автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Железобетонные конструкции из бетонов на расширяющих цементах

— л

г г о

- з да да

На правах рукописи

ЗВЕЗДОВ Андрей Иванович

УДК 624. 012. 4.. 666. 946.2

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ БЕТОНОВ НА РАСШИРЯЮЩИХ ЦЕМЕНТАХ

Специальности: 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения; 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -1997

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона ГНЦ "Строительство" Минстроя России (НИИЖБ)

Официальные оппоненты:

почетный член РААСН,

доктор технических наук, профессор C.B. Александровский;

доктор технических наук, профессор Э.Н. Кодыш;

доктор технических наук, профессор Т.В. Кузнецова. Ведущее предприятие - ЦНИИПромзданий

Защита состоится" 25" марта 1997 г. в 14_ час. на заседании диссертаци онного совета Д 114.09.01 при Российском государственном открытом техническо* университете путей сообщения по адресу: 125808, Москва, ул. Часовая, д. 22/2 ауд.337.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государ ственного открытого технического университета путей сообщения.

Автореферат разослан " 22" февраля 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Б.В. Зайцев

АО РОСЭП Зак. 18 - 100 экз.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Получение высокосортной строительной продукции в современных условиях возможно в основном путем использования эффективных материалов и передовых технологий.

Большой удельный вес железобетона в общем объеме производства строительных конструкций выдвигает на передний план проблемы, связанные с его качественным изготовлением и надежной эксплуатацией.

Повсеместно применяемый в настоящее время бетон на основе портландцемента является одним из основных строительных материалов и по праву занял ведущее место в монолитном и сборном железобетоне. Однако усадочные деформации, сопровождающие твердение портландцемента, и изменение температурно-влажностных условий эксплуатации вынуждают принимать дополнительные меры для повышения трещиностойкости, водонепроницаемости, морозостойкости, коррозионной стойкости и других важных технических, товарных и эксплуатационных свойств железобетонных конструкций.

В результате многолетних исследований, проведенных отечественными и зарубежными учеными, получен результат, в значительной мере устраняющий последствия усадочных деформаций в бетоне. Был создан новый вид вяжущих, которые, в отличие от традиционного цемента, в процессе твердения увеличиваются в объеме. Эти вяжущие могут быть объединены в одну группу под названием "Расширяющие цементы" (РЦ). РЦ предназначены для создания в бетоне деформаций расширения, в частности, превышающих деформации усадки, что позволяет получать в железобетоне самонапряжение. Исследования, выполненные В.В.Михайловым и его коллегами, создали теоретические и практические предпосылки, позволившие получить бетоны на РЦ с регулируемым (в соответствии с за-

ранее заданными параметрами) расширением. Практический опыт применения бетонов с регулируемым расширением в монолитных и сборных железобетонных сооружениях жилого, гражданского, промышленного строительства и машиностроения показал, что во многих случаях использование таких бетонов дает возможность получать конструкции, которые превосходят по своим техническим, эксплуатационным и экономическим характеристикам аналогичные железобетонные конструкции из бетонов на портландцементе. Это связано с тем, что бетоны на РЦ отличаются от бетонов на портландцементе повышенным сопротивлением растяжению, лучшей трещиностойкостью, морозостойкостью, водонепроницаемостью и коррозионной стойкостью.

Бетоны на РЦ условно могут быть разделены на две основные группы: бетоны напрягающие и бетоны с компенсированной усадкой. Их отличие заключается в том, что составы напрягающих бетонов подбираются из условия получения максимальной величины самонапряжения. В этом случае расход РЦ в бетоне оказывается существенно большим, чем того требовало бы условие обеспечения необходимой прочности. Состав же бетона с компенсированной усадкой подбирается по традиционной' методике. Расход РЦ в нем определяется требуемой прочностью и, как правило, ниже, чем в напрягающем бетоне. Отсюда заметная разница в физико-механических и деформационных свойствах напрягающих бетонов и бетонов с компенсированной усадкой. При этом следует иметь в виду, что при проектировании конструкций из напрягающих бетонов обязательно нормируется и учитывается в расчетах величина самонапряжения. При проектировании конструкций из бетонов с компенсированной усадкой величина самонапряжения не нормируется и в расчетах ее можно не учитывать или учитывать по факту, если она известна.

Для большинства железобетонных конструкций самонапряжение не является

обязательным. В таких случаях целесообразно использовать бетоны с компенсированной усадкой, для чего необходимо знать их расчетные и эксплуатационные характеристики, которые зависят от расширения цементной матрицы при твердении.

В основу работы положена гипотеза о том, что прогнозирование и учет на стадии проектирования железобетонных конструкций процессов, вызывающих деформации расширения цементного камня, позволят создать железобетон с повышенной способностью сопротивляться комплексу силовых и несиловых воздействий в условиях изготовления и эксплуатации.

Целью работы является развитие научных представлений и разработка практических рекомендаций по управлению и способам учета уровня собственных деформаций (напряжений) в структуре бетона и в железобетоне на расширяющих цементах на базе результатов экспериментально-теоретических исследований прочности, . трещиностойкости и деформаций бетона, а также напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций при различных схемах силовых (изгиб, внецентренное растяжение) и несиловых (темлературно-влажностные) воздействий.

В представленной работе автор защищает:

- обобщенные данные о видах и составах РЦ и расширяющих добавках (РД) к цементам, области их наиболее эффективного использования и технологии практического применения;

-наиболее рациональные составы бетонов на РЦ и оптимальные режимы их тепловлажностной обработки;

- результаты комплексных исследований прочности и деформаций бетонов на РЦ при кратковременном и длительном статическом нагружении, а также при стационарных и переменных темпёратурно-влажностных воздей-

ствиях;

- результаты равновесных механических испытаний, полные диаграммы деформирования, силовые и энергетические характеристики свойств бетона на РЦ;

- предложения по основным физико-механическим показателям свойств бетонов на РЦ, необходимым для расчета конструкций;

- методику и результаты экспериментальных исследований внецентренно-растянутых железобетонных элементов при одностороннем воздействии воды, температуры и продольной растягивающей силы;

- предложения по технологии изготовления двухосно преднапряженных ребер и полок плит длиной на пропет здания;

- результаты экспериментальных исследований железобетонных предварительно напряженных изгибаемых тавровых элементов, пустотных панелей, складчатых плит безрулонных крыш, плит - оболочек, обосновывающие предложенные методы расчета;

- обобщенную методологию определения напряженно-деформированного состояния изгибаемых и внецентренно-растянутых железобетонных элементов из бетонов на РЦ, испытывающих совместные силовые и температурно-влажностные воздействия.

Научную новизну работы составляет комплексное решение проблемы применения в строительстве железобетонных конструкций из бетонов на РЦ в ее полном цикле от составов РЦ и технологии бетонов на их основе, до расчета, проектирования, изготовления и практического применения широкого ассортимента конструкций, включающее в себя:

- обобщенные теоретические, физические и химические данные о поведении

бетонов на РЦ при различных режимах температурно-влажностных воздействий окружающей среды;

- новые данные о механизме фазовых переходов эттрингита в цементном камне из расширяющего цемента при колебаниях температуры и влажности окружающей среды;

- специальные режимы тепловлажностной обработки бетонов на РЦ в зависимости от требуемых прочности и величины расширения;

- новые данные о собственных напряжениях в структуре бетонов, полученные полностью равновесными методами их испытания;

- экспериментальные данные о влиянии различных сред на прочность, модуль упругости, ползучесть, усадку и набухание бетонов на РЦ;

- полученные опытным путем значения модуля упругости, предельной деформативности, границ трещинообразования и коэффициента набухания бетонов на РЦ;

- предложения по эффективной технологии создания предварительно-напряженных конструкций из бетонов на РЦ;

- данные о влиянии одностороннего воздействия холодной и горячей воды на прочность и жесткость внецентренно-растянутых железобетонных элементов из бетона на РЦ;

- расчетные и экспериментальные данные о распределении деформаций по ширине полок тавровых и двутавровых изгибаемых элементов;

- экспериментальные данные и методика учета особенностей бетонов на РЦ при расчете железобетонных изгибаемых элементов тавровых сечений: пустотных настилов, плит безрулонных крыш и крупноразмерных плит-оболочек.

Достоверность полученных результатов обеспечена тем, что экспериментальные исследования физико-механических свойств бетонов на РЦ, а также испытания лабораторных образцов и натурных конструкций выполнены на основе современных методик, а их надежность оценена вероятностно-статистическими методами.

