Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цели и задачи исследования 11
1.1. Технология получения высокопрочных бетонов 11
1.2. Свойства бетонов на НС 16
1.3. Влияние повторных нагружений на параметры диаграммы деформирования бетона 19
2. Материалы и методика экспериментальных исследований 22
2.1. Материалы 22
2.2. Методика экспериментальных исследований 25
Выводы по главе 2: 27
Бетона с добавкой "эмбэлит" влияние вида и количества СП на текучесть минеральных суспензий 28
3.2. Влияние вида СП на контракцию цементного теста (камня) ПЦ и ПЦ+эмбэлит 31
3.3. Пористость цементного камня с добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами 35
3.4. Предел прочности цементного камня и бетона с добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами 40
3.5. Модуль упругости цементного камня с добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами 46
3.6. Модуль упругости бетона с добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами 48
3.7. Параметры диаграммы деформирования при кратковременном осевом сжатии бетонов с добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами 51
3.8. Собственные деформации и самонапряжение цементного камня с добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами 56
3.9. Ползучесть цементного камня с добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами 62
3.10. Ползучесть бетона с добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами 67
3.11. Диаграммы «напряжения – деформации» при длительном действии нагрузки 70
Выводы по 3 главе: 72
4. Свойства бетонов с добавкой "эмбэлит" и сп после немногократно повторных нагружений 75
4.1. Процесс изменения свойств бетонов при повторных нагружениях 75
4.2. Программа и методика экспериментальных исследований 77
4.3. Изменение свойств бетона при сжатии после повторных сжимающих нагружений 86
4.4. Изменение свойств бетона при растяжении после повторных сжимающих нагружений 99
4.5. Изменение свойств бетона при сжатии после немногократно-повторных растягивающих нагружений 100
4.6. Изменение свойств бетона при растяжении после немногократно-повторных растягивающих нагружений 106
4.7. Изменение свойств бетона при сжатии после 109
немногократно-повторных знакопеременных нагружений 109
4.8. Изменение свойств бетона при растяжении после немногократно-повторных знакопеременных 112
4.9. Учет влияния основных факторов на степень изменения механических характеристик бетона при различных режимах немногократно повторных нагружений 115
4.10. Оценка адекватности предложенных формул для учета влияния 117
различных режимов немногократно-повторных нагружений на свойства бетона 117
Выводы по главе 4 121
5. Особенности расчета железобетонных конструкций с учетом влияния немногократно повторных нагружений 124
5.1. Малоцикловая усталость при сжатии предварительно обжатого 124
и необжатого бетона 124
5.2. Учет изменения свойств бетона, вызванного повторными нагружениями при
расчете железобетонных конструкций 135
Выводы по главе 5 137
Заключение 139
Список литературы
- Влияние повторных нагружений на параметры диаграммы деформирования бетона
- Методика экспериментальных исследований
- Предел прочности цементного камня и бетона с добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами
- Изменение свойств бетона при сжатии после повторных сжимающих нагружений
Введение к работе
Актуальность избранной темы. Одним из основных направлений совершенствования железобетонных конструкций является повышение их усадочной трещиностойкости, что предопределяет применение бетонов с пониженной усадкой, получение которых на основе портландцемента требует минимизации растворной составляющей в составе бетонных смесей, что приводит к снижению их подвижности. Производство сборных железобетонных изделий из таких смесей не вызывает проблем. Но, учитывая современную тенденцию широкого применения монолитных конструкций, производство которых, как правило, предопределяет применение высокоподвижных, в т.ч. самоуплотняющихся бетонных смесей, структура которых характеризуется повышенной концентрацией растворной составляющей, что приводит к повышению усадочных деформаций и ползучести бетона, проблема обеспечения усадочной трещиностойкости становится актуальной. Для устранения усадки используют бетоны с компенсированной усадкой на основе напрягающих цементов (НЦ) или расширяющих добавок (РД) к портландцементу. В последнее десятилетие в РФ широко применяется РД «Эмбэлит», в т.ч. для самоуплотняющихся и высокопрочных бетонов. Развитие научных представлений о формировании структуры цементного камня и бетона с указанной добавкой и современными суперпластификаторами (СП) на основе эфиров поликар-боксилатов, выявление и уточнение зависимостей «состав-технология-структура-свойства» таких бетонов для совершенствования нормативной базы и расширения областей их применения представляет актуальную задачу.
Степень разработанности темы. Необходимо отметить, что для более широкого внедрения бетонов с РД «Эмбэлит» в практику строительства нужно иметь данные о их сопротивлении не только монотонно возрастающим воздействиям, но и немногократно повторным усилиям различного уровня и режима.
