ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

ПОСТЕРНАК СЕРГІЙ ОЛЕКСІЙОВИЧ

УДК 624.012.45:624.041.6:620.191.33

ВПЛИВ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ ПОШКОДЖЕННОСТІ БЕТОНУ
НА УТВОРЕННЯ ТРІЩИН ТА МІЦНІСТЬ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ

ЕЛЕМЕНТІВ, ЩО ЗГИНАЮТЬСЯ, ПО ПОХИЛИМ ПЕРЕРІЗАМ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

ОДЕСА – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури,
міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Дорофєєв Віталій Степанович,
Одеська державна академія будівництва та архітектури,

ректор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Молодченко Геннадій Анатолійович,
Харківська національна академія міського господарства,
завідувач кафедри будівельних конструкцій.

кандидат технічних наук, доцент

Карпюк Василь Михайлович,
Одеська державна академія будівництва та архітектури,
завідувач кафедри опору матеріалу.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”,

кафедра будівельних конструкцій, Міністерства

освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться “ 15 “червня 2004р. О 13.00 год. на засіданні

спеціалізованої вченої раді Д 41.085.01 при Одеській державній академії

будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

Автореферат розісланий “ 12 “ травня 2004р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 41.085.01,

канд. техн. наук, доцент С.С. Макарова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Технологічні тріщини, що є структурними параметрами бетону, визначають пошкодженність конструкцій, і тим самим – їх експлуатаційну надійність. Тому робота залізобетонних елементів, що згинаються під дією поперечних сил и моментів, характер руйнувань за похилими перерізами та умови їх міцності і тріщіностійкості залежать від технологічної пошкодженності бетону. Використання наповнювачів, оптимальних за видом, кількістю та якістю дає можливість керувати технологічною пошкодженністю бетонних та залізобетонних конструкцій, що дозволяє підвищувати їх фізико-технічні характеристики. В цій галузі проведено недостатньо досліджень, та й ті виконувались на зразках малих розмірів. На цьому підґрунті не має можливості визначити вплив технологічної пошкодженності на роботу натурних конструкцій, наприклад, балок які є найбільш поширеним видом залізобетонних конструкцій. Зважаючи на те, що питання економії мінеральних ресурсів залишається актуальним, і в той самий час необхідно забезпечити надійність конструкцій, виникла потреба в дослідженні впливу технологічної пошкодженності на міцність та тріщиноутворення згинаних елементів при розрахунку за похилими перерізами з різною кількістю та якістю мінеральних наповнювачів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана як складова частина держбюджетної науково-дослідної роботи кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій ОДАБА на 2001–2005рр.: “Дослідження напружено-деформованого стану та розрахунок елементів пошкодженних залізобетонних конструкцій”.

Мета роботи: експериментально-теоретичне обґрунтування впливу технологічної пошкодженності бетону на міцність і утворення тріщин згинаних залізобетонних елементів при розрахунку за похилими перерізами, та розробка рекомендацій з врахування технологічної пошкодженності бетону.

Задачі дослідження:

- удосконалити методику оцінки технологічної пошкодженності бетонних зразків і залізобетонних елементів конструкцій:

- установити вплив кількості та якості наповнювача на технологічну пошкодженність бетонних зразків та залізобетонних елементів, фізико-механічні характеристики бетону:

- установити вплив технологічної пошкодженності на фізико-механічні характеристики бетону:

- з’ясувати характер утворення та розвитку похилих тріщин, з урахуванням кількості та якості наповнювача, і дослідити напружено-деформований стан залізобетонних згинаних елементів з урахуванням технологічної пошкодженності бетону:

- установити вплив технологічної пошкодженності бетону на зусилля тріщиноутворення та висоту стислої зони:

- визначити вплив технологічної пошкодженності на несучу здатність залізобетонних згинаних елементів за похилими перерізами, уточнити коефіцієнт цb4.

Об’єкт дослідження: технологічна пошкодженність бетонних зразків та залізобетонних згинаних елементів конструкцій.

Предмет дослідження: тріщиноутворення та міцність згинаних елементів за похилими перерізами з урахуванням впливу технологічної пошкодженності бетону.

Методи дослідження: Визначення технологічної пошкодженності бетонних призм та залізобетонних балок виконувалось шляхом фіксації поверхневих тріщин витримкою у водних розчинах таніну. Метод механічного випробування зразків навантаженням з використанням електротензометрії, механічного способу вимірювання переміщень та фотофіксації схем тріщиноутворення і руйнування. Методи статистичної обробки експериментальних даних, порівняння і узагальнення теоретичних та експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів: До теперішнього часу відсутні дані по дослідженню впливу технологічної пошкодженності бетону на роботу згинаних елементів при розрахунку за похилими перерізами внаслідок зміни кількості та якості наповнювача. Подібні дослідження виконані вперше. На їх основі встановлено:

- запропонована та обґрунтована методика оцінки технологічної пошкодженності бетонних зразків та залізобетонних елементів конструкцій:

- вивчений вплив кількості та якості наповнювача на технологічну пошкодженність бетонних зразків та залізобетонних елементів, фізико-механічні характеристики бетону:

- установлений вплив технологічної пошкодженності на фізико-механічні характеристики бетону, висоту стислої зони, поперечну силу тріщиноутворення, несучу здатність залізобетонних згинаних елементів за похилими перерізами, величину коефіцієнта цb4:

- досліджено напружено-деформований стан залізобетонних згинаних елементів з урахуванням технологічної пошкодженності бетону:

- запропоновані диференційні значення коефіцієнта цb4 для розрахунку елементів, виконаних із бетону з різною технологічною пошкодженністю.

