ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

ПОСТЕРНАК ІРИНА МИХАЙЛІВНА

УДК 624.046:624.044:691.327:666.973.6

НЕСУЧА ЗДАТНІСТЬ ТА ДЕФОРМАТИВНІСТЬ СТІНОВИХ
ЕЛЕМЕНТІВ ІЗ КОСТРУКЦІЙНО-ТЕПЛОІЗОЛЯЦІЙНОГО
НЕАВТОКЛАВНОГО ПІНОБЕТОНУ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

ОДЕСА – 2006

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Костюк Анатолій Іванович,
Одеська державна академія будівництва та архітектури,

доцент кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гришин Володимир Олександрович,
Одеський національний морський університет,

завідувач кафедри теоретичної та прикладної механіки.

кандидат технічних наук, доцент

Богза Володимир Григорович,

Миколаївський державний аграрний університет,

директор науково-дослідного інституту агропромислових

об’єктів та учбово-інформаційних технологій.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”,

кафедра будівельних конструкцій та мостів, Міністерства

освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться “28“ березня 2006р. о 13 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 “27“ лютого 2006р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 41.085.01,

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

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Відродження і розвиток виробництва виробів та конструкцій з неавтоклавного пінобетону в Україні є стратегічним завданням державного масштабу в будівництві, базуючись на сучасній технології виробництва, його фізико-механічних властивостях і ефективності застосування в будинках. Основна перевага – це широкий діапазон технічних показників і теплоізоляційних властивостей, внаслідок чого ніздрюватий бетон може бути використаний у будівництві в якості конструкційно-теплоізоляційного і теплоізоляційного матеріалу. Також широке використання ніздрюватих бетонів у будівництві дозволить знизити транспортні витрати, зменшити в 5...6 разів витрати стінових матеріалів, зменшити трудомісткість зведення житла, значно зменшити навантаження на фундаменти і тим самим скоротити матеріалоємність зведення будинків. Саме ніздрюватий бетон, маючи унікальні теплофізичні властивості, забезпечує створення сприятливих і комфортних умов у приміщеннях будинків. Всім цим позитивним властивостям ніздрюватого бетону найбільшою мірою відповідає неавтоклавний пінобетон, на структуру якого впливають мінеральні наповнювачі. З огляду на те, що актуальним залишається питання економії мінеральних ресурсів, при одночасному забезпеченні несучої здатності, міцності та деформативности стінових елементів, виникла необхідність дослідження впливу кварцового наповнювача на характеристики стінових елементів із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Дисертаційна робота виконана як складова частина держбюджетної науково-дослідної роботи кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій Одеської державної академії будівництва та архітектури на 2004…2008 роки.: “Дослідження напружено-деформованого стану та розрахунок елементів пошкоджених залізобетонних конструкцій”, пункт 1.7. “Дослідження властивостей пінобетонів неавтоклавного твердіння та конструкцій з них”.

Мета роботи: розробка рекомендацій до розрахунку несучої здатності стінових елементів стиснутих з випадковим ексцентриситетом із конструкційно-тепло-ізоляційного неавтоклавного пінобетону, а також дослідження їх характеристик міцності та деформативності під впливом наповнювача.

Задачі дослідження:

- дослідити несучу здатність стінових елементів із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону при зміні армування та наповнювача;

- проаналізувати напружено-деформований стан стінових елементів;

- установити коефіцієнт б для розрахунку пінобетонних стінових елементів на дію стискаючої поздовжньої сили при зміні армування та наповнювача;

- розробити рекомендації до розрахунку несучої здатності стінових елементів із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону на дію стискаючої поздовжньої сили;

- експериментально дослідити вплив наповнювача на механічні характеристики конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону та їхню зміну в часі, а також розрахувати залежності;

- встановити залежності для прогнозування теплопровідності і деформацій усадки пінобетону при зміні кількості та дисперсності наповнювача.

Об’єкт дослідження: стінові елементи із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону.

Предмет дослідження: несуча здатність, міцність і деформативність стінових елементів, виконаних із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону з урахуванням зміни кількості наповнювача та його дисперсності.

Методи дослідження: Метод механічного випробування зразків навантаженням з використанням електротензометрії, механічного способу виміру переміщень і фотофіксації схем руйнування. Методи статистичної обробки експериментальних даних з використанням програмного забезпечення, діалогової системи COMPEX, порівняння і узагальнення теоретичних та експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів: До теперішнього часу відсутні дані по дослідженню впливу армування та наповнювача на характеристики стінових елементів із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону. Подібні дослідження виконані вперше. На їх основі встановлено:

- запропоновано диференційовані значення коефіцієнта б для розрахунку стінових елементів на дію стискаючої поздовжньої сили, виконаних із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону;

- вивчено вплив і розраховані поліноміальні залежності наповнювача на коефіцієнт б та несучу здатність стінових елементів виконаних із конструкційно-теплоізо-ляційного неавтоклавного пінобетону;

- досліджено напружено-деформований стан і характер руйнування стінових елементів при зміні структури пінобетону;

- вивчено вплив і розраховані поліноміальні залежності кількості наповнювача та його дисперсності на міцність і деформативність конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону у віці 28, 90 і 180 діб;

- досліджено вплив і розраховані поліноміальні залежності кількості та дисперсності наповнювача на коефіцієнт теплопровідності і деформації усадки пінобетону.