Практическое значение работы заключается в том, что

- бетоны на РЦ использованы при сооружении стадионов, бассейнов, резервуаров, полов, дорог и эксплуатируемых кровель, а также в промышленности сборного железобетона для изготовления различных г.реднапря-женных конструкций;

- в результате выполненных экспериментально-теоретических исследова -ний разработаны предложения по технологии изготовления железобетонных конструкций из бетонов на РЦ, рекомендованы их расчетные, прочностные и деформационные характеристики при кратковременном и длительном действии силовых нагрузок, предложены методы расчета изгибаемых и внецентренно-растянутых элементов по первой и второй группам предельных состояний;

- технология изготовления конструкций реализована на заводах промышленности сборного железобетона общим объемом около 4,8 млн. м3;

- результаты исследований использованы при подготовке СНиП и Пособий

к СНиП, технических условий на цемент, бетоны и изделия, а также рекомендаций, технологических регламентов и рабочих чертежей конструкций;

- полученные результаты дополняют данные, используемые при преподавании в вузах темы о расширяющихся бетонах и конструкциях на их основе.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались

на XXIII и XXIV Международных конференциях по бетону и железобетону в мае 1991 г. и в марте 1992 г., на научном семинаре "Опыт и перспективы применения бетонов на напрягающем цементе в строительстве" в 1992 г. в Москве, на симпозиуме ФИП в Киото (Япония) в 1993 г., на конгрессе "Бетон на службе человечества" в Данди (Англия) в 1996 г., а также на секциях НТС и на технических совещаниях НИИЖБ в 1980 - 1995 гг.

Работа выполнялась в период с 1977г. по 1995 г. в лаборатории непрерывно армированных, самонапряженных конструкций и труб НИИЖБ Минстроя РФ в рамках ряда программ государственного и отраслевого уровней. Результаты неоднократно представлялись на различных научно-технических выставках, а в 1989 г. автор был награжден Серебряной медалью ВДНХ. Положения диссертационной работы основываются на результатах экспериментальных исследований, проведенных самим автором или выполненных пйд ёгб непосредственным руководством (к.т.н. А.Б.Сорокин, к.т:н. И.А.Матюнина), а также при его участии (к.т.н. К.Н.Таникин, к.т.н. С. Э. Абдурахманов).

■ Публикация. Результаты выполненных по теме диссертации исследований опубликованы' в 32 работах, включая семь авторских свидетельств и патентов на изобретения, а также материалы научных конференций и семинаров.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 414 наименований и изложена на 403 страницах, в том числе 203 страницы машинописного текста, 58 таблиц, 115 рисунков.

Автор благодарит Б.В. Гусева за помощь, оказанную при постановке и выполнении исследований, связанных с технологией изготовления конструкций из двухосно-напряженных пластин, и за ценные замечания, сделанные по работе в целом.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Расширяющие вяжущие в течение длительного времени являются предметом настойчивого поисха исследователей. Первые упоминания о них появились в 80-х годах XIX века. Большое число расширяющих композиций было предложено в период с 30-х гадов нынешнего столетия.

Большая часть известных расширяющих композиций основана на образовании в твердеющем цементном камне расширяющихся фаз в виде кристаллов гидро-сульфоалюмината кальция - эттрингита, кристаллизация которого сопровождается увеличением объема твердой фазы в 2,2-^2,6 раза.

Наибольшее распространение в практике строительства получили РЦ на так называемой сульфоалюминатной основе. Способы получения таких цементов сводятся в основном к совместному помолу клинкера портландцемента и расширяющего компонента, в качестве которого используются обычно смеси алюминатной составляющей и гипса, иногда с добавлением извести. Могут применяться и другие более сложные композиции.

Значительно меньшая часть известных составов расширяющих композиций основана на использовании в качестве расширяющего компонента окисных добавок СаО и МдО.

Исследования, проведенные В.В.Михайловым, позволили уже в 1942 г. сформулировать существо предложения по созданию одного из наиболее удачных видов РЦ - напрягающего цемента (НЦ). В 1953 г. В.В.Михайловым, С.Л.Литвером и А.Н.Поповым был предложен способ получения трехкомпонентного НЦ.

Исследования по созданию РЦ, в котором в качестве расширяющего компонента используется сульфоалюминатный клинкер, были проведены под руководством Т.В.Кузнецовой.

Поиску расширяющих цементов также посвятили свои работы И.В.Кравченко, А.Е.Шейкин, К.С.Кутателадзе, Т.Г.Габададзе, В.С.Данюшевский, Ф.М.Фридман, зарубежные исследователи А.К1е1п, Я-КеН, Т.Каууапо и многие другие.

Кроме применения РЦ заводского изготовления в практике строительства используют расширяющие составы, получаемые путем механического смешивания портландцемента и расширяющей добавки (РД). Этот способ имеет то преимущество, что РД можно вводить в смесь непосредственно на строительной площадке при приготовлении бетона. Наиболее крупными производителями РД на сегодняшний день являются США и Япония.

Применяемые в настоящее время РД можно условно разделить на следующие группы: алюминатно-сульфатные, алюминатно-оксидные и оксидные. Основными компонентами добавок алюминатно-сульфатной группы являются различные алюмосодержащие фазы и фазы с сульфат ионами, которые взаимодействуют с клинкерными составляющими и образуют эттрингит.

Добавки алюминатно-оксидной группы наряду с компонентами, несущими ионы АГ3 .и БО«*2, содержат некоторое количество свободного оксида кальция (СаОс). Расширение цементов с РД этой группы происходит не только вследствие образования эттрингита, но и в результате гидратации СаОс,.

Добавки оксидной группы содержат в значительных количествах свободный оксид кальция или свободный оксид магния (МдОсв).

В результате теоретических исследований и многочисленных экспериментов была сформулирована базовая концепция получения РД, в том числе на основе местного сырья ряда регионов России.

В качестве сырья для РД, кроме природных материалов, могут служить отходы металлургической и топливно-энергетической промышленности, горнообогати-

тельных, керамических и химических производств. Правильно подобранные исходные компоненты позволяют получать РД, обеспечивающие бетону те же характеристики, что и РЦ заводского изготовления (табл.1).

Таблица 1.

Характеристики бетонов на основе РД, полученных из различного сырья

N8 п/п Вид сырья для расширяющей добавки Самонапряжение, МПа Прочность при сжатии, МПа Морозостойкость, циклы Водонепроницаемость, атм

1 Отходы металлургии 0,76 - 0,78 47-52 350 12

2 Отходы горнодобывающей промышленности 0,46 - 0,62 33-37 300 10

3 Отходы топливно-энергетической промышленности 0,24-0,36 31 -40 300 10

4 Отходы керамической промышленности 0,74-1,03 32-47 300 8

5 Природные материалы 0,86-1,03 32-47 300 10

6 РЦ заводского изготовления 0,71-0,84 46-52 350 12

Для широкого практического применения РД требуется всесторонне исследовать механизм их действия и стабильность свойств получаемого бетона, а также классифицировать РД по назначению и областям применения.

Известен ряд гипотез и представлений о механизме и причинах расширения цемента при твердении. В частности считается, что в условиях насыщенного раствора Са(ОН)г эттрингит кристаллизуется топохимически на поверхности исходных

зерен алюминатов кальция (из-за отсутствия А1203 в жидкой фазе), вызывая внутренние напряжения в формирующейся структуре цементного камня. Кристаллизация эттрингита в свободном пространстве между частицами вещества не вызывает расширения. Такая точка зрения на механизм расширения твердеющего РЦ согласуется с нашими представлениями о локализованном на поверхности исходных частиц выделении эттрингита, как необходимом условии получения эффекта расширения.

Несмотря на многочисленные исследования, в вопросе о механизме расширения до сих пор нет единого мнения. Так, многие из зарубежных исследователей при объяснении механизма расширения предполагают толохимическую реакцию образования эттрингита, не приводя, однако, доказательств протекания такой реакции. С другой стороны, экспериментальным путем и кинетическими расчетами было показано, что гидратация вяжущих веществ, в том числе и реакция образования эттрингита, протекает по кристаллизационной схеме через растворение метастабильных исходных фаз и выкристаллизовывание из пересыщенных растворов гидратных соединений, термодинамически устойчивых в данных условиях.

Ни в одной из известных работ не рассматривается качественная сторона процесса расширения, мало внимания уделено вопросам механики, в частности изучению собственных напряжений, возникающих в процессе твердения РЦ.

Применение бетонов на РЦ в монолитных и сборных железобетонных конструкциях дает ряд преимуществ по сравнению с бетонами на портландцементе.

Бетоны на РЦ в преднапряженных конструкциях массового строительства позволяют избавиться в них от технологических трещин. Расход РЦ в этих случаях определяют из условия требуемой прочности бетона. При этом расход РЦ меньше, чем был бы расход портландцемента. Самонапряжение не учитывается, но дефор-

мации расширения бетона по величине больше деформаций его усадки. Вместе с : тем, бетон имеет все положительные качества, присущие бетонам на РЦ: повышенное сопротивление растяжению, водонепроницаемость, долговечность и др.

Производство сборных железобетонных конструкций, как правило, сопровождается их тепловлажностной обработкой. В результате усадки и неравномерных температурных деформаций в таких конструкциях часто возникают трещины еще на стадии изготовления. Естественно, эти изделия в эксплуатации менее надежны и долговечны. Избежать технологических дефектов позволяет применение РЦ. Исследования показали, что бетон на основе РЦ, прошедший тепловлажностную обработку, сохраняет свои специфические свойства и лучше выдерживает технологические нагрузки.

