Вплив технологічної пошкодженості бетону на міцність та тріщиностійкість залізобетонних елементів, що згинаються, по нормальним перерізам - Автореферат

Приведен обзор работ по исследованию процессов твердения бетона, механики образования и развития технологических трещин в его структуре и факторов, влияющих на образование и величину технологической поврежденности бетона. В этой связи поставлены задачи дальнейшего исследования прочности нормальных сечений железобетонных изгибаемых элементов с учетом технологической поврежденности бетона. Призмы испытывали на сжатие с целью определения влияния технологической поврежденности на прочностные и деформативные свойства бетона. Далее каждая характеристика изучалась в зависимости от количества и качества наполнителя, а призменная прочность и начальный модуль упругости и от коэффициентов поврежденности, что позволило установить зависимость физико - механических и деформативных характеристик бетона от технологической поврежденности. Keywords: concrete, reinforced-concrete, curved elements, technological injury of concrete, stability of crack, hardiness, inclined sections, accounts.У вступі обґрунтована необхідність проведення теоретичних та експериментальних досліджень впливу технологічної пошкодженості на тріщиностійкість та міцність нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, зі змінною кількістю та якістю мінеральних наповнювачів, сформульовані мета та задачі досліджень, наукова новизна та практичне значення роботи. Проаналізовані праці вітчизняних та зарубіжних вчених, присвячені дослідженням процесу твердіння бетону, механіці утворення початкових тріщин в його структурі та факторів, що впливають на технологічну пошкодженість бетону. Викладений стан питання розвитку методів розрахунку міцності нормальних перерізів залізобетонних елементів, що зазнають згину, з моменту перших досліджень цього питання до теперішнього часу. Аналіз робіт цих вчених доводить, що з початку свого розвитку методи розрахунку міцності нормальних перерізів постійно вдосконалювалися шляхом привнесення уточнень за рахунок більш детального дослідження факторів, що впливають на несучу здатність залізобетонних елементів, що згинаються. Але технологічна пошкодженість бетону в залежності від кількості та якості мінеральних наповнювачів в розрахунках міцності нормальних перерізів елементів, що згинаються, не ураховується.У 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 (Т 0), що примикають з однієї сторони Для зразків-призм (10Ч 10Ч 40 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. Для залізобетонних елементів під характерними лініями приймаємо: поперечну, яка перетинає балку в поперечному напрямку посередині, довжиною 15 см (нормальні перерізи) і похилі - в зоні дії поперечної сили та згинаючого моменту (похилі перерізи), що перетинають балку від місця навантаження до опори під кутом, довжиною 36,5 см і 31,1 см. Вони наклеювались на бічну грань балки посередині прольоту, для спостереження за деформаціями і визначення висоти стислої зони (Т 1…Т 4), та в крайніх третинах прольоту, перпендикулярно лінії найбільш небезпечного похилого перерізу, який проходить від місця прикладення навантаження до опори, для визначення деформацій бетону по цій лінії (Т 5 і Т 6 з одного боку, а Т 7 і Т 8 з другого). За результатами виконаних досліджень на двох бокових гранях зразків-призм і зразків - балок були отримані наступні середні характеристики: коефіцієнт технологічної пошкодженості по площі, коефіцієнти технологічної пошкодженості по характерним лініям, поздовжній і поперечній (табл.Експериментально обґрунтовано вплив технологічної пошкодженості бетону на міцностні та деформативні характеристики, а також тріщиноутворення в нормальних перерізах залізобетонних балок з різними кількістю і дисперсністю наповнювача. Вивчений вплив кількості та якості мінерального наповнювача на технологічну пошкодженість бетону. Підтверджується участь наповнювачів в організації структури бетону і формуванні технологічної пошкодженості. Встановлений вплив Н і Sy наповнювача на физико-механічні характеристики бетонів (Rb, Eb), що дозволяє змінювати їх в досить широких межах і, тим самим, більш повно використовувати потенційні властивості бетону, зокрема змінювати Rb до 27%, Eb до 42%. Проведений аналіз довів суттєвий вплив кількості та якості наповнювача на зміни модуля деформацій, пластичних, пружних та повних деформацій, їхню залежність від технологічної пошкодженості бетону.