Практичне значення отриманих результатів. Оптимальне проектування будівельних конструкцій та виробів, за умови найбільшого використання можливостей матеріалу, дозволяє знизити матеріалоємність на 8–10%. Розроблені пропозиції по удосконаленню методики оцінки технологічної пошкодженності. Визначений вплив технологічної пошкодженності на фізико-механічні характеристики бетону, зусилля тріщиноутворення та несучу здатність залізобетонних згинаних елементів за похилими перерізами, а також коефіцієнт цb4. Запропоновані диференційні значення коефіцієнта цb4 в залежності від технологічної пошкодженності бетону. Матеріал дисертації використовується в науково-дослідницькій роботі студентів та аспірантів. Результати досліджень впроваджені при проектуванні та виробництві згинаних елементів на заводі ЗБК Одеської залізниці.

Особистий внесок здобувача. Самостійно автором отримані наступні результати:

- огляд літературних даних по міцності, тріщиноутворенню та пошкодженності

бетонних зразків та залізобетонних згинаних елементів за похилими перерізами з

урахуванням структурних особливостей матеріалу:

- пропозиції по вдосконаленню методики оцінки технологічної пошкодженності бетонних зразків та залізобетонних елементів конструкцій:

- вивчений вплив кількості та якості наповнювача на технологічну пошкодженність бетонних зразків та залізобетонних елементів конструкцій, фізико-механічні характеристики бетону:

- з’ясований характер утворення та розвитку похилих тріщин та досліджений напружено-деформований стан залізобетонних згинаних елементів з урахуванням технологічної пошкодженності бетону:

- установлений вплив технологічної пошкодженності бетону на фізико-механічні характеристики бетону, висоту стислої зони, зусилля тріщиноутворення та несучу здатність залізобетонних згинаних елементів за похилими перерізами, а також коефіцієнт цb4:

- запропоновані диференційні значення коефіцієнта цb4 з врахуванням технологічної пошкодженності.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень були представлені на четвертій міжнародній науково-технічній конференції “Ресурсоекономні матеріали, будівлі та споруди” (Рівне, 2003р.), науково-технічній конференції творчої молоді “Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ” (Київ, 2003р.), міжнародній науковій конференції “Ресурси і безпека експлуатації конструкцій, будівель та споруд” (Харків, 2003р.) та науково-технічній конференції Одеської державної академії будівництва та архітектури в 2003р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано сім друкованих праць, з яких шість у збірниках наукових праць, які є фаховими виданнями ВАК України, та одна у матеріалах міжнародної наукової конференції “Ресурси і безпека експлуатації конструкцій, будівель та споруд”.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 153 найменувань та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 204 сторінок, в тому числі: 150 сторінок основного тексту, малюнків – 46, таблиць – 23, 14 сторінок списку літератури, 31 сторінка додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована необхідність проведення теоретичних та експериментальних досліджень впливу технологічної пошкодженності на тріщиноутворення та міцність згинаних елементів за похилими перерізами з різноманітною кількістю та якістю мінеральних наповнювачів, сформульовані мета та задачі досліджень, наукова новизна та практичне значення роботи.

Розділ 1. Викладений стан питання та сформульовані задачі досліджень, проаналізовано утворення тріщин та міцність залізобетонних згинаних елементів за

похилими перерізами з урахуванням впливу структурних особливостей бетону.

Проблемі неоднорідності бетону, його пошкодженності початковими дефектами, впливу структурних та технологічних факторів присвячені праці вчених: Бабича Є.М., Барашикова А.Я., Берга О.Я., Бобришева А.М., Бодуєна Дж., Вирового В.М., Гвоздева О.О., Гладишева Б.М., Дорофєєва В.С., Зайцева Ю.В., Комохова П.Г., Лазара В.Ф., Лучко Й.Й., Рамачандара В., Ромаліса Н.Б., Соломатова В.І., Тамуж В.П., Фельдмана Р., Химлера К., Чубрикова В.М., Яшина О.В., та ін. Згадані вище вчені доводять, що залізобетонним конструкціям властива пошкодженність бетону початковими дефектами які порушують його структуру. Мінеральні наповнювачі дозволяють знизити пошкодженність початкової структури бетону за рахунок зміни кількості та якості наповнювача. Оскільки пошкодженність, що виникла в період технологічної переробки вихідних складових в матеріал та його в конструкцію називається технологічною, а тріщини, що їй притаманні, є невигідною і невід’ємною частиною структури бетону, то цей вид пошкодженності потребує більш детального вивчення та врахування в розрахунках міцності.

Питаннями міцності похилих перерізів згинаних елементів займалися наступні вчені: Барашиков А.Я., Баль Н.С., Борищанский М.С., Бреслер Б., Вальтер Р., Гвоздев О.О., Голишев О.Б., Дорофєєв В.С., Дорошкевич Л.О., Залесов О.С., Зорич А.С., Ізотов Л.Ю., Касіо Р.Д., Кларк С., Клименко Ф.Є., Клімов Ю.А., Леонгард Ф., Мерш Е., Митрофанов В.П., Михайлов В.В., Петерсен Т., Попов В.І., Тихомиров С.А., та ін. Аналіз робіт, згаданих вище вчених, доводить, що методи розрахунку міцності за похилими перерізами постійно вдосконалювалися шляхом привнесення уточнень за рахунок більш детального дослідження факторів, що впливають на несучу здатність за похилими перерізами. Технологічна пошкодженність бетону, з врахуванням кількості та якості мінеральних наповнювачів, в розрахунках міцності згинаних елементів за похилими перерізами не враховується, тому необхідно проводити дослідження в цьому напрямку.