Опыт использования бетона на РЦ в наиболее массовых конструкциях - плитах пустотного настила - показал, что высокие физико-механические свойства такого бетона позволяют существенно сократить, а в ряде случаев и отказаться от применения конструктивной арматуры при сохранении тех же геометрических размеров и эксплуатационных характеристик конструкции.

Широкое применение в практике строительства нашли предварительно напряженные плиты из бетона на РЦ для безрулонных крыш жилых зданий. Затем появились уникальные конструкции из тонких пластин для облицовки русел каналов, элементов висячих покрытий и составных плит на пролет здания. Благодаря применению бетона на РЦ совместно с предварительным напряжением, обеспечивается высокая гибкость .таких пластин без образования трещин.

Опыт применения бетонов на РЦ в метростроении показал их высокую эффективность для строительства объектов в подземном пространстве.

В полной мере преимущества бетона на РЦ реализуются в сборно-

монолитных покрытиях большой протяженности, где эффект расширения дает возможность в 4 - 5 раз уменьшить количество деформационных швов и обеспечивает их надежность. Накоплен большой практический опыт применения РЦ в спортивных сооружениях, в полах различного назначения, в лечебно-оздоровительных и банно-прачечных комплексах, в бассейнах, в сантехкабинах и др.

Эффективность и области применения бетонов на РЦ весьма велики, но на практике конструктивные решения не всегда получаются максимально экономичными, так как разрабатываются без учета напряженно-деформированного состояния материала от совместных внутренних и внешних воздействий. Этот вопрос требует более глубокой проработки с учетом изменения прочности и деформативности бетона на РЦ в конкретных эксплуатационных условиях.

Основным документом, которым сегодня руководствуются при расчете деформаций и напряжений в конструкциях от вынужденного расширения структуры бетона на РЦ, является Пособие по проектированию самонапряженных железобетонных конструкций (к СНиП 2.03.01-84) - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986 г. В соответствии с этим документом расчет величины напряжений от расширения основывается на том, что в железобетонных конструкциях арматура препятствует

расширению бетона и в нем возникают сжимающие напряжения С7вр, величина которых зависит от расхода РЦ, назначаемого в соответствии с требуемым расчетным самонапряжением бетона Я,3, коэффициента армирования Кц и коэффициента Кв,

учитывающего эксцентриситет армирования е9: Свр = -К,, К, . (1)

Исходя из результата анализа ранее выполненных работ и в соответствии с поставленной целью, основные задачи исследования состояли в следующем:

- оценить внутреннее напряженное состояние бетона на РЦ и установить оп-

тимальные режимы ТВО;

- определить влияние состава бетона на РЦ на его прочностные характеристики при кратковременных нагрузках (осевое сжатие, осевое растяжение, растяжение при изгибе и растяжение при раскалывании);

- определить модуль упругости бетона на РЦ при сжатии и растяжении, а также значения предельных деформаций сжатия и растяжения;

- изучить связь между продольными и поперечными деформациями;

- определить границы микротрещинообразования в бетоне на РЦ при кратковременных нагрузках;

- установить влияние концентрации мелкого и крупного заполнителей на прочностные и деформативные характеристики бетона на РЦ;

- провести экспериментальные исследования по определению суммарных потерь предварительного напряжения, потерь от усадки и ползучести бетона;

- разработать предложения по учету основных физико-механических характеристик бетона на РЦ при расчете предварительно напряженных конструкций;

- изучить напряженно-деформированное состояние конструкций в стадии обжатия усилиями предварительного напряжения арматуры;

- установить характер распределения напряжений в полке таврового сечения при действии изгибающего момента и обжатия предварительно напряженной арматурой;

- исследовать прочность, жесткость и трещиностойкость изгибаемых и вне-центренно растянутых железобетонных элементов при одностороннем воздействии холодной или горячей воды;

- разработать предложения по расчету предварительно напряженных изгибаемых и внецентренно-растянутых железобетонных элементов для различных

температурно-влажностных условий среды.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для определения основных физико-механических свойств бетонов на РЦ использовали стандартные или другие известные методики, которые в ряде случаев были усовершенствованы в зависимости от задач эксперимента.

На основе большого количества экспериментальных данных, полученных по многофакторным планам, методами математического анализа и статистики выведены аналитические зависимости, позволяющие рассчитать прочность и расширение бетона в зависимости от режима тепловлажностной обработки.

Для прогнозирования поведения конструкций из бетона на РЦ в процессе их эксплуатации необходимо знать, насколько стабильно расширение бетона во времени и как оно зависит от температурно-влажностных условий. Этот вопрос является предметом многолетних дискуссий.

Существует мнение, что при температуре выше 65°С происходит активная перекристаллизация эттрингита в моносульфат. Оно основывается на известных закономерностях химических процессов и подтверждается многочисленными рентгеновскими наблюдениями. По рентгенограммам видно - чем выше температура, тем меньше эттрингита. Однако энергетические методы анализа не обнаруживают характерных скачков энергии, которые должны иметь место при перекристаллизации. Аналогичные результаты дают эти же методы при наблюдении за бетонами на РЦ, хранящимися в воздушно-сухих условиях.

Перекристаллизация трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция в односульфатную должна сопровождаться потерей значительной доли начального расширения, что имеет принципиальное значение для бетонов на РЦ.

В наших экспериментах при исследовании деформаций бетона на РЦ во

времени масть образцов в течение всего периода наблюдения хранили в условиях 100% влажности при температуре 20°С. Эти образцы, как в "связанном"1, так и в "свободном" состоянии, после стабилизации расширения никаких деформаций сокращения в дальнейшем не имели. Отсюда следует, что уменьшение объема бетона и потери его расширения со временем происходят только в результате усадочных процессов и не являются следствием перекристаллизации эттрингита.

Специальные исследования образцов из различных бетонов2 на РЦ позволили обнаружить интересное явление, которое объяснило кажущуюся противоречивость полученных ранее результатов. Выяснилось, что при снижении влажности и (или) повышении температуры окружающей среды происходит частичное обезвоживание эттрингита. При этом эттрингит переходит в рентгеноаморфное состояние и не регистрируется рентгеновским методом, но определяется микроскопическими исследованиями под электронным сканирующим микроскопом. Чем выше температура (ниже влажность) бетона, тем большее количество эттрингита переходит в указанное состояние, изменяет свой морфологический облик и поверхность кристаллов. При восстановлении температурно-влажностных условий окружающей среды водная составляющая эттрингита тоже восстанавливается. Это давало ранее повод утверждать, что процесс перекристаллизации эттрингита является обратимым.

Физико-химические процессы в цементном камне на РЦ при температурно-влажностных колебаниях носят более сложный характер, чем описано выше. В частности было обнаружено, что частичное обезвоживание трехсульфата имеет неравномерный характер. Происходит постоянное перераспределение воды между его

1 "Связанное" твердение образцов из бетона на РЦ обеспечивается специальными опалубочными формами и кондукторами, имитирующими 1 % армирования.

Исследования бетонных образцов выполнены в лаборатории физико-химических исследований НИИЖБ к.т.н. Л.П. Курасовой

кристаллами. В результате этого одни кристаллы теряют больше НгО, а другие за счет этой воды восстанавливаются. Таким образом появляется вторичный эттрингит с обычными оптическими показателями и внешним видом.

Проведенными исследованиями установлено, что при повышении температуры и снижении влажности окружающей среды ухудшается структура цементного камня из РЦ, но параллельно происходит и ее уплотнение за счет вторичной кристаллизации отдельных новообразований, в том числе и эттрингита. Этот вывод подтверждается также исследованиями физико-механических свойств бетонов на РЦ.

Исследования прочностных характеристик бетонов на РЦ показали, в частности, что связь их кубикозой и призменной прочности, выраженная через коэффициент призменной прочности, удовлетворительно описывается эмпирической зависимостью:

К„ = 0,82 -0,0011, (2)

где К- средняя кубиковая прочность бетона.

Изменение соотношения крупного и мелкого заполнителей в бетоне заметно влияет на коэффициент призменной прочности:

при г =0,45 Кп = 0,8-0,001 Й;

при г = 0,35 К„ = 0,85 -0,001 Я.

Исследование прочности бетонов на растяжение показали, что при одинаковой прочности на сжатие прочность на растяжение у бетонов на РЦ на 15н-40% выше, чем у бетонов на портландцементе (ПЦ). При этом с увеличением прочности на сжатие прочность на растяжение у бетонов на РЦ повышается больше, чем у бетонов на ПЦ.

Исследования бетонов на РЦ и на ПЦ с одинаковой прочностью при сжатии

показали, что относительная прочность при осевом растяжении, характеризуемая коэффициентом К..= ИрЖ , с увеличением прочности на сжатие у обоих видов бетонов снижается. Однако, значение этого коэффициента для бетона на ПЦ ниже на 15+25%, а интенсивность его снижения выше (рис.1).