Практичне значення отриманих результатів. Оптимальне проектування стінових елементів можливо при раціональному співвідношенні необхідної несучої здатності, деформативности та достатньої теплопровідності. Запропоновано диференційовані значення коефіцієнта б в залежності від дисперсності та кількості наповнювача. Отримано поліноміальні залежності впливу наповнювача на міцність, деформативність та фізичні характеристики пінобетону, а також на несучу здатність стінових елементів і коефіцієнт б. Результати дисертаційної роботи використовуються в науково-дослідній роботі студентів, а також впроваджені при проектуванні та виробництві стінових елементів на заводі ЗБК Одеської залізниці.

Особистий внесок здобувача. Самостійно автором отримані такі результати:

- огляд літературних даних по впливу наповнювачів на фізико-механічні характеристики виробів і конструкцій із ніздрюватих бетонів;

- вивчено вплив і розраховані поліноміальні залежності кількості та дисперсності

наповнювача на міцність і початковий модуль пружності конструкційно-теплоізо-ляційного неавтоклавного пінобетону у віці 28, 90 і 180 діб, а також коефіцієнт теплопровідності та відносні деформації усадки;

- досліджено напружено-деформований стан і характер руйнування стінових елементів при зміні структури пінобетону;

- вивчено вплив і розраховані поліноміальні залежності кількості та дисперсності наповнювача на коефіцієнт б і несучу здатність пінобетонних стінових елементів;

- запропоновано диференційовані значення коефіцієнта б для розрахунку стінових елементів із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону на дію стискаючої поздовжньої сили.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень були представлені на 30 (3 міжнародній) науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених “Будівлі та споруди з застосуванням нових матеріалів” (Макіївка, 2004р.), VIII міжнародній науково-практичній конференції “Наука і освіта 2005” (Дніпропетровськ, 2005р.), міжнародної науково-технічної конференції “До 75-річчя Одеської державної академії будівництва та архітектури” і науково-технічних конференціях Одеської державної академії будівництва та архітектури в 2003...2005 роках.

Публікації. Результати досліджень по темі дисертації опубліковані в дванадцяти друкованих працях, десять з яких у збірниках наукових праць, затверджених ВАК України, одна у збірнику наукових праць та одна в матеріалах міжнародної наукової конференції.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 210 найменувань та додатків. Загальний обсяг роботи складає 189 сторінок, в тому числі: 132 сторінок основного тексту, малюнків – 30, таблиць – 27, 18 сторінок списку використаних джерел, 30 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована необхідність проведення теоретичних та експериментальних досліджень несучої здатності та деформативності стінових елементів із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону (КТ НПБ) при зміні армування, а також кількості та якості мінеральних наповнювачів, сформульовані мета та задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення роботи.

Розділ 1. Викладений стан питання та сформульовані задачі досліджень. Пінобетоном переймалися наступні вчені: Е.С. Байер, О.Т. Баранов, К.И. Бахтіяров, Ж.С. Белякова, Н.В. Богданов, В.І. Большаков, О.О. Брюшков, Г.О. Бужевич, Е.Г. Величко, В.М. Вировий, Х.С. Воробйов, М.Н. Гензлер, О.Б. Голишев, Б.М. Гладишев, О. Граф, Г.Д. Дібров, Ю.О. Закорчемний, О.І. Іванов, Б.Н. Кауфман, О.Г. Комар, П.Г. Комохов, М.Я. Крівіцкий, І.Т. Кудряшев, О.О. Лаукайтіс, Н.І. Левін, В.В. Макарічев, В.О. Мартиненко, О.П. Меркін, І.С. Песельник, B.О. Пінскер, Э. Пуринс, Г.П. Сахаров, Е.С. Сілаенков, І.Б. Удачкін, Т.О. Ухова, Н.І. Фединін, П. Філін, К.Ф. Фокін, П.Г. Фреймарк, О.Ф. Чудновский, Г. Шеффлер, К.І. Шульц. Аналіз робіт, згаданих вище вчених, окреслив чотири основних періоди розвитку пінобетону в нашій країні і за кордоном з часів його першого отримання та до наших днів. Проаналізовані фізико-механічні характеристики пінобетону. Відзначені основні аспекти ефективності пінобетону та енергозбереження при його виробництві (невисокі витрати та вартість сировинних матеріалів). Огляд виробів і конструкцій з ніздрюватого бетону застосовуваних у цивільному та промисловому будівництві показав, що ці конструкції є на сьогоднішній день ефективними та раціональними для стін цивільних будинків. Проаналізовані основні фактори, що впливають на структуру пінобетону, а найбільш докладно мінеральні наповнювачі. Також відзначено, що формування макроструктурних параметрів пінобетону визначаються структурними особливостями піни і властивостями розчинної складової.

При аналізі розвитку способів розрахунку ніздрюватобенонних стінових елементів на дію стискаючої поздовжньої сили простежується тенденція, яка направлена на уточнення виду ніздрюватого бетону та технології його виготовлення, тобто більш повного використання властивостей матеріалу при розрахунку конструкцій, тому необхідно проводити дослідження в цьому напрямку.

Розділ 2. Для одержання експериментальних даних по дослідженню пінобетонних стінових елементів та зразків був виконаний експеримент з використанням апарата математичного планування, що базується на експериментально-статистич-ній поліноміальній моделі:

Y=A1w1+A2w2+A3w3+A12w1w2+A13w1w3+A23w2w3+
+D11w1x1+D21w2x1+D31w3x1+b11x12 (1)

Таблиця 1.