Розділ 2. Для одержання експериментальних даних по дослідженню залізобетонних згинаних елементів та бетонних зразків був виконаний експеримент, що складається із дев’яти дослідів. В якості факторів були прийняті кількість наповнювача (Х1=10±2% від маси цементу) і дисперсність наповнювача (W1=100, W2=200, W3=300 м2/кг). В якості в’яжучого використовувався портландцемент з дисперсністю близько 300 м2/кг, виготовлений спільним помолом клінкера і двуводного гіпса. В якості наповнювача використовувався дрібний кварцовий пісок з Sy = 100, 200 і 300 м2/кг, попередньо розмолотий в шаровому млині. Експериментальні дослідження виконували на зразках – кубах з розмірами 10х10х10 см, на зразках – призмах з розмірами 10х10х40 см та на залізобетонних елементах (зразках – балках) з постійним по довжині прямокутним перерізом: bxh=10x15 см, та довжиною L=120 см. Схема армування дослідних балок показана на мал.1. На приопорных ділянках (1/3L0 = 333 мм) поперечне армування відсутнє, що обумовлено вивченням роботи бетону в зоні спільної дії згинаного моменту та поперечної сили. Проліт зрізу а = 2,56h0 = 333 мм.

Дослідні зразки та елементи виготовлялися серіями (3 кубика, 3 призми і 1 балка) в лабораторії кафедри залізобетонних і кам’яних конструкцій ОДАБА.

Мал.1. Схема армування згинаних елементів.

При дослідженні технологічної пошкодженності залізобетонних зразків-балок і бетонних зразків-призм зверталась увага на мережу поверхневих тріщин. Для більш якісної оцінки технологічної пошкодженності, виявлення тріщин виконувалось на зразках, що досягли віку 200…220 діб, після проходження карбонізації. Поверхневі тріщини фіксувались витримкою зразків у водних розчинах таніну протягом 30…40 хвилин. Зміна лужності бетону в районі тріщин змінювала забарвлення таніну, виявляючи і фіксуючи тріщини. Кількісну оцінку технологічної пошкодженності виконували вимірюванням довжини поверхневих тріщин курвіметром з точністю до 0,1см на двох гранях зразків. Цей метод оцінки технологічної пошкодженності дозволяє фіксувати як технологічні, так і експлуатаційні тріщини з шириною розкриття 5х10-5 см і більше, та довжиною 0,5 см і більше.

Для дослідження напружено-деформованого стану бетону експериментальних зразків використовувались дротяні тензорезистори на паперовій основі з базою 50 мм (мал. 2.). Наклеювались вони на бічну грань балки в середині прольоту, для

Мал.2. Схема випробувань зразків-балок з розташуванням приборів.

спостереження за деформаціями і визначення висоти стислої зони (Т1…Т4), та в крайніх третях прольоту, перпендикулярно лінії найбільш небезпечного похилого перерізу, який проходить від місця прикладення навантаження до опори, для визначення деформацій бетону по цій лінії (Т5 і Т6 з одного боку, а Т7 і Т8 з другого). Прогини балок в середині прольоту і осадка опор в процесі випробування вимірювались за допомогою багатообертових індикаторів (И1 і И3 над опорами, а И2 в середині прольоту).

За результатами випробувань призм були визначені призмова міцність бетону на стискання, початковий модуль пружності бетону, пружні деформації, а також деформації розтягання і стискання бетону при завантаженні.

Таблиця 1.

Основні характеристики бетону

№
досліду | R, МПа | Rb, МПа | Rbt, МПа | Кпп= Rb/ R | Еb х 103 МПа | ее х 10-5 | 1 | 37,9 | 27,14 | 1,35 | 0,716 | 29,06 | 24,5 | 2 | 39,6 | 29,12 | 1,41 | 0,735 | 32,31 | 20,4 | 3 | 43,9 | 33,58 | 1,49 | 0,766 | 41,19 | 11,0 | 4 | 41,5 | 31,95 | 1,46 | 0,770 | 35,19 | 17,7 | 5 | 42,1 | 32,07 | 1,47 | 0,762 | 39,38 | 14,6 | 6 | 43,9 | 34,35 | 1,51 | 0,782 | 40,19 | 15,6 | 7 | 38,8 | 29,58 | 1,41 | 0,763 | 37,24 | 14,3 | 8 | 42,2 | 31,00 | 1,45 | 0,735 | 40,70 | 13,7 | 9 | 42,6 | 32,67 | 1,48 | 0,767 | 38,83 | 18,4 |

Експериментальні балки випробувались по статичній схемі як однопролітні, вільно обперті, завантажені двома зосередженими силами, розташованими на відстані Lo/3 від опор для моделювання зони чистого згину. Така розрахункова схема була досягнута шляхом обпирання балки на шарнірно-рухому і шарнірно-нерухому опори.

Для зняття тензометричних вимірювань використовувався автоматизований комплекс на базі СИИТ – 3. Під час витримки зразка під навантаженням, аж до руйнування, велось візуальне спостереження за тріщинами. Їх поява і ширина розкриття фіксувалась за допомогою мікроскопа МПБ-2 при 24-х кратному збільшенню і ціною поділки 0,05 мм.