Это вызвано тем, что железобетонные конструкции при эксплуатации могут претерпевать различные сложные нагружения. Так, например, стойки зданий промышленного и гражданского назначения, колонны мостов и эстакад, вертикальные конструкции сооружений бункеров могут испытывать повторные нагру-жения одного знака; знакопеременные нагружения и т.д.
Такие воздействия, как показали ранее выполненные исследования, оказывают значительное влияние на параметры диаграммы деформирования бетона и, в конечном счете, на работе железобетонной конструкции в целом.
Вместе с тем исследования влияния различных режимов повторного воздействия на свойства и диаграммы деформирования бетона с РД «Эмбэлит» и СП не проводились. Отсутствуют также данные о малоцикловой прочности таких бетонов, не установлены пределы усталостной прочности от основных факторов.
Использование в расчетах методов учета изменения диаграмм деформирования бетона после повторных нагружений позволит в одних случаях открыть до-3
полнительные резервы экономии арматуры и бетона; в других – повысить надежность расчетной оценки конструкций.
Использованию вышеперечисленных малоизученных вопросов посвящена настоящая диссертационная работа.
Цели и задачи: развитие научных представлений о формировании структуры и свойств цементного камня с РД «Эмбэлит» и СП на основе эфиров поли-карбоксилатов, выявление и уточнение зависимостей «состав-технология-структура-свойства» таких бетонов, определение влияния на диаграмму деформирования изучаемых бетонов различных режимов немногократно-повторных нагружений для совершенствования нормативной базы, а также установления малоцикловой усталостной прочности таких бетонов и зависимости пределов усталостной прочности от основных факторов с целью расширения областей их применения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи исследования:
-
Установить влияние РД «Эмбэлит» на текучесть цементных суспензий и бетонных смесей, уточнить влияние СП на развитие собственных деформаций и формирование пористости и прочности цементного камня и бетона.
-
Выявить или уточнить закономерности изменения показателей прочности, модуля упругости, ползучести, самонапряжения бетонов с РД и СП.
-
Исследовать влияние различных режимов немногократно повторных однозначных и знакопеременных нагружений на свойства бетона с РД «Эмбэлит» и СП при последующем сжатии и растяжении.
-
На основе экспериментальных исследований установить основные факторы, оказывающие влияние на малоцикловую усталостную прочность бетонов с добавкой «Эмбэлит».
-
Разработать расчетные зависимости по определению относительного предела малоцикловой усталостной прочности от различных факторов.
-
Разработать методы учета влияния повторных нагружений (однозначных и знакопеременных) на диаграмму деформирования изучаемого бетона при расчете железобетонных конструкций.
Научная новизна работы:
развиты научные представления о формировании структуры и свойств цементного камня с расширяющей добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами на основе эфиров поликарбоксилатов. Установлено увеличение в первые трое суток величины внешней контракции относительно эталона то 1,8 раза и уменьшение общей контракции до 25%, уменьшение полной пористости цементного камня до 3%, уменьшение открытой пористости до 4% и увеличение условно-закрытой пористости. Получены зависимости «пористость – прочность», «пористость – модуль упругости», «пористость – мера ползучести» цементного камня;
выявлено влияние РД «Эмбэлит» в сочетании с СП и условий твердения
на предел прочности, соотношение кубиковой и призменной прочности, предела прочности на растяжение и сжатие, модуль упругости бетонов, получены полные диаграммы деформирования для бетонов классов В 45 – В 60 и численные значения параметров диаграмм при кратковременном и длительном действии нагрузки;
выявлены основные закономерности развития собственных деформаций бетонов при твердении в условиях ограничения деформаций расширения и без ограничения, установлена количественная зависимость марки бетона по самонапряжению в зависимости от класса бетона и энергетической активности цемента;
определено значительное влияние на характерные точки диаграммы деформирования бетона с РД «Эмбэлит» и СП на основе эфиров поликарбоксилатов при сжатии и растяжении режимов немногократно повторного нагружения; экспериментально установлена зависимость основных характеристик исследуемого бетона от параметров предварительных сжимающих или растягивающих напряжений, коэффициента асимметрии цикла;
установлены основные факторы, которые оказывают влияние на малоцикловую усталостную прочность бетонов с добавкой «Эмбэлит» и разработаны расчетные зависимости для ее определения;
предложена формула по определению относительного предела усталостной прочности таких бетонов в зависимости от варьируемых факторов;
разработана методика, позволяющая учесть изменения диаграммы деформирования бетона с РД «Эмбэлит» и СП после различных режимов повторного однократного или знакопеременного нагружения.