Умови планування експерименту

Фактори | Рівні варіювання | Інтервал
варіювання

Натуральний вид | Кодований вид | -1 | 0 | +1

Кількість
наповнювача (Н), % | Х1 | 5 | 10 | 15 | 5

Дисперсність
наповнювача (Sy), м2/кг | (W1; W2; W3) | 200 | 400 | 600 | 200

Для одержання статистичних оцінок коефіцієнтів моделі експеримент проводили по спеціально синтезованому в діалоговій системі СОМРЕХ плану (табл. 2).

В експерименті в якості в'яжучого застосовувався портландцемент марки
ПЦ I – 500. Як наповнювач застосовувався дрібний кварцовий пісок з різною питомою поверхнею Sy=200, 400 і 600 м2/кг, попередньо розмелений у кульовому млині. Як заповнювач для дослідних зразків застосовувався річковий пісок. В якості піноутворювача використовувався ПБ – 2000 (Росія, м. Іваново).

Експериментальні дослідження проводились на зразках - кубах з розмірами 15х15х15 см, на зразках - призмах з розмірами 15х15х60 см і на армованих зразках - моделях стінових елементів з розмірами 60х80х14 см, при цьому відтворювалися властивості об'єкта – оригіналу на його аналогу – моделі, дотримуючись умов точної (лінійної) або простої подоби.

Таблиця 2.

Матриця планування експерименту N=10

№ досліду | W1 | W2 | W3 | Х1

1 | 1 | 0 | 0 | +1

2 | 0 | 1 | 0 | +1

3 | 0 | 0 | 1 | +1

4 | 0 | 1/2 | 1/2 | +1

5 | 1/2 | 0 | 1/2 | +1

6 | 1 | 0 | 0 | 0

7 | 1 | 0 | 0 | -1

8 | 0 | 1 | 0 | -1

9 | 0 | 0 | 1 | -1

10 | 1/2 | 1/2 | 0 | -1

11 | 0 | 0 | 0 | -

Дослідні моделі стінових елементів (рис. 1) армувалися звареними просторовими каркасами з арматурного дроту класу Вр–1 Ш4мм (СП – 1А…СП – 11А) і арматури класу А240С Ш6мм (СП – 1Б…СП – 11Б).

Рис. 1. Схема армування дослідних зразків - моделей стінових елементів.

Дослідні зразки виготовляли серіями (3 куба, 6 призм і 2 моделі стінових панелей з різним коефіцієнтом армування) у виробничих умовах на заводі ЗБК Одеської залізниці. Як змішувальний агрегат була використана промислова установка для готування пінобетонної суміші типу УПТП із піногенератором героторного типу

Для дослідження напружено-деформованого стану експериментальних моделей стінових елементів (рис. 2) і зразків-призм використовувалися дротяні тензорезистори на паперовій основі з базою 20 мм (ТР1…ТР20), які підключалися до автоматизованого комплексу на базі СИИТ – 3. Для додаткового виміру зазначених деформацій з метою контролю на бічні грані моделі встановлювали індикатори годинного типу: Т1 і Т2 на базі 300 мм із ціною поділки 0,01 мм (поздовжні деформації), Т3 і Т4 на базі 400 мм із ціною поділки 0,001 мм (поперечні деформації). Для контролю горизонтального зсування моделей із площини (прогин у горизонтальному напрямку) по вертикальній осі бічної грані встановлювали прогиномір П1 із ціною поділки 0,01мм. Випробовування моделей стінових елементів статичним короткочасним навантаженням проводилися на стиск до руйнування при шарнірній схемі обпирання на універсальній гідравлічній машині (рис. 2). 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 з 24-х кратним збільшенням.

Рис. 2. Схема випробування зразків - моделей стінових елементів з розміщенням приладів: 1 - металевий циліндричний шарнір; 2 - металева пластина; 3 - металевий “черевик”.

У кожній точці плану контролювалися відносні деформації усадки (еsh) та коефіцієнт теплопровідності (л). Після проведення всіх випробувань були отримані основні фізико-механічні характеристики, які представлені в табл. 3, та розраховані в системі COMPEX коефіцієнти експериментально-статистичних моделей.

Таблиця 3.

Основні фізико-механічні характеристики КТ НПБ

№ досліду | R, МПа | Rb, МПа | Кпп= Rb/ R | Еb, МПа | л,
Вт/м·0С | еsh(360), мм/м

