации, модуль упругости и диаграммы деформирования при сжатии и растяжении и предложить расчетные зависимости для их определения;

- изучить экспериментально конструктивные свойства фибробетона с агрегированным распределением волокон - усадки, ползучести, усадочной трещиностойкости и длины зоны анкеровки, и разработать расчетные рекомендации по их определению;

провести экспериментальные исследования работы изгибаемых железобетонных элементов из фибробетона с агрегированным распределением волокон с предварительно напряженной и ненапрягаемой арматурой -прочности, деформативности и трещиностойкости, и предложить методы их расчетной оценки.

Решение поставленных задач позволит повысить эффективность фибробетона и строительных конструкций из него.

Объект исследования - фибробетон с агрегированным распределением волокон и железобетонные изгибаемые конструкции с преднапряженной и ненапрягаемой высокопрочной арматурой из пего.

Предмет исследования — новые технологии создания фибробетона с агрегированным распределением фибр, разработка методов расчетной оценки его характеристик и работы изгибаемых конструкций из него.

Методы исследований - технологические, численные и экспериментальные, математического и физического моделирования, анализа размерностей, математической статистики.

Достоверность разработанных технологических рекомендаций и методов расчета подтверждается результатами статистической обработки численных и экспериментальных исследований автора и других исследователей.

Научная новизна работы:

- предложены новые челночная и конвейерная технологии создания фибробетонов с агрегированным распределением фибр;

- исследована работа фибробетонов с агрегированным распределением фибр класса ВЗО с процентом фибрового армирования 4% по челночной и конвейерной технологиям на сжатие и растяжение, выявившие их лучшие характеристики и диаграммы деформирования по сравнению с фибробетоном с произвольным распределением фибр по обычной технологии, предложены расчетные зависимости для их определения;

- изучены усадка, ползучесть, усадочная трещиностойкость, длина зоны анкеровки и потери преднапряжения в фибробетоне с агрегированным распределением фибр по предложенным челночной и конвейерной технологиям, выявлены их отличия от тех же характеристик в фибробетоне с произвольным распределением фибр по обычной технологии и предложены рекомендации по их расчетной оценке;

- проведены экспериментальные исследования изгибаемых элементов из бетона с агрегированным распределением фибр, произвольным распределением фибр и без фибр, с преднапряженной и ненапрягаемой арматурой выявившие существенно лучшую прочность, деформативность и трещиностойкость балок с агрегированным распределением фибр;

- предложены новые способы расчета прочности нормальных сечений изгибаемых фиброжелезобетонных элементов и момента образования трещин, а также рекомендован расчет деформативности и ширины раскрытия трещин по методике норм с использованием разработанных рекомендаций по учету характеристик и диаграмм деформирования фибробетона с агрегированным распределением фибр;

- выявлено, что при определенных условиях фибровое армирование с агрегированным распределением фибр способно стать альтернативой предварительному напряжению арматуры, давая аналогичные характеристики

балок по прочности, деформативности и трещиностойкости, сформулированы условия такой альтернативной замены.

Практическая ценность и внедрение результатов работы:

- издан Стандарт предприятия «Блоки стеновые фибробетонные с агрегированным распределением фибр» (ЗАО «ЗЖБИ», Ростов н/Д, 2013г.);

- налажен серийный выпуск блоков стеновых фибробетонных с агрегированным распределением фибр на ЗАО «ЗЖБИ», Ростов н/Д;

- рекомендации использованы при проектировании 2-х реальных объектов ОАО НПО «Эсмик-П» (Новочеркасск, 2012г.);

- результаты внедрены также в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете, Кабардино-Балкарском государственном университете и государственной сельскохозакадемии.

На защиту выносятся: - разработанные технологии создания фибробетонов с агрегированным распределением фибр;

результаты численного моделирования работы фибробетона с агрегированным распределением фибр;

результаты экспериментальных исследований фибробетона с агрегированным распределением фибр и изгибаемых железобетонных элементов с преднапряженной и ненапрягаемой арматурой из него;

рекомендации по расчету и проектированию характеристик фибробетона с агрегированным распределением фибр и прочности, деформативности и трещиностойкости изгибаемых железобетонных элементов с преднапряженной и ненапрягаемой арматурой из него, основанные на анализе сходимости численных и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях «Строительство-2010...2013» (Ростов н/Д, РГСУ, 2010...2013гг.), 40...42 научно-технической конференции СевКавГТУ (Ставрополь, 2011 ...2013гг.), I...ILI академических чтениях ЮРО

РААСН по строительным наукам (Кисловодск, ЮРО PA ACH, 2010...2012гг.)

9

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 работах, включая 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 4 статьи в других изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 153 стр. состоит из введения, пяти глав, общих выводов и содержит 110 страниц машинописного текста, 30 рисунков, 21 таблицу, библиографический список из 186 наименований и 5 страниц приложений.

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ФИБРОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные свойства и область применения фиброармированных бетонов

За последние десятилетия интерес к дисперсному армированию для изготовления бетонов и строительных конструкций из них значительно возрос [5, 11, 12, 19, 26, 27, 35]. Объясняется это прежде всего тем, что в мировой практике строительства все чаще стали возводиться уникальные сооружения, здания и отдельные конструкции, эксплуатационные требования к которым, гарантированный уровень безопасности и долговечности должны были значительно превышать обычные, регламентированные действующими нормативными документами. Именно это способствовало все более широкому применению фибробетонов в наиболее развитых в техническом отношении странах - Японии, США, Норвегии, Германии, Франции, Великобритании, Китая и др. [10, 13, 106, 127, 129, 130, 134, 136, 138].

В периодической обзорной информации о мировом уровне развития строительной науки и техники (серии "Строительные материалы" и "Строительные конструкции") [13, 36, 106, 114], изложены технические преимущества фибробетонов по сравнению с традиционными:

- повышенная трещиностойкость, ударная вязкость, износо-, морозо- и огнестойкость, сопротивление термомехаиическим воздействиям;

- возможность использования более эффективных конструктивных решений в монолитных (и сборных) конструкциях и сооружениях, в первую очередь тонкостенных в виде оболочек, складок, ребристых плитах покрытиях и перекрытиях, монолитных днищах емкостных сооружений, дорожных и аэродромных покрытиях;

- возможность успешного применения в конструкциях без стержневой или сетчатой распределительной и поперечной арматуры, а также в сборных железобетонных изделиях со стержневой растянутой арматурой, не доводящейся до опоры.

На данный период времени в достаточной мере апробированы фибробетоны на основе стали и стекла [13, 106], менее изучены фибробетоны на синтетической фибре, а также с углеродными волокнами [62].

За рубежом применяли сталефибробетон в конструкциях тоннелей - в Осло и Хеггуре (Норвегия), Карсингтоне (Великобритания), Монреале и Оттаве (Канада)