Розділ 3. Коефіцієнт технологічної пошкодженності бетону по площі (Кпs) визначали по методиці проф. Вирового В.Н. і проф. Дорофєєва В.С. як відношення суми довжин поверхневих тріщин (Т0), виміряних в межах ділянки 10х10 см, до площі цієї ділянки (S) (мал. 3):

, [см/см2] (1)

Фізичний зміст полягає в оцінці питомої довжини поверхневих тріщин, виявлених на одиниці поверхні.

В нашому випадку під коефіцієнтом технологічної пошкодженності бетону по лінії (КпL) прийнято відношення довжини характерної лінії (L), що перетинає структурні блоки, обмежені технологічними тріщинами, до суми довжин тріщин (Т0), що примикають з однієї сторони (мал. 3):

, [см/см] (2)

Фізичний зміст полягає в оцінці питомої довжини поверхневих тріщин, виявлених на одиниці поверхні. Для зразків-призм (10х10х40 см) під характерними лініями приймаємо поперечну (перетинає призму в поперечному напрямку посередині, довжиною 10 см) і поздовжню (перетинає призму в поздовжньому напрямку посередині, довжиною 40 см) лінії (мал. 3).

В результаті виконаних досліджень на двох бокових гранях зразків-призм і зразків-балок були отримані наступні середні характеристики: коефіцієнт технологічної пошкодженності по площі, коефіцієнти технологічної пошкодженності по характерним лініям, поздовжній і поперечній (табл. 2), а також коефіцієнт технологічної пошкодженності по площі, коефіцієнти технологічної пошкодженності по характерним лініям, похилій та поперечній (табл. 3).

Таблиця 2.

Коефіцієнти технологічної пошкодженності (КпL, Кпs) і

довжини технологічних тріщин (Т0), отримані по зразкам-призмам

№

досліду | H, % | Sy,

м2/кг | Поздовжня лінія (Lл=40см) | Поперечна лінія (Lл=10см) | Площа (S=100см2)

Т0, см | КпL, см/см | Т0, см | КпL, см/см | Т0, см | Кпs, см/см2

1 | 8 | 100 | 100,3 | 0,399 | 27,3 | 0,367 | 136 | 1,36

2 | 200 | 113,0 | 0,354 | 29,3 | 0,341 | 125 | 1,25

3 | 300 | 135,7 | 0,295 | 35,3 | 0,283 | 78 | 0,78

4 | 10 | 100 | 127,0 | 0,315 | 32,2 | 0,311 | 88 | 0,88

5 | 200 | 120,6 | 0,332 | 32,5 | 0,308 | 99 | 0,99

6 | 300 | 142,0 | 0,282 | 38,5 | 0,260 | 65 | 0,65

7 | 12 | 100 | 112,0 | 0,357 | 30,8 | 0,325 | 116 | 1,16

8 | 200 | 110,3 | 0,363 | 31,4 | 0,318 | 106 | 1,06

9 | 300 | 129,8 | 0,308 | 33,5 | 0,299 | 73 | 0,73

Таблиця 3.

Коефіцієнти технологічної пошкодженності (КпL, Кпs) і

довжини технологічних тріщин (Т0), отримані по зразкам-балкам

№ досліду | H, % | Sy, м2/кг | Поперечна лінія (Lл=15см) | Похила лінія (Lл=36,5см) | Похила лінія (Lл=31,1см) | Площа (S=225см2)

Т0, см | КпL, см/см | Т0, см | КпL, см/см | Т0, см | КпL, см/см | Т0, см | Кпs, см/см2

1 | 8 | 100 | 43,7 | 0,343 | 98,5 | 0,370 | 83,0 | 0,375 | 268 | 1,19

2 | 200 | 48,8 | 0,307 | 102,0 | 0,358 | 88,0 | 0,353 | 250 | 1,11

3 | 300 | 56,6 | 0,265 | 127,5 | 0,286 | 104,0 | 0,299 | 160 | 0,71

4 | 10 | 100 | 49,2 | 0,305 | 140,6 | 0,260 | 114,0 | 0,273 | 203 | 0,90

5 | 200 | 52,8 | 0,284 | 124,0 | 0,294 | 105,0 | 0,296 | 207 | 0,92

6 | 300 | 58,4 | 0,257 | 144,0 | 0,253 | 119,5 | 0,260 | 133 | 0,59

7 | 12 | 100 | 48,4 | 0,310 | 114,5 | 0,319 | 96,0 | 0,324 | 252 | 1,12

8 | 200 | 47,5 | 0,316 | 112,0 | 0,326 | 93,0 | 0,334 | 227 | 1,01

9 | 300 | 49,2 | 0,305 | 141,0 | 0,259 | 118,0 | 0,264 | 167 | 0,74

Для залізобетонних елементів під характерними лініями приймаємо поперечну (перетинає балку в поперечному напрямку посередині, довжиною 15 см (нормальні перерізи)) і в зоні дії поперечної сили та згинаного моменту (похилі перерізи), похилі (перетинають балку від місця навантаження до опори, довжиною 36,5 см і під кутом довжиною 31,1 см) лінії (мал. 4).