28

діб | 90

діб | 180
діб | 28

діб | 90

діб | 180

діб

1 | 3,95 | 3,60 | 3,77 | 3,90 | 0,911 | 2750 | 2920 | 2980 | 0,189 | 2,83

2 | 6,49 | 5,90 | 5,95 | 5,95 | 0,909 | 4200 | 4240 | 4240 | 0,199 | 2,46

3 | 5,09 | 4,60 | 4,85 | 4,90 | 0,904 | 3800 | 3990 | 4042 | 0,212 | 2,91

4 | 5,56 | 5,00 | 5,40 | 5,57 | 0,899 | 3900 | 4090 | 4170 | 0,195 | 2,82

5 | 4,39 | 3,90 | 4,05 | 4,12 | 0,888 | 3250 | 3470 | 3420 | 0,209 | 2,76

6 | 3,79 | 3,40 | 3,65 | 3,70 | 0,897 | 2600 | 2860 | 2810 | 0,208 | 2,57

7 | 2,01 | 1,80 | 1,95 | 2,05 | 0,896 | 2300 | 2390 | 2410 | 0,192 | 2,32

8 | 4,36 | 3,90 | 4,00 | 4,10 | 0,894 | 2900 | 3050 | 3150 | 0,223 | 2,14

9 | 4,19 | 4,00 | 4,20 | 4,30 | 0,954 | 2850 | 3040 | 2980 | 0,220 | 2,35

10 | 3,60 | 3,20 | 3,40 | 3,55 | 0,889 | 2650 | 2770 | 2830 | 0,207 | 2,21

11 | 4,90 | 4,40 | 4,50 | 4,60 | 0,898 | 3600 | 3720 | 3790 | 0,210 | 2,54

Розділ 3. Експериментально встановлений вплив кількості мінерального наповнювача (Н=5...15%), а також його дисперсності (Sy= 200, 400 і 600 м2/кг) на кубікову міцність пінобетону, який дозволяє змінювати її від 2,0 до 7,4 МПа (на 270%), також розрахована поліноміальна залежність (2). При цьому максимальні значення
R (7,2...7,4 МПа) отримані при Н=10...13% і Sy=400 м2/кг.

ln (Rx10-1) = 3,635w1 + 0,782w1w2 + 0,334w1x1 0,300x12

+ 4,274w2 ± 0w1w3 + 0,199w2x1 (2)

+ 4,164w3 – 0,119w2w3 + 0,054w3x1

Застосування наповнювачів у заданих межах дозволяє змінювати призмову міцність пінобетону у віці 28, 90 і 180 діб від 1,8 до 6,6 МПа (на 266%), при цьому максимальні значення Rb (6,0...6,6 МПа) отримані при Н=9...14% і Sy=400 м2/кг, а мінімальне значення Rb28=1,8 МПа отримане при Н=5% і Sy=200 м2/кг (рис. 3). Установлено залежності між кількістю наповнювача, його дисперсністю та призмовою міцністю пінобетону, що виражена поліномами: у віці 28 діб - (3), у віці 90 діб - (4), у віці 180 діб - (5).

ln (Rb28 x 10-1) = 3,526w1 + 0,755w1w2 + 0,340w1x1 0,295x12

+ 4,160w2 ± 0w1w3 + 0,201w2x1 (3)

+ 4,042w3 ± 0w2w3 + 0,058w3x1

ln (Rb90 x 10-1) = 3,597w1 + 0,787w1w2 + 0,330w1x1 0,297x12

+ 4,186w2 – 0,221w1w3 + 0,199w2x1 (4)

+ 4,108w3 ± 0w2w3 + 0,073w3x1

ln (Rb180 x 10-1) = 3,611w1 + 0,810w1w2 + 0,310w1x1 0,280x12

+ 4,187w2 ± 0w1w3 + 0,193w2x1 (5)

+ 4,103w3 ± 0w2w3 + 0,061w3x1

Досліджено вплив кількості мінерального наповнювача, а також його дисперсності на відносну зміну величини призмової міцності пінобетону у віці від 28 до 180 діб (еRb180) та розрахована поліноміальна залежність (6). Застосування кварцових наповнювачів у заданих межах дозволяє змінювати еRb180 від 0,8% (Н=15% і Sy=400 м2/кг) до 24,6% (Н=5%, Sy=400 і 600 м2/кг).

ln (еRb180 x10) = 4,395w1 + 0,982w1w2 0,230w1x1 + 0,178x12

+ 2,830w2 – 1,134w1w3 – 0,879w2x1 (6)

+ 4,002w3 + 5,894w2w3 ± 0w3x1

Рис. 3. Трикомпонентні діаграми зміни призмової міцності (МПа) у часі для різної кількості наповнювача.

Застосування наповнювачів у заданих межах дозволяє змінювати початковий модуль пружності пінобетону у віці 28, 90 і 180 діб від 2300 до 4260 МПа (на 85%), при цьому максимальне значення Eb180=4260 МПа отримане при Н=15% і Sy=400 м2/кг, а мінімальне значення Eb28=2300 МПа отримане при Н=5% і Sy=200 м2/кг (рис. 4). Область із Eb пінобетону на 28, 90 і 180 діб вище нормативного (3500 МПа) розташована при зміні Н=10...15% і Sy 400, 600 м2/кг. Установлено залежність між H, Sy та Eb пінобетону, що виражена поліномами у віці: 28 діб -(7), 90 діб -(8), 180 діб -(9).

ln Eb28 = 7,863w1 + 0,102w1w2 + 0,090w1x1 0,032x12

+ 8,190w2 ± 0w1w3 + 0,185w2x1 (7)

+ 8,131w3 – 0,098w2w3 + 0,144w3x1

ln Eb 90= 7,959w1 + 0,103w1w2 + 0,100w1x1 0,079x12

+ 8,266w2 + 0,070w1w3 + 0,164w2x1 (8)

+ 8,234w3 ± 0w2w3 + 0,135w3x1

ln Eb180= 7,941w1 + 0,107w1w2 + 0,104w1x1 0,050x12

+ 8,256w2 ± 0w1w3 + 0,151w2x1 (9)

+ 8,197w3 ± 0w2w3 + 0,151w3x1

Рис. 4. Трикомпонентні діаграми зміни початкового модуля пружності (МПа) у часі для різної кількості наповнювача.