К=1(рЖ 0.080

0.078

0.076

0.074

0.072

0.070 0.068

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

И, МПа

рис.1. Зависимость коэффициента К от прочности при сжатии бетона на РЦ (1) и бетона на ПЦ (2)

Удовлетворительное совпадение прочности бетона при растяжении с опытными данными дает несколько уточненная эмпирическая формула Ферэ, которая

зГ~Т

для бетона на РЦ приобретает вид Рр = 0,44- V И.'

Аналогично была исследована прочность бетонов на РЦ на растяжение при изгибе и на'растяжение при раскалывании.

Специальные эксперименты показали, что снижение прочности бетона на РЦ при воздействии холодной или горячей воды следует учитывать в расчете конструк-

ций коэффициентами условий работы бетона: для прочности при сжатии - ум, который рекомендуется принимать при воздействии воды с температурой 20°С уь, = 0,93; с температурой 70°С уЬ1 = 0,84 и с температурой 95°С уы = 0,65; для прочности при растяжении - уи, который рекомендуется принимать в зависимости от температуры

воздействующей воды: 20°С - 0,95; 50°С - 0,80; 70°С - 0,75 и 95°С - 0,70.

Достоверность результатов испытаний бетонов на прочность была оценена статистическими методами.

Одной из осноаных характеристик деформативных свойств бетона является его модуль упругости.

Известно, что модуль упругости напрягающих бетонов, состав которых подбирается по требуемому самонапряжению, меньше, чем модуль упругости обычных бетонов на ПЦ такой же прочности. Это рекомендуется учитывать коэффициентом Р = 0,56 + 0,006-В, где В - класс бетона по прочности при сжатии. Нашими экспериментами было установлено, что значения модуля упругости бетонов на РЦ, в которых расширение только компенсирует усадку и их состав подбирается из условия прочности, практически одинаковы со значениями модуля упругости бетонов на ПЦ той же прочности.

При вычислении модуля упругости бетонов на РЦ классов В15+В30 с достаточной степенью достоверности можно пользоваться эмпирической формулой Ро-ша, которая согласуется с данными СНиП 2.03.01-84:

55000

£ь=-ГГТ7- (3)

1 +

18,7/ '

/R

Для вычисления модуля упругости бетонов на РЦ прочностью 30-И00 МПа с

объемной массой 1800-5-2400 кг/м3 предлагается использовать схожую формулу:

С увеличением возраста бетона на РЦ характер зависимости его модуля упругости от прочности и объемного веса сохраняется.

Снижение модуля упругости бетона на РЦ под воздействием горячей воды предлагается учитывать коэффициентом условий работы рь , который может быть принят в зависимости от температуры воды: 20°С - 0,94; 50°С - 0,91; 70°С - 0,72 и 95°С - 0,60.

Анализ литературных данных показывает, что при повышенных уровнях напряжений неупругие деформации бетонов на ПЦ на 15*25% должны превышать неупругие деформации бетонов на РЦ. Наши эксперименты подтвердили это, причем различие в продольных деформациях оказалось тем больше, чем выше был уровень напряжений.

Нагружение бетона на РЦ сжимающими усилиями до уровня ~ 0,2Р? сопровождалось ростом коэффициента поперечных деформаций (V). При этом по мере

повышения уровня нагружения от 0,214 до 0,6И наблюдалась линейная зависимость между продольными и поперечными деформациями. Верхняя граница этой области соответствует нижней границе образования микротрещин Я0,. Дальнейшее нагружение бетона сопровождалось относительно медленным ростом коэффициента поперечных деформаций. Резкое ускорение роста V для бетонов на РЦ произошло при

напряжениях (0,8^0,85)В, которые соответствуют верхней границе образования микротрещин

На первых ступенях нагружения бетона обычно наблюдается существенное

Еь =

20УЬ

(4)

изменение коэффициента поперечных деформаций за счет уплотнения структуры бетона. У бетонов на РЦ уровень напряжений, при котором происходит стабилизация коэффициента V , ниже, чем у бетонов на ПЦ, поскольку они обладают болео

плотной структурой с меньшим количеством дефектов.

Микротрещины в бетонах на ПЦ при нагружении их сжатием появлялись при напряжениях (0,3+0,4)1* , а в бетонах на РЦ - при (0,45+0,55)[4. В этот период происходит увеличение количества трещин и их длины. Скорость этого процесса в бетонах на РЦ обусловлена присутствием в его структуре собственных напряжений другого знака, которые возникают в результате расширения системы как в ранние, так и в более поздние сроки твердения. Поэтому коэффициент поперечных деформаций у бетонов на РЦ до уровня напряжений (0,8+0,85)14 растет под нагрузкой медленнее, чем у бетонов на ПЦ.

Дальнейшее резкое увеличение значения V происходит по причине интенсивного развития микротрещин. Образования в виде сети непрерывных микротрещин перерастают в микродефекты, которые ускоряют процесс разрушения бетона.

Для бетонов на ПЦ Я"! находится на более низком уровне (0,65+0,8)13. Более высокий уровень для бетонов на РЦ соответствует их более высокому энергетическому потенциалу, при котором требуется затратить больше энергии на разрушение внутренних связей. Увеличение доли крупного заполнителя в бетонах на РЦ несколько повышает их трещиностойкость, поскольку крупный заполнитель затрудняет развитие магистральной трещины и вызывает ее разветвление.

В наших опытах деформации бетона замеряли на всех уровнях нагружения, в том числе и при напряжениях близких к разрушающим и составляющих 0,95(4, а в ряде случаев до самого разрушения. По результатам замеров строилась, а затем

анализировалась зависимость "СТ-8".

Предельные относительные деформации укорочения при сжатии бетонов на ПЦ колебались в интервале 194+218x10'5, а удлинения при растяжении - в интервале 10-И 2x10"5.

Предельные относительные деформации укорочения при сжатии бетонов на РЦ классов В15...В30, прошедших ТВО, находились в интервале 220+236x10"5. Предельные деформации удлинения при растяжении этих бетонов находились в интервале 12+14x10'5.

Эксперименты показали, что бетоны на РЦ обладают более высокой предельной деформативностью по сравнению с бетонами на ПЦ той же прочности. При растяжении эта разница больше и достигает 20%, в то время как при сжатии - 13%.

При исследовании влияния возраста бетона после ТВО на его предельную деформативность оказалось, что наибольшей предельной сжимаемостью и растяжимостью обладает бетон в возрасте 7 суток. К 28-м суткам предельная деформативность бетона несколько снижается и в возрасти 70 суток стабилизируется. Характер изменения предельной деформативности во времени у бетонов на РЦ и у бетонов на ПЦ одинаков.

Опыты показали, что бетоны с большим содержанием мелкого заполнителя обладают большей предельной деформативностью.

Для оценки собственных напряжений в бетоне использовали энергозатраты на инициирование разрушения G, , вычисленные по полностью равновесным диаграммам деформирования (ПРДД), и продольные деформации растяжения, полученные через прогиб балки на упругой стадии работы бетона.

В процессе испытания получали машинные диаграммы деформирования.

В расчетах учитывали поправку на массу образца и испытательного обору-

дования.

Анализ ПРДД был выполнен согласно известной методике, когда площадь диаграммы считается численно равной полным энергозатратам на квазистатическое деформирование вплоть до разделения (фрагментации) образца на части.

Анализируя полученные результаты, можно отметить повышенный на 10+20% уровень критической нагрузки у бетонов на РЦ по сравнению с бетонами на ПЦ того же класса. Соответственно у бетонов на РЦ и предел прочности на растяжение при изгибе, определенный энергетическим методом, на 18+23% выше.

Оценивая энергетическим методом работу по деформированию бетона образцов на упругой стадии, можно отметить, что бетоны на РЦ имеют энергетический потенциал на 20+25% выше, хотя их модуль упругости практически не отличается от модуля упругости бетонов на ПЦ. Отсюда следует, что в теле бетона на РЦ могут присутствовать собственные объемные положительные напряжения.3

Напряжения, воспринимаемые структурой бетона перед началом разрушения, могут быть вычислены по формуле:

СТь=—, (5)

ДЬ<

гдeGi - удельные энергозатраты на инициирование разрушения;

Ды- продольное удлинение крайнего растянутого волокна бетона а момент страгивэния трещины.

Характеристики напряженно деформированного состояния бетонов на упругой стадии их работы приведены в таблице 2.

Анализ результатов показывает (см.табл.2), что у бетонов на РЦ напряже-

3 Положительными условно принимаются напряжения, противоположные по знаку растягивающим напряжениям от внешней нагрузки. Предполагается, что дефрагментация бетонного образца во всех случаях происходит под воздействием растягивающих напряжений.

Таблица 2.

Характеристики напряженно деформированного состояния бетонов

Энергозатраты Упругие деформации Напряжения в

Класс Вид на инициирова- Продольное бетоне до нача-

бетона цемента ние разрушения прогиб, удлинение ла разрушения

(марка) Gj, Н/м /хЮ5 ,м Дь,хЮ3,м <Ть, МПа

В15 РЦ 13,98 7,5 14,46 0,97

(М200) ПЦ 11,34 8,0 15,43 0,74

В22,5 РЦ 25,43 10.5 20,25 1,26

(МЗОО) ПЦ 22,40 11.0 21,21 0,96

ВЗО РЦ 34,28 12,0 23,14 1,48

(М400) ПЦ 27,06 12,5 24,1 1,12

ния, воспринимаемые его структурой до начала разрушения, на 30% выше таких же напряжений у бетонов на ПЦ классов В15+В30. Из этого можно сделать вывод , что в бетоне на РЦ присутствуют положительные напряжения, возникающие в процессе формирования структуры, и эти напряжения в среднем составляют для класса .815 -0,23 МПа; В22,5 - 0,3 МПа; ВЗО - 0,36 МПа.