Мал.4. Методика оцінки технологічної пошкодженності по залізобетонним
балкам:

А) розташування характерних ліній на зразку-балці з виявленим характером пошкодженності: Б) фрагмент визначення коефіцієнту пошкодженності по характерній лінії (поперечній): В) розподіл усадочних деформацій в залізобетонному елементі: 1 – технологічні тріщини: 2, 3 – поперечні і похилі характерні лінії для визначення коефіцієнту пошкодженності по лінії (КпL): 4 – площа для визначення коефіцієнта пошкодженності по площі (КпS): 5 – структурні блоки: 6 – направлення деформацій: 7 – епюра усадочних деформацій.

Розподіл об’ємних деформацій на картинах полів деформацій нерівномірний по всьому об’єму зразків, тому автор прийшов до висновку, що між коефіцієнтами технологічної пошкодженності по площі і по характерним лініям немає залежності і порівнювати їх, враховуючи складний розподіл об’ємних деформацій, недоцільно, але оцінювати технологічну пошкодженність можливо за допомогою кожного з них.

Вивчений вплив кількості мінерального наповнювача, а також дисперсності на технологічну пошкодженність бетону. Мінімальні значення пошкодженності отримані при Н=10% і Sy=300 м2/кг при вимірюванні по всім площам і характерним лініям бетонних зразків і залізобетонних елементів (найменше із них КпS=0,59, а КпL=0,253), а максимальні значення отримані при Н=8% і Sy=100 м2/кг (найбільше із них КпS=1,36, а КпL=0,399). При цьому максимальні змінювання досягали 61% по КпS (при Н=8% і зміненню Sy від 200 до 300 м2/кг) і 37,4% по КпL (при зміненню Н від 8 до 10% і Sy=100 м2/кг).

Встановлений вплив Н і Sy наповнювача на фізико-механічні характеристики бетону. Так, спрямоване використання кварцових наповнювачів в заданих границях дозволяє змінювати кубову міцність бетону до 16%, при цьому максимальне значення R=43,9 МПа досягає при Sy=300 м2/кг і змінюванні Н від 8 до 10%, а мінімальне R=37,9 МПа досягається при Sy=100 м2/кг і Н=8%. Використання тих са-

мих наповнювачів дозволяє змінювати призмову міцність бетону до 27%, при цьому максимальне значення Rb=34,35 МПа досягається при Sy=300 м2/кг і Н=10%, а мінімальне Rb=27,14 МПа – при Sy=100 м2/кг і Н=8%. Змінювати початковий модуль пружності використання цих же наповнювачів дозволяє в більш широких межах – до 42%, при цьому максимальне значення Eb=41,2 х 103 МПа досягається при Sy=300 м2/кг і Н=8%, а мінімальне Eb=29,1 х 103 МПа – при Sy=100 м2/кг і Н=8%. Також можливо змінювати в широких межах і пружні деформації до 123%, при цьому максимальне значення ?е=24,5 х 10-5 досягається при Sy=100м2/кг і Н=8%, а мінімальне ?е=11 х 10-5 – при Sy=300м2/кг і Н=8%. В залежності від виду бетонних і залізобетонних конструкцій використання мінеральних наповнювачів дозволяє змінювати в досить широких межах міцнісні та деформативні характеристики бетону, що дозволяє більш повніше використовувати потенціальні властивості бетону.

Встановлений вплив технологічної пошкодженності на фізико-механічні характеристики бетону. При впливі технологічної пошкодженності на призмову міцність та початковий модуль пружності встановлено, що із збільшенням технологічної пошкодженності величини Rb та Eb зменшуються (мал. 5).

Мал. 5. Вплив технологічної пошкодженності на призмову міцність бетону на стискання (А), початковий модуль пружності бетону (Б).

Змінення технологічної пошкодженності дозволяє змінювати в досить широких межах міцнісні і деформативні характеристики бетону, що дозволяє більш повніше використовувати потенціальні властивості бетону.

Розділ 4. Описаний характер утворення і розвитку нормальних та похилих тріщин в залізобетонних балках, розвитку похилих і перетворення однієї з них в критичну (магістральну) тріщину під дією короткочасного навантаження. З опису визначено, що експлуатаційні тріщини розвиваються із технологічних шляхом їх підростання до перетворення в магістральні. При цьому, проекція відносної критичної похилої тріщини (C?cr) змінюється від 1,47 до 2 (на 36%).

Таблиця 4.