Експериментально встановлений вплив кількості мінерального наповнювача, а також його дисперсності на відносну зміну величини початкового модуля пружності пінобетону у віці від 28 до 180 діб (еEb180) та розрахована поліноміальна залежність (10). Застосування наповнювачів у заданих межах дозволяє змінювати еEb180 від 1,2% (Н=15% і Sy=400 м2/кг) до 20,2% (Н=5%, Sy=400 і 600 м2/кг).

ln (еEb180x10) = 4,314w1 0,221w1w2 + 0,253w1x1 + 0x12

+ 3,539w2 – 1,252w1w3 – 1,074w2x1 (10)

+ 4,155w3 + 4,012w2w3 + 0,158w3x1

Вивчено коефіцієнт теплопровідності та відносні деформації усадки пінобетону з урахуванням зміни наповнювача й встановлені поліноміальні залежності для їхнього обчислення (11) і (12). Коефіцієнт теплопровідності змінюється від 0,192 до 0,231 Вт/м·0С (на 17%), а відносна деформація усадки від 2,14 до 2,91 мм/м (на 26%), при цьому обидві ці характеристики перебувають у межах нормативних значень.

л = 0,208w1 0w1w2 0w1x1 0,016x12

+ 0,225w2 ± 0w1w3 – 0,014w2x1 (11)

+ 0,231w3 ± 0w2w3 ± 0w3x1

еsh = 2,573w1 0,077w1w2 + 0,255w1x1 0x12

+ 2,300w2 – 0,437w1w3 + 0,160w2x1 (12)

+ 2,630w3 + 0,540w2w3 + 0,280w3x1

Розділ 4. Проведений аналіз напружено–деформованого стану і характеру руйнування моделей стінових елементів СП1А, СП1Б, СП6А, СП6Б, СП7А, СП7Б, СП10А, СП10Б (рис. 5,а) показав, що спочатку руйнування носить локальний характер, а надалі, з ростом навантаження, відбувається дуже швидке "лавинне" об'єднання тріщин, що пояснюється структурно-механічною однорідністю і відносно невисокою міцністю пінобетону. Руйнування моделей стінових елементів СП2А…СП5А, СП2Б...…СП5Б, СП8А, СП8Б, СП9А, СП9Б, СП11А, СП11Б (рис. 5,б) відбувалося менш інтенсивно, що пояснюється структурно-механічною однорідністю і більш високою міцністю пінобетону.

Рис. 5. Узагальнена схема руйнування моделей стінових елементів:

а – СП1А, СП1Б, СП6А, СП6Б, СП7А, СП7Б, СП10А, СП10Б з шириною розкриття тріщин аcrc (мм) та навантаженням (кН) для СП1А;

б – СП2А…СП5А, СП2Б...…СП5Б, СП8А, СП8Б, СП9А, СП9Б, СП11А, СП11Б з шириною розкриття тріщин аcrc (мм) та навантаженням (кН) для СП2Б.

Розрахунок стислих пінобетонних стінових елементів, армованих симетричною конструктивною арматурою, проводиться за умови:

N ? б цb Rb A, (13)

де N – поздовжня стискаюча сила; цb – коефіцієнт, що залежить від навантаження (Nl/N) і розмірів (l0/h); Rb – призмова міцність, МПа; A – площа поперечного перерізу елемента, м2; б – коефіцієнт, прийнятий рівним для бетону: б=0,85 – ніздрюватого автоклавного; б=0,75 – ніздрюватого неавтоклавного.

Досліджено вплив армування та мінерального наповнювача на несучу здатність пінобетонних моделей стінових елементів і встановлені поліноміальні залежності (14) і (15). Застосування наповнювачів дозволяє змінювати несучу здатність від 149 до 612 кН (на 75,7%), при цьому максимальні значення Nexp (572…612 кН) отримані при Н=10...12,5% і Sy=400 м2/кг, а мінімальне значення Nexp (149…151 кН) отримане при Н=5% і Sy=200 м2/кг (табл. 4).

ln NAexp = 5,670w1 + 1,068w1w2 + 0,371w1x1 0,295x12

+ 6,363w2 – 0,170w1w3 + 0,120w2x1 (14)

+ 6,237w3 ± 0w2w3 + 0,101w3x1

ln NБexp = 5,697w1 + 1,058w1w2 + 0,343w1x1 0,337x12

+ 6,417w2 ± 0w1w3 + 0,114w2x1 (15)

+ 6,256w3 ± 0w2w3 + 0,097w3x1

Таблиця 4.