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

Во введении обоснована актуальность, цель и задачи исследований, научная новизна, практическое значение работы, дана ее общая характеристика.

Раздел 1. Приведен обзор работ по исследованию процессов твердения бетона, механики образования и развития технологических трещин в его структуре и факторов, влияющих на образование и величину технологической поврежденности бетона. Рассмотрены этапы развития методов расчета прочности нормальных сечений железобетонных изгибаемых элементов с момента начала этих исследований до современных. Выяснено, что ни раньше, ни сейчас технологическая поврежденность в расчетах железобетонных изгибаемых элементов не учтена. В этой связи поставлены задачи дальнейшего исследования прочности нормальных сечений железобетонных изгибаемых элементов с учетом технологической поврежденности бетона.

Раздел 2. Представлены характеристики экспериментальных образцов (материалы, способы изготовления, методика применения наполнителя). Изложены методы определения технологической поврежденности и способы определения коэффициентов. Приведены методики проведения испытаний. Призмы испытывали на сжатие с целью определения влияния технологической поврежденности на прочностные и деформативные свойства бетона. Экспериментальные балки испытывали по статической схеме как однопролетные, свободно опертые, загруженные двумя сосредоточенными силами, расположенными на расстоянии Lo/3 от опор для изучения характера образования, развития трещин под нагрузкой и разрушения балок в зависимости от количества и качества применяемого наполнителя.

Раздел 3. Приведены коэффициенты технологической поврежденности, определенные по характерным линиям и выделенным площадям бетонных призм и железобетонных балок. Проведен анализ влияния количества и дисперсности минерального наполнителя на характер поврежденности и величины коэффициентов. Приведен анализ результатов экспериментальных исследований бетонных призм на сжатие. На основании экспериментальных данных были получены графики "напряжения - деформации", и, исходя из них, определялись: величины полных, упругих и пластических деформаций сжатия, начального модуля упругости, призменной прочности, модуля деформаций. Далее каждая характеристика изучалась в зависимости от количества и качества наполнителя, а призменная прочность и начальный модуль упругости и от коэффициентов поврежденности, что позволило установить зависимость физико - механических и деформативных характеристик бетона от технологической поврежденности.

Раздел 4. Исследован характер образования и развития нормальных и наклонных трещин в железобетонных балках, который показал, что на начальном этапе нагружения нормальные трещины, как и наклонные, развиваются по траекториям технологических трещин (энергетически выгодному пути). Затем эксплуатационные трещины развиваются путем пересечения структурных блоков (ячеек). Разрушение балок происходило понормальной трещине в зоне чистого изгиба с образованием выкола бетона у ее вершины. Проведенный анализ влияния технологической поврежденности на разрушающие моменты показал, что с увеличением коэффициентов Kns і KNL значения Mu уменьшаются. Сравнение результатов расчета подействующим нормам и определение опытным путем прогибов железобетонных балок показало, что экспериментальные значения существенно меньше, особенно при максимальных количестве и дисперсности наполнителя (Н=12% и Sy=300 м 2/кг). Минимальные значения относительной высоты сжатой зоны получено при Н=8% и Sy=100 м 2/кг, а максимальные - при Н=12% и Sy=300 м 2/кг, при этом разница в значениях достигала более 100%.

Раздел 5. Исследуется влияние изменения количества и качества наполнителя на коэффициент ys вследствие его существенного влияния на ширину раскрытия трещин. С целью уточнения этого коэффициента проведены расчеты по существующим (нормативный) и с учетом опытных данных. По полученными результатам сделан вывод, что к уровню М @ 0,7Mu нормативные и экспериментальные значения ys имеют определенные расхождения. Но дальше, с ростом нагрузки, они сближаются и достигают максимального значения - единицы. Поэтому, для определения степени влияния качества и количества минерального наполнителя на изменение величины коэффициента ys выбрано три уровня внешней нагрузки: М = 2500; 4500; 6500 Н ? м. На разницу между нормативными и определенными с учетом эксперимента значениям коэффициента ys влияют и количество, и дисперсность наполнителя в равной степени. Это влияние максимально выражено у составов с Н = 12% и с Sy = 100 м 2/кг (20% - 2%). Следовательно, с увеличением количества наполнителя и уменьшением дисперсности растет и степень отличия коэффициента ys, определенного по нормам и с учетом эксперимента.