Зусилля тріщиноутворення, руйнування та характеристики залізобетонних балок

№
досліду | Qcrc,exp, H | Mu,exp, Hм | о | fcrc, мм | fcr, мм | acr, мм

1 | 12500 | 5994 | 0,714 | 0,400 | 1,662 | 1,35 | 4,12 | 0,75

2 | 13250 | 7243 | 0,717 | 0,477 | 1,631 | 0,98 | 4,78 | 0,10

3 | 17250 | 9740 | 0,873 | 0,244 | 1,695 | 2,05 | 4,66 | 0,05

4 | 17500 | 10073 | 0,915 | 0,385 | 1,777 | 1,00 | 2,16 | 0,90

5 | 16500 | 9890 | 0,855 | 0,320 | 1,763 | 1,70 | 5,07 | 1,00

6 | 18000 | 10739 | 0,894 | 0,305 | 1,908 | 2,10 | 7,78 | 0,20

7 | 13000 | 7326 | 0,697 | 0,320 | 1,470 | 1,34 | 4,42 | 0,25

8 | 15250 | 9074 | 0,797 | 0,389 | 1,565 | 1,62 | 6,11 | 1,10

9 | 14750 | 7826 | 0,767 | 0,385 | 2,000 | 1,48 | 4,89 | 0,10

Вивчений вплив Н и Sy на величину відносної поперечної сили тріщиноутворення і відносної висоти стислої зони. Мінімальне значення відносної поперечної сили тріщиноутворення отримано при Н=12% і Sy=100 м2/кг (Q?crc=0,697), а максимальні значення отримані при Н=10% і зміненню Sy від 100 до 300 м2/кг (найбільше Q?crc= 0,915 при Sy=100 м2/кг), при цьому, максимальні зміни досягали 31,3%. Мінімальне значення відносної висоти стислої зони отримане при Н=8% і Sy=300 м2/кг (?=0,244), а максимальне – при Н=8% і Sy=100 м2/кг (?=0,477), при цьому максимальні зміни сягали 95,5%.

Мал. 6. Вплив технологічної пошкодженності на відносну поперечну силу тріщиноутворення (А), відносну висоту стислої зони (Б).

Встановлений вплив технологічної пошкодженності на відносну поперечну силу тріщиноутворення і відносну висоту стислої зони. За впливом технологічної пошкодженності отримані рівняння виду: Qґcrc=1,02+0,82КпL–5,09КпL2, показуюче, що при збільшенні технологічної пошкодженності величина Qґcrc зменшується (мал. 6А); о = –1,58+11,32КпL–16,11КпL2, показуюче, що при збільшенні технологічної пошкодженності величина о збільшується (мал. 6Б).

Підтверджується участь наповнювачів в організації структури бетону, утворенню і розвитку тріщин, а також міцності і деформативності бетонних та залізобетонних елементів.

Розділ 5. Аналіз розвитку нормальних і похилих тріщин в залізобетонних елементах без поперечної арматури при сприйнятті поперечних сил показав, що на початковому етапі розвитку похилі тріщини, як і нормальні, розвиваються по траєкторіям технологічних тріщин (енергетично вигідному шляху). Потім експлуатаційні тріщини розвиваються або шляхом їх підростання до перетворення в магістральні, або шляхом перетину структурних блоків.

Таблиця 5.

Величини експериментальної і теоретичної несучої здатності
залізобетонних балок по похилим перерізам

№
досліду | Qb,exp, H | QbСНиП, H | е, %

1 | 18000 | 1,028 | 10252 | 43,0 | 1,756

2 | 21750 | 1,178 | 10815 | 50,3 | 2,011

3 | 29250 | 1,480 | 11659 | 60,1 | 2,509

4 | 30250 | 1,582 | 11200 | 63,0 | 2,701

5 | 29700 | 1,539 | 11389 | 61,7 | 2,608

6 | 32250 | 1,602 | 11880 | 63,2 | 2,715

7 | 22000 | 1,179 | 11093 | 49,6 | 1,983

8 | 27250 | 1,424 | 11295 | 58,6 | 2,413

9 | 23500 | 1,221 | 11267 | 52,1 | 2,086

Вивчений вплив Н и Sy на значення відносної несучої здатності бетону та коефіцієнту згинаних залізобетонних елементів при розрахунку за похилими перерізами (?b4). Мінімальне значення відносної несучої здатності бетону отримано при Н=8% і Sy=100 м2/кг (Q?b=1,028), а максимальне – при Н=10% і Sy=300 м2/кг (Q?b= =1,602), при цьому максимальні змінювання досягали 55,8%. Мінімальне значення коефіцієнта ?b4 отримано при Н=8% і Sy=100 м2/кг (?b4=1,71), а максимальне – при Н=10% і Sy=300 м2/кг (?b4=3,06), при цьому максимальні змінювання досягали 80%.

Встановлений вплив технологічної пошкодженності на відносну несучу здатність бетону і коефіцієнт ?b4. При впливі технологічної пошкодженності отримані рівняння виду: Qґb=1,03+8,37КпL –24,11КпL2, показуюче, що із збільшенням технологічної пошкодженності величина Qґb зменшується (мал. 7А); цb4=4,45–0,05КпL–23,21КпL2, показуюче, що із збільшенням технологічної пошкодженності величина цb4 зменшується (мал. 7Б).

Мал. 7. Вплив технологічної пошкодженності на відносну несучу здатність бетону (А), коефіцієнт ?b4 (Б).

Таблиця 6.

Експериментальні і рекомендовані значення коефіцієнта ?b4

№
досліду | Н, % | Sy, м2/кг | цb4СНиП | цb4,exp | е, % | Рекомендоване значення
коефіцієнта ?b4

при фіксованому Н и Sy | при фіксованому Н

1 | 8 | 100 | 1,5 | 1,71 | 12,2 | 1,14 | 1,7 | 1,7

2 | 200 | 1,5 | 1,92 | 21,9 | 1,28 | 1,9

3 | 300 | 1,5 | 2,51 | 40,2 | 1,67 | 2,5

4 | 10 | 100 | 1,5 | 2,81 | 46,6 | 1,87 | 2,8 | 2,7

5 | 200 | 1,5 | 2,71 | 44,7 | 1,81 | 2,7

6 | 300 | 1,5 | 3,06 | 50,9 | 2,04 | 3,0

7 | 12 | 100 | 1,5 | 1,73 | 13,5 | 1,15 | 1,7 | 1,7

8 | 200 | 1,5 | 2,23 | 32,7 | 1,49 | 2,2

9 | 300 | 1,5 | 2,44 | 38,6 | 1,63 | 2,4

На основі отриманих результатів пропонуються рекомендації до розрахунку міцності перерізів, похилих до поздовжньої осі залізобетонних згинаних елементів без поперечної арматури з урахуванням технологічної пошкодженності бетону. Зокрема, перевірку згинаних елементів за несучою здатністю, з урахуванням технологічної пошкодженності бетону, рекомендується проводити диференційно в залежності від змінювання кількості і якості мінерального наповнювача.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Експериментально обґрунтовано вплив технологічної пошкодженності бетону на міцнісні і деформативні характеристики, тріщиноутворення і міцність залізобетонних балок за похилими перерізами, при дослідженні бетонних зразків і залізобетонних балок з різною кількістю і якістю наповнювача.