Анализ упруго-пластической зоны ПРДД бетонов показал, что энергозатраты на упругое деформирование на стадии инициирования разрушения и полные удельные упругие энергозатраты практически не зависят от вида вяжущего и изменяются только в зависимости от прочности бетона. Это свидетельствует о том, что в упруго-пластической зоне деформационные свойства бетонов на РЦ и на ПЦ не отличаются друг от друга и зависят только от объемной доли цементного камня в бетоне, что подтверждает данные, полученные при исследовании модуля упругости.

При оценке разрушения бетонных образцов по ПРДД было отмечено важное обстоятельство: рост длины трещины, стартующей в бетоне на ПЦ с энергозатратами, которые в 2 раза меньше, чем в бетонах на РЦ, протекает более интенсивно.

Эттрингит, присутствующий в большем количестве в структуре бетона на РЦ, сдерживает рост трещины, так как для разрыва дополнительных связей, образовавшихся во время твердения РЦ, требуются дополнительные энергозатраты на локальное деформирование.

Потери предварительного напряжения в арматуре определяли на призмен-ных образцах с размерами 150x150x2000 мм с центрально расположенным арматурным стержнем 025 мм. Параллельное исследование деформаций ползучести и усадки бетона на образцах-призмах 100x100x400 мм позволило разделить общие деформации, измеренные при отпуске арматуры в основных образцах, на их основные составляющие (табл.3).

Таблица 3.

Потери предварительного напряжения арматуры в железобетонных изделиях

Факторы, вызывающие потери предварительного напряжения Потери предварительного напряжения, МПа

бетон на РЦ бетон на ПЦ

опытные по СНиП опытные по СНиП

Температурный

перепад 48,0 60,0 48,0 60,0

Быстронатекающая

ползучесть 17,3 27,2 15,5 25.0

Усадка - 43,0 35,4 43,0

Ползучесть 109,6 87,8 105,2 85,6

Итого: 174,9 218,0 204,1 213,6

Как видно из табл.3, суммарные потери предварительного напряжения арматуры в изделиях из бетонов на РЦ можно определять по СНиП 2.03.01-84 как для бетонов на ПЦ, но без учета потерь от усадки бетона.

Эксперименты показали, что относительные деформации ползучести, как при уровне нагружения 0,5Я, так и при уровне 0,8Я, в бетонах на РЦ несколько

больше, чем в бетонах на ПЦ. Это связано с тем, что первые имеют несколько большую величину деформации быстронатекающей ползучести.

В исследованиях напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных изгибаемых конструкций в качестве образцов использовали балочные элементы прямоугольного и таврового сечений с полкой в сжатой или растянутой зонах. Эскизы образцов показаны на рис.2. Испытания балок проводили на 25+28-е сутки после тепловлажностной обработки. К этому времени процессы усадки и расширения бетона в основном завершались, а его прочность достигала проектного уровня.

На образцах тавровых сечений была исследована степень вовлечения полки в работу элемента, которую оценивали коэффициентами полноты эпюры напряжений СО а и полноты эпюры деформаций (О Е:

14/2 / а(х)с!х

СО^ = —5--, где (6)

вт ' ^шах

где СТ(х)-ординаты эпюры напряжений по ширине полки; (3 гаах- максимальные

напряжения в полке элемента; в - ширина полки таврового элемента.

!

Ее^-дх

=.—-- , где (7)

т тах

£х- средняя величина деформации на участке X; ДХ- длина участка X; Б - максимальная величина деформации в полке.

о 8 А-1

! _______________Ч < ! 1 1 1 1 1

900 -1-м 1200 ! 900

1 ЗООО |

по 1-1

□ Ж

14 Ат-У

по 1-1

900

я 8 А-1

Ч

Ч

900

по 1-1 150[

20 14 Ат-У

150

Рис. 2. Конструкция и армирование образцов, исследованных на действие изгибающего момента: А - тавровые образцы со сжатой полкой; В - тавровые образцы с растянутой полкой; С - образцы прямоугольного поперечного сечения

Коэффициент полноты эпюры деформаций после начала трещинообразова-ния не совпадает с коэффициентом полноты эпюры напряжений, поэтому в наших исследованиях были использованы параллельно оба коэффициента.

Распределение напряжений по ширине полки образца из бетона на РЦ при нагрузке менее 0,7 от разрушающей характеризовалось полной пропорциональностью. Это указывает на достаточно стабильную совместную деформативность стенки и полки элемента. Видимые трещины среза в бетоне образца возникали только в момент, близкий к потере им несущей способности.

Известно, что изменения в характере работы таврового элемента на определенной стадии нагружения связаны с нарушением сплошности его сечения по контакту ребра и полки. В этой зоне имеет место концентрация напряжений, которая усугубляется неравномерностью усадочных деформаций бетона в полке и в ребре. Наши исследования показали, что при использовании бетона на РЦ снижается концентрация усадочных напряжений в зоне изменения сечения и сохраняется пропорциональность распределения относительных деформаций по ширине сжатой полки вплоть до разрушения конструкции. В связи с этим в тавровых элементах из бетона на РЦ коэффициент полноты эпюры напряжений, действующих по ширине полки, рекомендуется принимать в пределах от 0,85 до 0,9.

Исследование зоны передачи предварительного напряжения тоже выявило существенную особенность бетонов на РЦ.

В ряде исследований было показано, что если при передаче преднапряже-ния ширина раскрытия трещин на торце элемента не превышает 0,1 мм, то это не

влияет на величину зоны анкеровки I р . Тем не менее в наших экспериментах для

анализа были приняты только те конструкции, которые не получили дефектов в стадии обжатия.

Расчетные значения длины зоны передачи напряжения определяли по формуле4 СНиП:

4 В формулах 8+13 обозначения приняты в соотвеютвии со СНиП 2.03.01-84

¿ра,и = ((йрСГ,р/Рьр+Х)-с1; (8)

а также.по усовершенствованной формуле ЕКБ-ФИП5:

С"а = 0,045-ар ■ <Т„ ■ с! / Иы • 1,2 , (9)

где аР - коэффициент, учитывающий вид применяемой арматуры.

В СНиП за критерий оценки ¿р принята прочность бетона при сжатии. В то же

время очевидно, что при отпуске натяжения арматура оказывает на бетон расклинивающее действие, создавая в нем местные концентрические растягивающие усилия. Зависимость ЕКБ-ФИП за один из критериев оценки величины зоны передачи напряжения принимает сопротивление бетона осевому растяжению.

Наши испытания показали, что экспериментальные значения I р в бетоне на

РЦ в среднем на 30% меньше, чем рассчитанные по СНиП. В отдельных случаях это различие достигало 50%. Значения, рассчитанные по зависимости (9) в большей степени согласуются с экспериментальными, но в этом случае расчет недооценивает длину зоны передачи напряжения в среднем на 15%, что вероятно связано с несколько большей деформативностью бетона на РЦ.

Формула ЕКБ-ФИП применительно к. бетонам на ;РЦ выглядит более корректной, чем зависимость СНиП. Последняя достаточно надежно оценивает длину зоны передачи напряжения в конструкциях из бетона на ПЦ.. Бетон на РЦ имеет повышенное сопротивление осевому растяжению и другое соотношение между проч-ностями при сжатии и при растяжении. Этим и объясняется такая большая разница

5Формула усовершенствована АС. Залесовым, Е.А. Чистяковым, Г.Н. Судаковым

между экспериментальными значениями и рассчитанными по формуле СНиЛ.

В целом, повышенное сопротивление бетона на РЦ осевому растяжению приводит к тому, что в предварительно напряженных конструкциях на его основе при отпуске натяжения арматуры уменьшается длина зоны передачи напряжения по сравнению с нормируемой на 2Ch-26%.

Испытания большеразмерных образцов различной формы поперечного сечения (см. рис.2) показали, что изгибаемые конструкции из бетонов на РЦ имеют на 10-i-l 5% повышенную несущую способность. Это объясняется тем, что благодаря повышенной предельной сжимаемости бетона преднапряженная высокопрочная растянутая арматура в большей степени включается в работу в зоне выше условного предела текучести, чем это предусмотрено СНиП.