В выводах приведены результаты экспериментально - теоретических исследований влияния количества и дисперсности минерального наполнителя, а также технологической поврежденности на физикотехнические, деформационные характеристики бетонных элементов и железобетонных балок и коэффициент ys.

На основании полученных результатов проверку изгибаемых элементов понесущей способности с учетом технологической поврежденности бетона рекомендуется проводить дифференцированно в зависимости от изменения количества и качества минерального наполнителя.

Ключевые слова: бетон, железобетон, изгибаемые элементы, технологическая поврежденность бетона, трещиностойкость, прочность, нормальные сечения, расчет.

Oliynyk N.V. Influence of technological injury of concrete on the hardiness and stability of crack curved reinforced-concrete elements on normal sections. - The manuscript.

Thesis on a scientific degree of the Candidate of Engineering Science on a specialty 05.23.01 - Building constructions, building and structures. - Odessa State Academy of Building and Architecture, Odessa, 2007.

In dissertation experimental and theoretical researches of work of concrete prisms are tested at the compression and reinforced concrete elements at a beam taking into account technological damaged.

The influence quantity and quality mineral fillion have been studied and set on technological injury of concrete, physics-mechanical and deformed characteristics of concrete, on relative altitude by compressed zone, on load - deflection relation reinforced concrete beams and coefficient ys on normal sections.

The influence character of formation and development of normal and inclined cracks in reinforced concrete beams.

Set influence of technological to the injury concrete on physics-mechanical characteristics of concrete and on the size of destroying moment of reinforced concrete beams.

In accordance with the receive results the verification of curved members by carrying capacity with account of technological injury of concrete would be recommending to conduct by differential dependence of the change of quantity and quality by the mineral fillion.

Keywords: concrete, reinforced-concrete, curved elements, technological injury of concrete, stability of crack, hardiness, inclined sections, accounts.

Актуальність теми. Балочні конструкції знайшли широке застосування в сучасному будівництві. Їх раціональне проектування постійно викликає необхідність удосконалення методів розрахунку, що потребує подальшого детального вивчення властивостей матеріалу і роботи залізобетонних конструкцій під навантаженням. З метою максимального зближення теорії з експериментом методи розрахунку міцності та тріщиностійкості їхніх нормальних та похилих перерізів постійно удосконалюються. Проте, технологічна пошкодженість бетону і її вплив на роботу конструкцій відносяться до числа недостатньо вивчених явищ.

В період технологічної переробки бетону у вироби на всіх рівнях структурних неоднорідностей в матеріалі виникають технологічні тріщини, які, як структурні параметри бетону, визначають пошкодженість конструкцій, і тим самим - і їх експлуатаційну надійність.

Тому робота залізобетонних елементів, що згинаються, під дією поперечних сил і згинальних моментів, характер руйнування за нормальними перерізами і умови їхньої міцності і тріщиностійкості залежать від технологічної пошкодженості бетону. Сучасний етап досліджень в цій галузі показує, що технологічна пошкодженість по-особливому впливає на деформаційні властивості залізобетонних елементів, що згинаються.

Відомі нині методи розрахунку не дозволяють урахувати вплив численних чинників на напружено - деформований стан бетону та несучу здатність залізобетонних елементів, що згинаються. Це призводить до перевитрати матеріалів. Тому необхідно виконувати подальші експериментально - теоретичні дослідження міцності та напружено - деформованого стану нормальних перерізів з урахуванням технологічної пошкодженості бетону.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною науково-дослідних робіт кафедри "Залізобетонні і камяні конструкції" на 2001-2010 рр.: "Дослідження напружено-деформованого стану та розрахунок елементів пошкоджених залізобетонних конструкцій" за № 0104U007342; на 2004-2006 рр.: "Технологія пошкоджень бетону та її вплив на роботу та розрахунок залізобетонних конструкцій" за № 0104U000515 та на 2001-2003 рр.: "Ефективні каркасні будівлі з монолітними безбалочними перекриттями" за № 0101U000746.