2. Виконаний аналіз методів оцінки технологічної пошкодженності композиційних будівельних матеріалів, запропонований і обґрунтований коефіцієнт технологічної пошкодженності по лінії (КпL) та характерні лінії для оцінки технологічної пошкодженності бетонних зразків і залізобетонних елементів конструкцій.

3. Установлений впив кількості мінерального наповнювача та дисперсності на технологічну пошкодженність бетону. Підтверджується участь наповнювачів в організації структури бетону і формуванню технологічної пошкодженності, зокрема, мінімальні значення пошкодженності отримані при Sy=300 м2/кг і Н=10%, а максимальні – при Sy=100 м2/кг і Н=8%. При цьому максимальні змінювання досягали 61% по КпS і 37% по КпL. Установлено вплив Н и Sy наповнювача на фізико-механічні характеристики бетонів (R, Rb, Eb, ее), що дозволяє змінювати їх в досить широких межах і тим самим повніше використовувати потенціальні властивості бетону, зокрема змінювати R до 16%, Rb до 27%, Eb до 42% і ?е до 123%.

4. Запропоновані квадратичні залежності призмової міцності, початкового модуля пружності бетону і пружних деформацій від технологічної пошкодженності бетону.

5. Аналіз напружено-деформованого стану залізобетонних елементів без поперечної арматури показав, що на початковому етапі розвитку похилі тріщини, як і нормальні, розвиваються по енергетично вигідному шляху – траєкторіям технологічних тріщин. Тому, керуючи технологічною пошкодженістю, можливо змінювати умови роботи, кінетику росту і траєкторію магістральних тріщин.

6. Вивчений впив кількості і дисперсності мінерального наповнювача на поперечну силу тріщиноутворення, висоту стислої зони, відносну несучу здатність бетону і коефіцієнт ?b4.

7. Установлений вплив технологічної пошкодженності на поперечну силу тріщиноутворення, висоту стислої зони, несучу здатність бетону і отримані рівняння: Qґcrc=1,02+0,82КпL–5,09КпL2, о=–1,58+11,32?пL–16,11КпL2 та Qґb=1,03+8,37КпL –24,11КпL2.

8. Запропонований диференційний коефіцієнт ?b4 для розрахунку згинаних залізобетонних елементів без поперечної арматури з урахуванням технологічної пошкодженності і отримане рівняння: цb4=4,45–0,05КпL–23,21КпL2.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Постернак С.А., Постернак А.А., Олейник Н.В., Постернак И.М. Оценка технологической поврежденности бетонных призм // Будівельні конструкції: Зб. наук. пр. – К.: НДІБК. – 2003. – вип. 58. – С. 84 – 89. (Внесок здобувача – аналіз коефіцієнтів пошкодженності, запропонований коефіцієнт KnL з обґрунтуванням його фізичного змісту, виготовлення зразків та вимірювання
довжин технологічної пошкодженності зразків-призм).

2. Постернак С.А., Постернак А.А., Олейник Н.В., Постернак И.М. Оценка технологической поврежденности железобетонных элементов // Науковий вісник будівництва. Вип. №23 Харків: ХДТУБА. 2003. С. 19 – 22. (Внесок здобувача – запропонований коефіцієнт KnL з обґрунтуванням його фізичного змісту, виготовлення зразків та вимірювання довжин технологічної пошкодженності зразків-балок).

3. Постернак С.А., Олейник Н.В., Постернак И.М. Влияние количества и качества наполнителя на начальную технологическую поврежденность // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. – Рівне: УДУВГП, – 2003. – вип. 9. – С. 105 – 111. (Внесок здобувача – проведення експерименту, обробка результатів та формулювання висновків).

4. Постернак С.А., Олейник Н.В., Постернак И.М. Влияние количества и качества наполнителя на прочность и деформативность бетонных призм // Вісник ОДАБА. Вип. 9, - Одесса, 2003. – С. 163 – 168. (Внесок здобувача – проведення експерименту, обробка результатів та формулювання висновків).

5. Постернак С.А. Трещинообразование железобетонных изгибаемых элементов с учетом технологической поврежденности // Вісник ОДАБА. Вип. 10, - Одесса, 2003. – С. 149 – 155.

6. Постернак С.А. Несущая способность железобетонных изгибаемых элементов по наклонным сечениям с учетом технологической поврежденности // Вісник ОДАБА. Вип. 12, - Одесса, 2003. – С. 212 – 217.

7. Дорофеев В.С., Постернак С.А. К расчету прочности наклонных сечений железобетонных изгибаемых элементов без поперечной арматуры с учетом технологической поврежденности бетона // Коммунальное хозяйство городов: науч.-техн. сб., Вып.53. - К.: Техника, 2003. – С. 317 – 322. (Внесок здобувача – проведення експерименту, обробка результатів та формулювання висновків).