Характеристики експериментальних моделей пінобетонних стінових елементів

№
досліду | acrc, мм | f cr, мм | NСНиП =бцbRbА, Н | Nexp, Н | %

А | Б | А | Б | А | Б | А | Б

1 | 0,11 | 0,12 | 1,46 | 1,41 | 282533 | 280880 | 313000 | 305000 | 2,56

2 | 0,28 | 0,26 | 2,31 | 2,35 | 457616 | 464780 | 488000 | 498000 | 2,01

3 | 0,23 | 0,24 | 2,43 | 2,49 | 361466 | 358903 | 422000 | 424000 | 0,47

4 | 0,21 | 0,23 | 2,17 | 2,13 | 396675 | 393390 | 451000 | 433000 | 3,99

5 | 0,14 | 0,14 | 1,98 | 2,05 | 300691 | 302870 | 348000 | 339000 | 2,59

6 | 0,09 | 0,08 | 1,16 | 1,21 | 265940 | 265276 | 290000 | 298000 | 2,68

7 | 0,07 | 0,09 | 0,98 | 1,08 | 138780 | 139961 | 149000 | 151000 | 1,32

8 | 0,17 | 0,15 | 2,64 | 2,60 | 304668 | 304668 | 383000 | 390000 | 1,80

9 | 0,16 | 0,15 | 2,09 | 2,12 | 312871 | 314712 | 344000 | 338000 | 1,74

10 | 0,06 | 0,08 | 1,57 | 1,52 | 251140 | 248509 | 312000 | 316000 | 1,27

11 | 0,20 | 0,19 | 2,24 | 2,37 | 348638 | 346616 | 355000 | 351000 | 1,13

Вивчено вплив кількості мінерального наповнювача і його дисперсності, а також армування на коефіцієнт б моделей стінових елементів із КТ НПБ. Під впливом дослідних факторів коефіцієнт б змінюється від 0,804 до 0,960 (на 16,3%), при цьому максимальні значення б (0,9...0,96) отримані при Н=5...10% і Sy=400 м2/кг, а мінімальні значення б (0,804…0,809) отримані при Н=5% і Sy=200 м2/кг та Н=15% і Sy=400 м2/кг (табл.5,рис.6). Розраховані залежності між кількістю наповнювача, його дисперсністю і коефіцієнтами б, які виражені за допомогою поліномів (16) і (17).

бА = 0,819w1 + 0,233w1w2 + 0,015w1x1 0x12

+ 0,874w2 ± 0w1w3 – 0,069w2x1 (16)

+ 0,855w3 ± 0w2w3 + 0,030w3x1

бБ = 0,843w1 + 0,277w1w2 0w1x1 0,034x12

+ 0,916w2 ± 0w1w3 – 0,078w2x1 (17)

+ 0,878w3 – 0,069w2w3 + 0,039w3x1

Рис. 6. Трикомпонентні діаграми зміни коефіцієнтів бА (А,Б,В) та бБ (Г,Д,Е) для різної кількості наповнювача.

Аналіз впливу армування при різному виді арматурного прокату і коефіцієнтів армування показав, що відносні зміни по несучій здатності (до 3,99%) і коефіцієнту б (до 3,34%) не мають істотного впливу, отже, несуча здатність і коефіцієнт б залежать від кількості та дисперсності мінерального наповнювача і не залежать від армування.

Запропоновано диференційований коефіцієнт б для розрахунку несучої здатності стінових елементів на дію стискаючої поздовжньої сили, виконаних із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону, в залежності від застосовування кількості та дисперсності наповнювача, по табл. 6.

Таблиця 5.

Нормативне та експериментальні значення коефіцієнта б

№
досліду | бСНиП | ,% | , %

А | Б | А | Б | А | Б

1 | 0,75 | 0,831 | 0,814 | 9,7 | 7,9 | 1,11 | 1,09 | 2,05

2 | 0,75 | 0,800 | 0,804 | 6,2 | 6,7 | 1,07 | 1,07 | 0,50

3 | 0,75 | 0,876 | 0,886 | 14,3 | 15,4 | 1,17 | 1,18 | 1,13

4 | 0,75 | 0,853 | 0,826 | 12,0 | 9,1 | 1,14 | 1,10 | 3,16

5 | 0,75 | 0,868 | 0,839 | 13,6 | 10,7 | 1,16 | 1,12 | 3,34

6 | 0,75 | 0,818 | 0,843 | 8,3 | 11,0 | 1,10 | 1,12 | 3,08

7 | 0,75 | 0,805 | 0,809 | 6,9 | 7,3 | 1,07 | 1,08 | 0,49

8 | 0,75 | 0,943 | 0,960 | 20,5 | 21,9 | 1,26 | 1,28 | 1,77

9 | 0,75 | 0,825 | 0,805 | 9,0 | 6,9 | 1,10 | 1,07 | 2,42

10 | 0,75 | 0,932 | 0,954 | 19,5 | 21,4 | 1,24 | 1,27 | 2,31

11 | 0,75 | 0,764 | 0,759 | 1,8 | 1,2 | 1,02 | 1,01 | 0,65

Таблиця 6.

Експериментальні та рекомендоване значення коефіцієнта б

Н, % | Sy, м2/кг | бAexp | бБexp | Значення, що
рекомендуються

5 | 200 | 0,804 | 0,809 | 0,8

400 | 0,943 | 0,960 | 0,9

600 | 0,825 | 0,805 | 0,8

10 | 200 | 0,819 | 0,843 | 0,8

400 | 0,874 | 0,916 | 0,85

600 | 0,855 | 0,887 | 0,85

15 | 200 | 0,834 | 0,809 | 0,8

400 | 0,805 | 0,804 | 0,8

600 | 0,885 | 0,883 | 0,85

Коефіцієнт б у структурному виді по дисперсності і кількості наповнювача:

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Експериментально обґрунтовано, що несуча здатність (до 75%) і коефіцієнт б (до 16%) залежать від кількості наповнювача та його дисперсності, по яких розраховані поліноміальні залежності (14)…(17). При цьому значення експериментальних і нормативного коефіцієнта б відрізняються до 22%.

2. Аналіз напружено-деформованого стану та характеру руйнування пінобетонних стінових елементів показав, що спочатку руйнування носить локальний характер. Надалі, з ростом навантаження, відбувається дуже швидке об'єднання тріщин і як наслідок руйнування стінових елементів, що пояснюється високою структурно-механічною однорідністю й відносно невисокою міцністю пінобетону, які можна регулювати за допомогою зміни наповнювача.