Мета роботи: експериментально-теоретичне обґрунтування впливу технологічної пошкодженості бетону на несучу здатність залізобетонних елементів, що згинаються, та розробка рекомендацій з урахуванням технологічної пошкодженості бетону при розрахунку міцності та тріщиностійкості їхніх нормальних перерізів.

Задачі дослідження: - вивчити вплив кількості і якості наповнювача на технологічну пошкодженість бетонних зразків, залізобетонних елементів і фізико-механічні характеристики бетону;

- встановити залежність фізико-механічних характеристик бетону від його технологічної пошкодженості;

- визначити вплив кількості і дисперсності наповнювача на деформативні властивості зразків - призм;

- виявити характер виникнення і розвитку нормальних тріщин з урахуванням кількості і якості наповнювача;

- дослідити напружено-деформований стан та несучу здатність залізобетонних елементів, що згинаються, з урахуванням їхньої технологічної пошкодженості;

- визначити вплив дисперсності і кількості наповнювача в експериментальних балках на величину коефіцієнта ys .

Обєкт дослідження: бетонні і залізобетонні елементи конструкцій, що згинаються, з урахуванням технологічної пошкодженості бетону.

Предмет дослідження: міцність і тріщиностійкість нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, з урахуванням впливу технологічної пошкодженості.

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 розрахункових та експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів: До теперішнього часу відсутні дані про дослідження впливу технологічної пошкодженості бетону елементів, що згинаються, несучу здатність їхніх нормальних перерізів шляхом варіювання кількості і дисперсності мінерального наповнювача. Подібні дослідження проведені вперше. На підставі цих досліджень встановлено наступне: - визначена та досліджена залежність технологічної пошкодженості бетонних зразків і залізобетонних елементів та фізико-механічних характеристик бетону від кількості та якості наповнювача;

- отримана залежність фізико-механічних характеристик бетону від технологічної пошкодженості бетону;

- визначена залежність деформативних властивостей бетонних призм від кількості і дисперсності наповнювача;

- виявлений характер утворення і розвитку нормальних тріщин з урахуванням кількості і якості наповнювача;

- досліджений напружено-деформований стан та несуча здатність залізобетонних елементів, що згинаються, з урахуванням технологічної пошкодженості;

- визначений вплив кількості та якості наповнювача на величину коефіцієнту ys .

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в дисертації результати були використані при проектуванні залізобетонних балочних конструкцій житлового будинку по вул. Старицького, 20/1 в м. Одесі, що дозволило знизити їх матеріалоємність на 8...10% за умови найкращого використання бажаних можливостей матеріалу. Матеріали дисертації впроваджені в учбовий процес за спеціальністю "Промислове та цивільне будівництво", а також при підготовці магістрів та спеціалістів.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно одержані наступні результати: - встановлений вплив кількості і якості наповнювача на технологічну пошкодженість бетонних зразків, залізобетонних елементів і фізико-механічні характеристики бетону;

- досліджена залежність фізико-механічних характеристик бетону від технологічної пошкодженості бетону;

- визначена залежність деформативних властивостей бетонних призм від кількості і дисперсності наповнювача;

- виявлено характер утворення і розвитку нормальних тріщин з урахуванням факторів, що досліджуються;

- досліджений напружено-деформований стан залізобетонних елементів, що згинаються, з урахуванням їхньої технологічної пошкодженості;

- визначений вплив технологічної пошкодженості бетону на несучу здатність залізобетонних елементів, що згинаються;

- встановлена залежність величини коефіцієнта ys від кількості і якості наповнювача.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень пройшли апробацію на четвертій та пятій міжнародних науково-технічних конференціях "Ресурсоекономні матеріали, будівлі та споруди" (Рівно, 2003, 2006 рр.), науково-технічній конференції творчої молоді "Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ" (Київ, 2003 р.) і науково-технічних конференціях Одеської державної академії будівництва і архітектури в 2003 - 2006 рр.

Публікації. По темі дисертації опубліковано шість друкованих праць у збірниках наукових праць, які є фаховими виданнями ВАК України.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, пяти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 135 найменувань та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 174 сторінки, в тому числі: 149 сторінок основного тексту, 14 сторінок з малюнками та таблицями, 13 сторінок списку літератури, 6 сторінок додатку.