АНОТАЦІЯ

Постернак С. О. Вплив технологічної пошкодженності бетону на утворення тріщин та міцність залізобетонних елементів, що згинаються, по похилим перерізам. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Одеська державна академія будівництва та архітектури, Одеса, 2004р.

Технологічні тріщини, як структурні параметри бетону, визначають пошкодженність конструкцій, и тим самим їх – експлуатаційну надійність.

Запропонована і обґрунтована методика оцінки технологічної пошкодженності бетонних зразків і залізобетонних елементів конструкцій.

Установлений и вивчений впив кількості мінерального наповнювача, а також дисперсності на технологічну пошкодженність бетону, фізико-механічні характеристики бетону, на величину відносної поперечної сили тріщиноутворення і відносної висоти стислої зони, на величину відносної несучої здатності бетону і величину коефіцієнту згинаних залізобетонних елементів при розрахунку за похилими перерізами (?b4).

Характер утворення і розвитку нормальних і похилих тріщин в залізобетонних балках показав, що на початковому етапі розвитку похилі тріщини, як і нормальні, розвиваються по траєкторіям технологічних тріщин (енергетично вигідному шляху). Потім експлуатаційні тріщини розвиваються або шляхом їх підростання до перетворення в магістральні, або шляхом пересічення структурних блоків.

Встановлений вплив технологічної пошкодженності бетону на фізико-механічні характеристики бетону, на відносну поперечну силу тріщиноутворення і відносну висоту стислої зони, на відносну несучу здатність бетону і коефіцієнт ?b4.

На підставі отриманих результатів перевірку згинаних елементів по несучій здатності з урахуванням технологічної пошкодженності бетону рекомендується здійснювати диференційно в залежності від змінювання кількості і дисперсності мінерального наповнювача.

Ключові слова: бетон, залізобетон, згинані елементи, технологічна пошкодженність бетону, тріщиноутворення, міцність, розрахунок за похилими перерізами.

АННОТАЦИЯ

Постернак С. А. Влияние технологической поврежденности бетона на трещинообразование и прочность железобетонных изгибаемых элементов по наклонным сечениям. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. – Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса, 2004г.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность, цель и задачи исследований, научная новизна, практическое значение работы и личный вклад соискателя.

Железобетонным конструкциям присуща поврежденность. В частности, по-врежденность, возникшая в период технологической переработки исходных состав-ляющих в материал и его в конструкцию - технологическая повреж-денность, характеризующаяся дефектами. Так как бетон проявляет свои свойства только в образце или конструкции, то его дефекты становятся дефектами образца или конструкции. Таким образом, в конструкциях всегда присутствуют технологические дефекты, при этом, часть из них ориентирова-на в наиболее опасных направлениях. Наличие технологических трещин в конструкциях в значительной степени определяет работу материала в ней, деформации, трещинообразование, характер разрушения, несущую способность.

Эксперимент состоит из девяти опытов. В качестве факторов приняты количество наполнителя (Х1=10±2% от массы цемента) и дисперсность наполнителя (W1=100, W2=200, W3=300 м2/кг). Исследования проводили на образцах – кубах, призмах и балках. Для исследования технологической повреждённости бетона, образцы в возрасте 200…220 суток выдерживали в водных растворах танина. Количественную оценку технологической поврежденности выполняли измерением длины поверхностных трещин курвиметром. Экспериментальные балки испытывались по статической схеме как однопролётные, свободно опёртые, загруженные двумя сосредоточенными силами, расположенными на расстоянии Lo/3 от опор.

Установлено и изучено влияние количества минерального наполнителя, а также его дисперсности на технологическую поврежденность бетона, физико-механи-ческие характеристики, на величину относительной поперечной силы трещинообразования и относительной высоты сжатой зоны, на величину относительной несущей способности бетона и величину коэффициента изгибаемых железобетонных элементов при расчете по наклонным сечениям (?b4). Минимальные значения поврежденности получены при Н=10% и Sy=300 м2/кг, а максимальные – при Н=8% и Sy=100 м2/кг. При этом максимальные изменения достигали 61% по КпS и 37,4% по КпL. Изменение кубиковой прочности бетона достигало 16%, призменной прочности бетона – до 27%, начального модуля упругости – до 42%, упругих деформаций – до 123%. Минимальное значение относительной поперечной силы трещинообразования получено при Н=12% и Sy=100 м2/кг, а максимальные значения получены при Н=10% и изменении Sy от 100 до 300м2/кг, при этом, максимальные изменения достигали 31,3%. Минимальное значение относительной высоты сжатой зоны получено при Н=8% и Sy=300 м2/кг, а максимальные значения получены при Н=8% и Sy=100 м2/кг, при этом максимальные изменения достигали 95,5%. Минимальное значение относительной несущей способности получено при Н=8% и Sy=100 м2/кг, а максимальное значение получено при Н=10% и Sy=300 м2/кг, при этом максимальное изменение достигло 55,8%. Минимальное значение коэффициента ?b4 получено при Н=8% и Sy=100 м2/кг (?b4=1,71), а максимальное значение получено при Н=10% и Sy=300 м2/кг (?b4=3,06), при этом максимальное изменение достигло 80%.

Характер образования и развития нормальных и наклонных трещин в железобетонных балках показал, что на начальном этапе