Момент образования трещин в изгибаемых предварительно напряженных элементах из бетона на РЦ в опытах превышал рассчитанный по СНиП на 20-5-30%. Поэтому при вычислении момента трещинообразования в таких конструкциях целесообразно учитывать повышенное сопротивление бетона растяжению и расширение бетона, сделав соответствующую корректировку формулы СНиП:

Мсге = (1,2Rbl,3ef+CT,p- сус-ь СТь»+ (TbO-Wpi ± Мф . (10)

В формуле (10) коэффициент условий работы бетона на растяжение 1,2 учитывает увеличенную прочность бетона на РЦ при растяжении. Напряжения от расширения бетона СТВр , от увлажнения бетона Оь» и от температуры сть, повышают

момент образования трещин. Напряжения от усадки бетона Сть, cs снижают трещино-стойкость.

Бетоны на РЦ имеют повышенную предельную растяжимость. Ее величина

составляет (18+27)-10'5. В связи с этим возрастает пластический момент сопротивления сечения . При вычислении ожидаемого момента образования нормальных трещин увеличение пластического момента сопротивления сечения целесообразно учитывать введением коэффициента К(:

к, = , (11)

где £ы - предельные деформации растяжения бетона.

С учетом коэффициента К1 зависимость для определения пластического момента сопротивления сечения принимает вид:

Р1

_ к^ьо + а • х,р + а • 1'50) + д _

Ь - х

Исследование развития и ширины раскрытия нормальных трещин в изгибаемых предварительно напряженных элементах выявило некоторые различия между конструкциями из бетона на ПЦ и из бетона на РЦ. Основное из них заключается в целесообразности учета при расчете расширения бетона; которое уменьшает ширину раскрытия трещин:

асгс =5-Г|-20(3,5-100ц)-^3''(ф^^--Евр + БИ-8{). (13)

а

В стадии близкой к разрушению в бетонах на РЦ в большей степени, чем в бетонах на ПЦ, проявляется деформатизность. В изгибаемых элементах это дает превышение фактического прогиба над расчетным в среднем на 25%. В то же время при нормативной нагрузке существенных различий в деформировании сравниваемых конструкций не наблюдалось.

С целью оценки достоверности выводов, сделанных по результатам испытаний большеразмерных лабораторных образцов, были выполнены соответствующие

расчеты методами механики разрушения с использованием фактических данных для бетона. Это позволило определить трещиностойкость нормальных сечений и несущую способность образцов-балок на всех уровнях нагружения, включая максимальный и остаточный за пределом текучести арматурной стали.

Исследования железобетонных элементов из бетонов на РЦ при одностороннем воздействии холодной или горячей воды были проведены на статически определимых однопролетных и статически неопределимых трехпролетных балках, нагруженных внецантренно приложенной растягивающей силой. Эти исследования были выполнены в связи с тем, что, как показали расчеты, одной из наиболее эффективных областей применения бетонов на РЦ могут стать баки-аккумуляторы горячей воды, которые в настоящее время, как правило, делают металлическими.

В результате проведенных экспериментов были получены данные о влиянии увлажнения бетона на РЦ горячей водой на его физико-механические характеристики. Это позволило разработать рекомендации по расчету усилий во внецентренно растянутых железобетонных элементах при одностороннем воздействии воды и внести соответствующие изменения в формулы для расчета конструкций из бетонов на РЦ. В частности, были установлены коэффициенты условий работы бетона на РЦ при одностороннем воздействии горячей воды для случая непосредственного

контакта бетона с горячей водой при сжатии "/ы=0,65 и при растяжении ун=0,70, а

также коэффициент для модуля упругости бетона рь=0,60.

Выводы, сделанные по результатам лабораторных экспериментально-теоретических исследований, были проверены испытаниями ряда натурных конструкций различного назначения. При выборе вида натурных конструкций принималось во внимание то, что они должны серийно изготавливаться промышленностью. При этом характер работы конструкций и условия их эксплуатации должны были

быть такими, чтобы применение бетона на РЦ давало, по возможности, больший эффект.

Многопустотные панели, изготовленные из бетона на РЦ в заводских условиях, были заармированы только продольной предварительно напряженной арматурой.

Испытания проводили в лабораторных условиях равномерно распределенной нагрузкой. Первые трещины на нижней плоскости панели и на уровне арматуры появились, когда момент от испытательной нагрузки на 8% превысил значение расчетного момента трещинообразования, вычисленное по СНиП. Момент образования трещин, вычисленный по формуле (10), практически совпал с его опытным значением. На этапах работы панели без трещин ее прогиб увеличивался пропорционально нагрузке.

При нормативной нагрузке панель работала практически упруго, о чем свидетельствовал близкий к линейному характер зависимости "изгибающий момент-прогиб".

Разрушение панелей по нормальным сечениям происходило как в малоар-мированных конструкциях в результате обрыва продольной рабочей арматуры. При этом в момент, предшествующий разрушению, деформации бетона сжатой зоны еще не достигли своих предельных значений. Таким образом, ресурс прочности бетона сжатой зоны не был использован в полной мере. Фактический разрушающий момент превысил расчетный на незначительную величину.

Трещины нормального отрыва в бетоне панели появлялись в процессе на-гружения лишь в средней трети пролета, где действовал максимальный изгибающий момент. В связи с этим появлялась возможность для последующего испытания приопорных участков панели на воздействие поперечной силы.

Разрушение панели по наклонным сечениям происходило вслед за образованием наклонных трещин. На этапе, предшествующем разрушению, было зарегистрировано втягивание стержней продольной рабочей арматуры в тело бетона на величину 0,01 мм. Образования нормальных трещин в приолорных участках зарегистрировано не было.

Разрушение произошло при поперечной силе 248,8 кН, что на 123% больше расчетного значения. Панель без конструктивной и поперечной арматуры, благодаря повышенному сопротивлению бетона на РЦ осевому растяжению, а также доста-. точно надежному сцеплению арматуры с бетоном, имела большой запас прочности по наклонным сечениям.

Данные испытания показали возможность отказа от конструктивной и поперечной арматуры в панелях пустотного настила при значительном запасе несущей способности наклонных сечений под статической нагрузкой. Однако конструктивная арматура устанавливается в основном для восприятия специальных видов нагрузок, не учитываемых статическим расчетом. Одним из видов такой нагрузки является огневое воздействие.

На огнестойкость испытывали панели из бетона на РЦ, армированные только продольной предварительно напряженной арматурой, и панели из бетона на ПЦ, армированные в соответствии с чертежами типового проекта.

Влажность бетона конструкций перед их испытанием составляла 3+6%. Ее определяли высушиванием отобранных проб до постоянной массы при температуре 105°С.

Перед разрушением панелей под действием огня при нормативной нагрузке в растянутой арматуре, нагретой до критической температуры, начинают быстро развиваться пластические деформации, свидетельствующие о наступлении стадии

ее текучести. Момент образования в растянутой зоне пластического шарнира определяется на графиках прогибов точками перегиба кривых. После этого момента прогибы конструкции начинают быстро расти. За предел огнестойкости исследуемых панелей принимали время их нагрева до образования пластического шарнира в середине пролета, несмотря на то, что время их фактического разрушения превышало момент начала текучести растянутой арматуры.

Панель из бетона на РЦ выдержала 50 мин огневой нагрузки, а рядовая панель из бетона на ПЦ — 44 мин. При этом следует отметить, что обе панели разрушились в зоне максимального изгибающего момента, хотя панель из бетона на РЦ не имела в опорной и приопорной частях специального армирования. Повышенное сопротивление растяжению бетона на РЦ сохраняется и при огневом воздействии. Таким образом сдерживается распространение трещин от середины пролета к опорным зонам и рабочая продольная арматура в приопорных участках продолжительное время оказывается защищенной от прямого воздействия огня.

Отсутствие конструктивной арматуры, включая арматуру опорных участков, не снизило огнестойкость панелей из бетона на РЦ ниже допустимого предела.

Главным итогом этой часто исследований является выясненная возможность эффективного использования бетона на РЦ в массовых конструкциях заводского изготовления — в многопустотных панелях. Специфические свойства бетона на РЦ, такие, как повышенное сопротивление растяжению, большие, по сравнению с традиционным бетоном, предельные деформации при растяжении и сжатии, а также наличие расширения и самонапряжения, увеличивают прочность и надежность панелей.

В гражданском строительстве все более широкое применение находят безрулонные покрытия, позволяющие резко снизить трудоемкость, сезонность и стой-

морть кровельных работ. Основным элементом безрулонной крыши является кровельная панель, к которой предъявляются специальные требования по трещино-стойкости, атмосферостойкости, водонепроницаемости и морозостойкости.

Нами была испытана складчатая предварительно напряженная плита из бетона класса ВЗО на основе РЦ, запроектированная под вторую категорию трещино-стойкости.

Трещины нормального отрыва появились в плите в зоне действия максимального изгибающего момента. Теоретический момент образования трещин, вычисленный по формуле (10), и ширина раскрытия трещин, рассчитанная по формуле (13) с учетом расширения бетона на РЦ, удовлетворительно совпали с опытными данными: расхождение составило 7% и 10% соответственно.

Проведенные испытания плиты безрулонной крыши из бетона на РЦ показали, что плита по прочности, трещиностойкости и деформациям удовлетворяет требованиям Инструкции по проектированию сборных железобетонных крыш жилых и общественных зданий ВСН 35-77 и относится к конструкциям первой категории трещиностойкости.