1. Встановлена необхідність уточнення розрахунку міцності залізобетонних балок за нормальними перерізами для зниження їх матеріалоємності.

2. Виконаний аналіз методів оцінки технологічної пошкодженості композиційних будівельних матеріалів.

3. Експериментально обґрунтовано вплив технологічної пошкодженості бетону на міцностні та деформативні характеристики, а також тріщиноутворення в нормальних перерізах залізобетонних балок з різними кількістю і дисперсністю наповнювача.

4. Вивчений вплив кількості та якості мінерального наповнювача на технологічну пошкодженість бетону. Підтверджується участь наповнювачів в організації структури бетону і формуванні технологічної пошкодженості. Зокрема, мінімальні значення пошкодженості набуті при Sy=300 м 2/кг і Н=10%, а максимальні - при Sy=100 м 2/кг і Н=8%. При цьому, максимальні зміни (61% і 37%) зазнають коефіцієнти, відповідно, Kns і KNL.

5. Встановлений вплив Н і Sy наповнювача на физико-механічні характеристики бетонів (Rb, Eb), що дозволяє змінювати їх в досить широких межах і, тим самим, більш повно використовувати потенційні властивості бетону, зокрема змінювати Rb до 27%, Eb до 42%. Запропоновані відповідні квадратичні залежності призмової міцності та початкового модуля пружності бетону.

4. Проведений аналіз довів суттєвий вплив кількості та якості наповнювача на зміни модуля деформацій, пластичних, пружних та повних деформацій, їхню залежність від технологічної пошкодженості бетону. Застосування наповнювачів певних співвідношень кількості і дисперсності веде до значної зміни деформативних характеристик бетонів і, отже, до зміни модуля деформацій (Еb) більш, ніж на 20%.

5. Аналіз напружено - деформованого стану залізобетонних елементів показав, що на початковому етапі розвитку нормальні тріщини, як і похилі, розвиваються по енергетично вигідному шляху - траєкторіям технологічних тріщин. Тому, управляючи технологічною пошкодженістю, можна змінювати умови роботи, кінетику зростання і, частково, траєкторію тріщин.

6. Вивчено вплив кількості і дисперсності мінерального наповнювача на зміну прогинів і висоту стислої зони залізобетонних балок. Встановлено, що зі збільшенням коефіцієнтів пошкодженості несуча здатність залізобетонних балок зменшується на 7%. На різних рівнях навантаження для приведених складів відносна висота стислої зони бетону може змінюватися в 2 і більше разів. Встановлено, що на всіх трьох прийнятих рівнях моментів при порівнянні значень прогинів залежно від якості наповнювача їхні зміни коливаються в межах 193% - 8,7%.

7. Встановлено вплив кількості і якості мінерального наповнювача на зміну коефіцієнта ys, який максимально проявився на рівні 0,2 - 0,5 Rb і становить близько 20%. Запропоновані відповідні квадратичні залежності коефіцієнта ys з урахуванням зернового складу наведених бетонів.

1. 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, формулювання висновків.

2. 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, формулювання висновків.

3. 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 -виготовлення зразків, вимірювання довжин технологічної пошкодженості зразків-призм, аналіз коефіцієнтів пошкодженості.

4. Дорофеев В.С., Олейник Н.В. Изменение относительной высоты сжатой зоны бетона при варьировании количества и качества наполнителя // Вісник ОДАБА. Вип. 16, - Одесса, 2004. - с. 54 - 62.

Внесок здобувача - проведення експерименту, обробка результатів, формулювання висновків.

5. Олейник Н.В. Изменение коэффициента ys, моделируемого варьированием структурных факторов. // Вісник ОДАБА. Вип. 20, - Одесса, 2005. - с. 288 - 299.

6. Дорофеев В.С., Олейник Н.В., Бреднев А.М. Влияние количества и качества наполнителя на изменение прогибов железобетонных балок. // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. - Рівне: УДУВГП, - 2006. - вип. 14. - С. 175 - 182.

Внесок здобувача - проведення експерименту, обробка результатів, формулювання висновків.

Размещено на .ru