3. Проаналізовано вплив армування, при різному виді арматурного прокату і коефіцієнті армування, який показав, що відносні зміни по несучій здатності (до 3,99%) і коефіцієнту б (до 3,34%) не мають істотного впливу та не залежить від армування.

4. Запропоновано диференційований коефіцієнт б для розрахунку несучої здатності стінових елементів на дію стискаючої поздовжньої сили, виконаних із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону в залежності від застосовуваної кількості і дисперсності наповнювача.

5. Установлено вплив кількості наповнювача і дисперсності на механічні характеристики пінобетону (R, Rb28, Rb90, Rb180, еRb180 Eb28, Eb90, Eb180, еEb180). Застосування наповнювача дозволяє змінювати ці характеристики в досить широких межах і тім самим більш повно використовувати потенційні властивості пінобетону, зокрема змінювати R до 270%, Rb до 266% і Eb до 82%. При цьому максимальні значення міцності отримані при Н=9...14% і Sy=400 м2/кг, а область із початковим модулем пружності вище нормативного розташована при зміні Н=10...15% і Sy=400, 600м2/кг.

6. Запропоновано залежності кубікової міцності, призмової міцності та початкового модуля пружності у віці 28, 90 і 180 діб від кількості і дисперсності наповнювача, що виражені за допомогою наведених поліномів другого ступеня.

7. Вивчено коефіцієнт теплопровідності і відносні деформації усадки пінобетону з урахуванням зміни наповнювача та розраховані поліноміальні залежності для їхнього обчислення. Коефіцієнт теплопровідності змінюється до 17%, а відносна деформація усадки до 26%, при цьому обидві ці характеристики перебувають у межах нормативних значень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Костюк А.И., Постернак С.А., Постернак И.М. Обзор развития, состояния и применения конструкционно-теплоизоляционного неавтоклавного пенобетона в конструкциях и изделиях// Вісник ОДАБА: зб. наук. праць. Вип. № 10. Одеса, ОДАБА, 2003. – С. 109 – 116. (Внесок здобувача – огляд доцільності застосування конструкцій із КТ НПБ та окресленні задачі досліджень).

2. Костюк А.И., Постернак И.М., Постернак А.А., Постернак С.А. К методике планирования и проведения экспериментальных исследований стеновых элементов из неавтоклавного пенобетона// Вісник ОДАБА: зб. наук. праць, вип. № 12. Одеса, ОДАБА, 2003. – С. 143 – 148. (Внесок здобувача – проаналізована методика математичного планування експерименту та обґрунтовано її застосування).

3. Постернак И.М., Костюк А.И., Постернак С.А., Постернак А.А. Конструкционно-теплоизоляционный неавтоклавный пенобетон в конструкциях и изделиях // Вісник ДонДАБА: зб. наук. праць, вип. 2004-3(45). Макіївка, 2004. – С. 89 – 92. (Внесок здобувача – проведення експерименту та обробка результатів).

4. Постернак И.М., Костюк А.И., Постернак С.А., Постернак А.А. Влияние количества и качества наполнителя на призменную прочность конструкционно-теплоизоляционного неавтоклавного пенобетона // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: зб. наук. праць, вип. № 11. Рівне, УДУВГП, 2004. – С. 88 – 92. (Внесок здобувача – обґрунтування мети та задач досліджень, виконання експериментальних робіт, математична обробка отриманих результатів, вивчення впливу наповнювачів на призмову міцність та формулювання висновків).

5. Постернак И.М., Костюк А.И., Постернак С.А., Постернак А.А. Влияние количества и качества наполнителя на начальный модуль упругости конструкционно-теплоизоляционного неавтоклавного пенобетона // Вісник ОДАБА: зб. наук. праць, вип. № 16. Одеса, ОДАБА, 2004.– С. 181 – 187. (Внесок здобувача – проведення експерименту, обробка результатів, вивчення впливу наповнювачів на початковий модуль пружності та формулювання висновків).

6. Костюк А.И., Постернак И.М., Постернак А.А., Шегера Д.А., Постернак С.А. Структурные аспекты разрушения стеновых элементов из конструкционно-теплоизоляционного неавтоклавного пенобетона // Вісник ОДАБА: зб. наук. праць, вип. № 17. Одеса, ОДАБА, 2005.– С. 142 – 146. (Внесок здобувача – обґрунтування мети та задач досліджень та аналіз характеру руйнування стінових елементів).

7. Постернак И.М., Костюк А.И., Постернак А.А., Шегера Д.А., Постернак С.А. Деформативность пенобетона с учетом изменения наполнителя // Науковий вісник будівництва: вип. № 31. Харків, ХДТУБА, 2005. – С. 97 – 103. (Внесок здобувача – проведення експерименту, обробка результатів, вивчення впливу наповнювачів на початковий модуль пружності в часі та формулювання висновків).

8. Постернак И.М. Несущая способность конструкционно-теплоизоляционного неавтоклавного пенобетона с учетом изменения структуры // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: зб. наук. праць, вип. №12. Рівне, УДУВГП, 2005.– С. 276 – 279.

9. Постернак И.М., Костюк А.И., Постернак А.А., Постернак С.А. Несущая способность стеновых элементов из КТ НПБ при изменении армирования // Вісник ОДАБА: зб. наук. праць, вип. № 18. Одеса, ОДАБА, 2005.– С. 217 – 220. (Внесок здобувача – проведення експериментальних досліджень, аналіз впливу армування на несучу здатність стінових елементів та формулювання висновків).