Другим экспериментальным изделием стали большеразмерные плиты-оболочки из предварительно напряженных в двух направлениях тонких пластин (Рис.3). Особенность этих конструкций заключается в том, что они работают под значительными нагрузками и при этом имеют относительно малый массив бетона. Естественно, что к бетону таких изделий предъявляются повышенные требования по непроницаемости, трещиностойкости и долговечности. Решение сборной плиты-оболочки из двухосно напряженных пластин содержит в себе ряд технологических и конструктивных новшеств, которые наряду с применением бетона на РЦ позволяют говорить о принципиально новом типе железобетонных конструкций, конкурентных

метал ическим.

Были испытаны "крайняя" и "средняя" плиты-оболочки.

"Крайнюю" плиту-оболочку, устанавливаемую в торце покрытия, испытывали без учета влияния соседних плит в покрытии здания.

Плита была запроектирована под распределенную нагрузку 3,5 кПа. Это было сделано с целью возможности сопоставления данных о прочности и деформа-тивности опытных образцов с результатами ранее испытанных конструкций плит-оболочек с одноосно преднапряженным ребром, а также с результатами испытаний других подобных конструкций: плит "на пролет" типа КЖС и П.

Испытания проводили по балочной схеме. Загружение велось этапами по 1,0 кПа путем равномерной укладки бетонных грузов массой 110-И 15 кг по полю полки плиты. При нагрузке 3,4 кПа в четверти проЛета со стороны подвижной опоры укладывали бетонный блок массой 4,5 т, имитирующий нагрузку от подвесного крана.

Первые трещины в плите-оболочке были зафиксированы при нагрузке 5,32 кПа, превышающей расчетную нагрузку образования трещин, вычисленную по СНиП 2.03.01-84, на 9%. Момент образования трещин, вычисленный по формуле (10) с учетом повышенной прочности бетона на растяжение и его расширения при твердении, составил 205 кНм и был на 3% меньше опытного, достигшего величины 211 кНм.

При испытании "средней " плиты-оболочки, влияние соседних плит в покрытии здания моделировали с помощью системы подвесок, имитирующих связи полки плиты в местах ее крепления к соседним плитам-оболочкам.

Испытания показали, что необходим дифференцированный подход к оценке работы конструкции в зависимости от ее положения в покрытии. Для "крайней" пли-

ты-оболочки опасным является разрушение от потери устойчивости полкой, один свес которой находится в свободном состоянии. Учет истинных условий закрепления плиты в покрытии, как показали испытания "средней" плиты-оболочки, гарантирует от такого вида разрушения конструкции. У "крайней" плиты-оболочки максимальные напряжения в полке возникают от действия поперечного момента в местах заделки, что вызывает появление трещин в полке вдоль ребра уже на ранних этапах загружения. Закрепление полки с обеих сторон, что имеет место в "средней" плите, обеспечивает снижение момента в заделке за счет более равномерного перераспределения усилий по полю плиты.

С целью исключения возможности появления каких бы то ни было трещин в плите-оболочке эксплуатационную нагрузку на нее следует ограничить величиной 4,5 кПа.

Предложенная конструкция плиты-оболочки из двухосно преднапряженного железобетона на основе РЦ способна воспринять без образования трещин следующие нагрузки и воздействия:

— от снега до 5-го снегового района в зданиях без подвесного кранового оборудования;

— от снега в 1-м и 2-м снеговых районах в зданиях с подвесным крановым оборудованием грузоподъемностью до 3,5 т включительно;

— от снега в 1 -ьЗ-м снеговых районах в зданиях с одним подвесным краном грузоподъемностью до 4 т включительно.

Результаты сопоставления по несущей способности и экономическим показателям предлагаемой конструкции плиты-оболочки и ранее испытанных плит с од-ноосно преднапряженным ребром, а также панелей КЖС и П можно констатировать, что использование бетона на РЦ и создание в ребре двухосного предварительного

напряжения обеспечивает конструкции повышенную эксплуатационную надежность, исключает возможность ее хрупкого разрушения и повышает индустриальность изделия за счет использования автоматизированной технологии непрерывного армирования.

На основе результатов данной работы были подготовлены Рекомендации по расчету предварительно напряженных железобетонных изгибаемых элементов из бетона на РЦ, Рекомендации по проектированию и технологии изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций методом непрерывного армирования, Рекомендации по расчету усилий во внецентренно растянутых железобетонных элементах при одностороннем воздействии воды, Предложения по дополнению СНиП 2.03.01-84 и СНиП 2.03.04-84, которые приведены в заключительной главе диссертации.

В нормах для проектирования железобетонных конструкций характеристики предельной деформативности вводят в расчет в виде обобщенной величины, не учитывая особенностей деформирования различных видов бетонов. Использование предлагаемых рекомендаций дает возможность достаточно просто и обоснованно учитывать в расчете фактические свойства бетона на РЦ и проектировать надежные ■ и экономичные конструкции. Изделия из бетонов на РЦ использованы во многих регионах России, Казахстана, Узбекистана, Украины и Беларусии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе обобщенных данных о видах и составах расширяющих цементов (РЦ) и расширяющих добавках (РД) к портландцементам (ПЦ), показаны области их наиболее эффективного использования и даны технологии практического применения.

2. Полученные новые данные, способствуют дальнейшему развитию теории и практики нового поколения железобетонных конструкций из бетонов на РЦ, отли-

чающихся повышенной долговечностью и эксплуатационной надежностью, которые характеризуются водонепроницаемостью не меньше марки W12, морозостойкостью не ниже 300 циклов, атмосферостойкостькз не менее 1500 циклов и коррозионной устойчивостью в воздушных и жидких средах.

3. Экспериментальными исследованиями установлено, что бетоны на РЦ отличаются от бетонов на ПЦ пониженным на 8+15% расходом вяжущего при обеспечении прочности и обладают способностью регулируемого расширения в процессе твердения в пределах 0,2+4,0% , которое компенсирует усадку и, при необходимости, создает самонапряжение в структуре бетона 0,7+3,5 МПа, а также повышает сопротивление материала растяжению и его энергетические (G, j) и силовые (К|, Кц) характеристики.

4. Методами механики разрушения оценены напряжения в бетоне на всех этапах равновесного деформирования (восходящей и нисходящей ветвях диаграмм) до полного разрушения. Впервые полумены значения собственных (начальных) напряжений в бетонах на РЦ, которые составляют 0,25, 0,30 и 0,36 МПа соответственно для классов бетона В15, В22,5 и ВЗО.

5. Определены нормативные и расчетные характеристики бетонов на РЦ с учетом собственных напряжений. При этом установлено, что переходные коэффициенты от прочности на растяжение при изгибе к прочности на осевое растяжение могут приниматься согласно ГОСТ 10180-90, как для бетонов на портландцементе. Переходные коэффициенты от прочности на растяжение при раскалывании к прочности на осевое растяжение для бетонов на РЦ классов В15, В22,5 и ВЗО следует принимать равными 0,94, 0,89 и 0,84 соответственно.

6. Получены новые данные, показывающие: бетоны на РЦ имеют повышенные на 10+20% уровни границ микротрещинообразования при осевом сжатии, кото-

рые могут быть определены по зависимостям Rcrc° = 0,5-0,6R и Rorcv = 0,85-0,9R; мик-ротрещиностойкость и трещиностойкость бетона на РЦ по характеристикам Wm , Щ, G¡ и Ki также на 10+20% выше (в зависимости от состава бетона), чем у бетона на портландцементе; модуль упругости для бетонов на РЦ можно определять в соответствии со СНиП 2.03.01-84, различая бетоны на РЦ с нормируемым самонапряжением и без него (для первых модуль упругости следует принимать с учетом примечания, касающегося напрягающих бетонов); предельные деформации бетонов на РЦ выше, чем бетонов на портландцементе, при растяжении на 18+20% и при сжатии на 12+15%.

7. Экспериментально доказано, что потери предварительного напряжения арматуры в элементах из бетонов на РЦ следует принимать в соответствии со СНиП 2.03.01-84, но исключая потери от усадки бетона. Доверительный уровень потерь предварительного напряжения может быть снижен до 70 МПа.

Длину зоны передачи преднапряжения с арматуры на бетон можно принимать на 20+25% меньше, чем установлено требованиями СНиП 2.03.01-84.

8. Получены данные, показывающие, что в сборных предварительно напряженных изгибаемых элементах, независимо от формы их поперечного сечения, расчет деформаций сечений на этапах без образования трещин нормального отрыва, а также выгиба элемента от усилий обжатия и его прогиба от внешней нагрузки в воздушно-сухих условиях следует выполнять по жесткости сплошного сечения с коэффициентом 0,7.

9. Экспериментально показано, что момент появления трещин в нормальных сечениях в условиях водонасыщения следует определять с учетом деформаций набухания. Для бетона на РЦ коэффициент набухания следует принимать равным

6-10'3 мм1мм,: а коэффициент температурных деформаций - равным 14-10'6 "С"1. г/г

Ю.Экспериментально установлено, что расчет и проектирование железобетонных конструкций из бетона на РЦ таврового и двутаврового поперечных сечений следует производить с учетом пропорциональности распределения напряжений по ширине сжатой полки, принимая значение коэффициента полноты эпюры напряжений не ниже 0,7. В растянутой полке в момент, предшествующий старту магистральной трещины, значение коэффициента полноты эпюры напряжений принимается равным 0,85.

11.Натурными испытаниями конструкций показано, что огнестойкость многопустотных панелей, изготовленных из бетона на РЦ и армированных только продольной рабочей арматурой, не ниже огнестойкости типовых многопустотных панелей из бетона на портландцементе с той же прочностью при сжатии. Повышенное сопротивление растяжению бетона на РЦ и особенность его пористой структуры позволили отказаться от поперечной и конструктивной арматуры, не снижая эксплуатационных характеристик многопустотных панелей, в том числе их огнестойкости.

^.Экспериментально выявлена особенность работы железобетонных конструкций из бетона на РЦ при сложном комплексе силовых и температурно--влажностных воздействий и необходимость учета при их расчете деформаций расширения бетона как во время его твердения, так и при длительной эксплуатации во влажной среде. Рекомендованы соответствующие расчетные формулы.

13,Экспериментально-теоретические обобщения по управлению и учету собственных деформаций расширения бетонов на РЦ показали важную положительную роль этого процесса для железобетонных конструкций различного назначения и позволили создать ряд новых видов изделий: элементы беспокровных крыш для жи-

лых, общественных и производственных зданий; конструкции из пластин, непрерывно армированных преднапряженной арматурой в двух направлениях; трубы диаметром от 5,5 м без металлического сердечника под рабочее давление в 20 атм; железобетонные баки-аккумуляторы горячей воды и емкости без гидроизоляции и др. Все эти разработки обеспечены необходимой нормативной проектной и технологической документацией.

Основное содержание диссертации изложено в следующих опубликованных работах.

1. Изготовление конструкций из высокопрочного мелкозернистого шлакобетона на НЦ / Н.И.Федынин, Н.М.Белогуров, А.И.Звездов, М.И.Диамант // Бетон и железобетон.-! 980,- N83,- С. 17-19.

2. Мартиросов Г.М., Заездов А.И. Шлакобетон на напрягающем цементе для конструкций беспокровной крыши // Опыт проектирования, изготовления и применения безрулонных крыш в гражданском строительстве.- Ташкент: ТашЗНИИЭП, 1980.- С.17-21.

3. Звездов А.И. Особенности технологии высокопрочного шлакобетона на напрягающем цементе // Новые исследования по технологии, расчету и конструированию железобетонных конструкций.- М.: НИИЖБ, 1980,- С.54-58.

4. Элементы безрулонной кровли из напрягающего бетона / М.И. Диамант, Г.М. Мартиросов, У.Ф.Фазылов, Н.И.Федынин, А.И.Звездов, С.А.Ходжаев // Бетон и железобетон.-1981,- №6.- С. 18-19.

5. А.с. 844602 СССР, МКИ С04В 13/24. Строительная смесь / Н.И.Федынин, А.И.Звездов (СССР) // Открытия. Йзобретения.-1981.- №25.

6. А.с. 852826 СССР, МКИ С04В 15/00. Бетонная смесь / Н.И.Федынин, Н.М.Белогуров, А.И.Звездов, М.И.Диамант, ВА.Черноиваненко (СССР) //Открытия. Изобретения.- 1981.-№29.

7. Повышение эксплуатационной надежности железобетонных безрулонных кровель с применением бетонов на напрягающем цементе / Г.М.Мартиросов, У.Ф.Фазылов, Д.Ш.Исламов, А.И.Звездов // Применение напрягающего бетона и самонапряженного железобетона в строительстве.-М.: НИИЖБ, 1982,- С.22-23.

8. Федынин Н.И., Звездов А.И., Азаренко Н.П. Влияние доменного шлака на фазовый состав и микроструктуру цементного камня из напрягающего цемента II Использование промышленных отходов в производстве строительных материалов.-Челябинск.: УралНИИстромпроекг, 1984.-С.9-14.

9. Звездов А.И. Повышение надежности и долговечности беспокровных железобетонных крыш // Задачи развития и повышения технического уровня производственной базы строительства в Западной Сибири - Новокузнецк, 1987.- С.11-16.

10.ТУ-67-938-87. Бетон на напрягающем цементе.- М.: НИИЖБ, 1987,- 18 с. .

11 .Эффективность применения в строительстве бетонов на напрягающем цементе / А.И.Звездов, Г.М.Мартиросов, Л.А.Титова, В.А.Мкртумян // Ресурсосберегающие технологии производства бетона и железобетона,- М.: НИИЖБ, 1988.- С.22-32. 12.0 применении напрягающих бетонов в судостроении /А.И.Звездов, Л.И.Будагянц, Л.А.Титова и др. //Технология судостроения.- 1989,- №9,- С.88-91.

13.3вездов А.И., Рогатин Ю.А. Напрягающие бетоны в строительстве и их экономическая эффективность // Самонапряженные и непрерывно армированные конструкции.- М.: НИИЖБ, 1989.-С.4-10.

14.3вездов ЛИ. Бетоны с компенсированной усадкой на напрягающем цементе II Материалы XXII Международной конференции молодых ученых и специалистов в области бетона и железобетона.- Иркутск, 1990.- С.53-55.

15.3вездов А.И., Рогатин Ю.А. Бетонные и железобетонные конструкции на напрягающих цементах. Обзорн. инф. IВНИИНТПИ.- М, 1990.- 52 с.

16.Производство сборных самонапряженных железобетонных конструкций и изделий. Справочное пособие к СНиП 3.09.01-85.- М.: Стройиздат, 1990.- 18 с.

17.Технологический регламент промышленного производства НЦ-10 и НЦ-20 с использованием сульфатированных клинкеров.- М.: НИИЖБ, 1990.- 16 с.

18.ТУ-21-26-13-90. Цемент напрягающий,- М.: НИИЖБ, 1990.-32 с.

19.3вездов А.И., Сорокин А.Б. Конструкции из бетонов с компенсированной усадкой II Материалы XXIII Международной конференции в области бетона и железобетона.- М.: Стройиздат, 1991,- С.278-280.

20.3вездов А.И. Опыт и перспективы развития индустриальных железобетонных крыш // Железобетонные беспокровные крыши жилых, общественных и производственных зданий.- М.: МДНТП им. Дзержинского, 1991,- С.3-7.

21.3вездов А.И., Сорокин А.Б., Матюнина'И.А. Высокоэффективные бетоны на* основе НЦ для предварительно напряженных конструкций нового поколения II Современная ресурсосберегающая технология на предприятиях сборного железобетона.- М.: ЦРДЗ, 1992.- С.75-80.

22.3вездов А.И., Будагянц Л.И. Бетоны с компенсированной усадкой // Опыт и перспективы применения бетонов на напрягающем цементе в строительстве,- М.: ЦРДЗ, 1992,-С. 101-106.

23.3вездов А.И., Сорокин А.Б., Матюнина И.А. Бетоны с компенсированной усадкой и конструкции на их основе // Материалы XXIV Международной конференции по бетону и железобетону.- М.: Стройиздат, 1992.

24.Технологический регламент на производство расширяющей добавки,- М.: НИИЖБ, 1993,- 18 с.

25.ТУ-5725-2495332-18-93. Расширяющая добавка.- М.: НИИЖБ, 1993,- 8 с.

26.ТУ-5725-023-002495332-94. Расширяющая добавка для цементов и бетонов,- М.: НИИЖБ, 1994,- 12 с.

27.Пат. 1769501 РФ, МКИ С04В 7/00. Напрягающий цемент / А.И.Звездов, С.Л.Литвер, ЛАТитова, М.И.Бейлина и др. II БИ.-1994,- №21.

28.Пат. 2049097 РФ, МКИ С04В 28/04. Расширяющая добавка к портландцементу / О.К.Базоев, Э.З.Кесаев, Э.З.Кесаев, ЛАТитова, А.И.Звездов, М.И.Бейлина // БИ.-1995.- №33.

29.3вездов А.И., Мартиросов Г.М. Бетоны с компенсированной усадкой I Бетон и железобетон.-1995.- №3,- С.2-4.

30.Zvezdov A.I. Concrete with Compensated Shrinkage for Prestressed Concrete Structures II Modern Prestressing Applications. Proceedings Symposium FIP.- KYOTO, JAPAN, 1993,-vol.11.

31.Zvezdov A.I., Martirosov G.M. The Experience of using Concretes with Expanding or Stressing Cements // Internationales Symposium "75 Jahre Quellzement".- Weimar, Bundesrepublik Deutschland, 1995.- P47-53.

32.Zvezdov A.I., Budagiants L.I., Kiylov B.A. New Generation of Concretes with Stressing Cement of Low Expansion Energy // Concrete In The Service of Mankind. International Congress / Dundee, Scotland, 1996,- Concrete for Infrastructure and Utilities.-P.297-304.