10. Постернак И.М. Влияние наполнителя на коэффициент б для расчета несущей способности стеновых элементов из КТ НПБ // Коммунальное хозяйство городов: науч.-техн. сб., Вып.63. - К.: Техника, 2005.– С. 101 – 104.

11. Постернак И.М. К расчету стеновых элементов из конструкционно-теплоизоляционного неавтоклавного пенобетона на действие сжимающей продольной силы // Вісник ОДАБА: зб. наук. праць, вип. № 18. Одеса, ОДАБА, 2005.– С. 212 – 216.

12. Постернак И.М., Костюк А.И., Постернак А.А., Постернак С.А. Стеновые элементы из конструкционно-теплоизоляционного неавтоклавного пенобетона // матеріали VIII міжнародної науково-практичної конференції "Наука і освіта 2005", том 55 “Будівництво та архітектура”. Дніпропетровськ, Наука і освіта, 2005. – С 33 – 37. (Внесок здобувача – обробка результатів та формулювання висновків).

АНОТАЦІЯ

Постернак И.М. Несуча здатність та деформативность стінових елементів із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону. – 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, 2006р.

Встановлено вплив кількості мінерального наповнювача та його дисперсності на механічні характеристики пінобетону. Застосування мінерального наповнювача дозволяє змінювати ці характеристики в досить широких межах і тім самим більш повно використовувати потенційні властивості пінобетону, зокрема змінювати R до 270%, Rb до 266% і Eb до 82%. Також вивчено коефіцієнт теплопровідності і відносні деформації усадки пінобетону з урахуванням зміни наповнювача та розраховані поліноміальні залежності для їхнього обчислення, при цьому обидві характеристики перебувають у межах нормативних значень.

Аналіз напружено-деформованого стану і характер руйнування пінобетонних стінових елементів показав, що спочатку руйнування носить локальний характер. Надалі, з ростом навантаження, відбувається дуже швидке об'єднання тріщин і як наслідок руйнування стінових елементів, що пояснюється високою структурно-механічною однорідністю й відносно невисокою міцністю пінобетону, які можна регулювати за допомогою зміни наповнювача.

Експериментально обґрунтовано, що несуча здатність (до 75%) і коефіцієнт б (до 16%) залежать від кількості наповнювача та його дисперсності, по яких розраховані поліноміальні залежності. При цьому значення експериментальних і нормативного коефіцієнта б відрізняються до 22%. Запропоновано диференційований коефіцієнт б для розрахунку несучої здатності стінових елементів на дію стискаючої поздовжньої сили, виконаних із конструкційно-теплоізоляційного неавтоклавного пінобетону в залежності від кількості та дисперсності наповнювача.

Ключові слова: стінові елементи, несуча здатність, розрахунок на дію стискаючої поздовжньої сили, міцність, деформативність, пінобетон.

АННОТАЦИЯ

Постернак И.М. Несущая способность и деформативность стеновых элементов из конструкционно-теплоизоляционного неавтоклавного пенобетона.– 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, 2006г.

Содержание диссертации

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

Основные аспекты эффективности пенобетона и энергосбережения при его производстве – невысокий расход и стоимость сырьевых материалов. При анализе развития способов расчета ячеистобетонных стеновых элементов на действие сжимающей продольной силы, прослеживается тенденция в сторону уточнения вида ячеистого бетона и технологии изготовления то есть более полного использования свойств материала при расчете конструкций.

Для получения статистических оценок коэффициентов модели эксперимент проводили по специально синтезированному в диалоговой системе СОМРЕХ плану. В качестве факторов приняты количество (Х1=10±5%) и дисперсность (W1=200, W2=400, W3=600 м2/кг) наполнителя. Экспериментальные исследования проводились на образцах - кубах с размерами 15х15х15 см, на образцах - призмах с размерами 15х15х60 см и на армированных образцах - моделях стеновых элементов с размерами 60х80х14 см, которые армировались сварными пространственными каркасами из арматурной проволоки класса Вр–1 Ш4мм и арматуры класса А240С Ш6мм. Опытные образцы изготовляли сериями (3 куба, 6 призм и 2 модели стеновых панелей с разным коэффициентом армирования) в производственных условиях на заводе ЖБК Одесской железной дороги. Испытание стеновых элементов статической кратковременной нагрузкой проводились на сжатие до разрушения при шарнирной схеме опирания. В каждой точке плана контролировались относительные деформации усадки и коэффициент теплопроводности. После проведения всех испытаний были получены основные физико-механические характеристики, и рассчитаны в системе COMPEX коэффициенты экспериментально-статистических моделей.

Экспериментально установлено влияние наполнителя на кубиковую прочность пенобетона, позволяющее изменять ее от 2,0 до 7,4 МПа (на 270%) и установлена полиномиальная зависимость (2). При этом максимальные значения R (7,2...7,4 МПа) получены при Н=10...13% и Sy=400 м2/кг.

Применение наполнителей позволяет изменять призменную прочность пенобетона в возрасте 28, 90 и 180 суток от 1,8 до 6,6 МПа (на 266%), при этом максимальные значения Rb (6,0...6,6 МПа) получены при Н=9...14% и Sy=400 м2/кг, а минимальное значение Rb28=1,8 МПа получено при Н=5% и Sy=200 м2/кг. Установлены зависимости