Теоретическая и практическая значимость работы:
определены рациональные дозировки СП для получения самоуплотняющихся бетонных смесей с добавкой «Эмбэлит» и ПЦ 500 Д0 ЦЗ «Пролетарий»;
изучены прочностные (предел кубиковой, призменной прочности, предел прочности на растяжение) и деформационные свойства при кратковременной (модуль упругости, коэффициент упругости, относительная деформация, соответствующая пределу кратковременной прочности) и длительной (коэффициент ползучести, мера ползучести) нагрузках бетонов классов В 45 – В 60 и предложены аналитические значения параметров диаграмм деформирования для расчета конструкций;
на основе выявленной зависимости самонапряжения от энергетической активности цемента с добавкой «Эмбэлит» и класса бетона предложено нормирование марок бетона классов В 45 – В 60 по самонапряжению;
предложены практические рекомендации по учету влияния различных параметров немногократно повторного нагружения на свойства и диаграмму деформирования бетона с РД «Эмбэлит» и СП при сжатии и растяжении;
даны практические рекомендации по учету при проектировании изменения предела усталостной прочности бетонов с добавкой «Эмбэлит» в зависимости
от основных факторов;
внедрение в практику проектирования разработанных автором рекомендаций приведет к более правильной оценке работы железобетонных конструкций при различных режимах повторного нагружения;
разработанная методика определения малоцикловой усталостной прочности бетона с РД «Эмбэлит» в зависимости от основных варьируемых факторов.
Методология и методы диссертационного исследования: экспериментально-теоретические исследования с использованием стандартных и оригинальных методик, численный эксперимент.
Положения, выносимые на защиту:
результаты исследований влияния СП Glenium 51, Melflux 2641, Melflux 2651, Melflux 5581 СП1ВП на текучесть цементных суспензий с РД, выявленные рациональные дозировки добавок и экономическая эффективность их применения;
результаты исследований влияния РД в сочетании с СП на кинетику гидратации, собственных деформаций, величину пористости, прочности, самонапряжения и деформационных показателей при кратковременном и длительном нагружении цементного камня и бетона;
выявленные закономерности влияния РД в сочетании с СП на основные показатели назначения бетона и полученные зависимости для расчета самонапряжения, модуля упругости и коэффициента ползучести бетона;
результаты исследования влияния различных режимов повторного нагружения на диаграммы деформирования бетона с РД «Эмбэлит» и СП при сжатии и растяжении;
предлагаемая методика, позволяющая учесть влияние повторных нагру-жений на характерные точки диаграмм деформирования бетона с РД «Эмбэлит» и СП.
Степень достоверности научных положений, выводов и практических рекомендаций обеспечена использованием стандартных методов оценки строительно-технических свойств бетона, применением поверенного оборудования, непротиворечивостью полученных результатов основным положениям бетоноведения, статистической надежностью при обработке большого количества результатов экспериментов.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство» (Ростов-на-Дону, 2011, 2012, 2013, 2014 гг.).
Результаты исследований использованы в проектной практике институтов ООО «Севкавнипиагропром», ООО «ПроектЮгСтрой» и др.
Объект исследования: напрягающие бетоны классов В 45 – В 60 на основе добавки «Эмбэлит» из высокоподвижных бетонных смесей с суперпластификаторами на основе эфиров поликарбоксилатов.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 7 работах, в т.ч. 6
статей в изданиях, рецензируемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 116 наименований и приложений. Изложена на 153 страницах, включая 50 рисунков и 35 таблиц.
Влияние повторных нагружений на параметры диаграммы деформирования бетона
Согласно п. 4.5 СП 63.13330 безопасность, эксплуатационная пригодность и долговечность железобетонных конструкций должна обеспечиваться: выполнением требований к бетону, расчету конструкций и др. Как известно, железобетонная конструкция должна удовлетворять проектным требованиям по прочности, жесткости, трещиностойкости и долговечности. Применительно к бетону за обеспечение указанных показателей отвечают: предел прочности бетона на сжатие и растяжение, деформационные свойства бетона при кратковременном (модуль упругости) и длительном (параметры ползучести) нагружении, собственные деформации бетона (усадка), морозостойкость и водонепроницаемость. Все указанные свойства бетона зависят, при прочих равных условиях, от его пористости.
В современном бетоноведении одной из определяющих тенденций в технологии является воздействие на характер и количественные показатели поровой структуры цементного камня и бетона с целью изменения указанных выше свойств бетона посредством введения в состав бетона так называемых органо-минеральных модификаторов, которые, уменьшая водопотребность смеси и оказывая влияние на контактную зону «цементный камень – заполнитель», собственные деформации цементного камня, морфологию новообразований и т.п., позволяют регулировать свойства бетона в нужном направлении в определенных пределах [9, 10, 12, 13, 21, 28, 31, 32, 33, 34, 51, 57, 60, 63, 64, 66, 67, 68, 97, 102, 103,].
В последние 30 – 40 лет интенсивно развиваются исследования в области технологии высокопрочных бетонов, поскольку их рациональное применение в конструкциях позволяет снизить расход арматурной стали, уменьшить размер сечений и др. Обстоятельно исследованы основные факторы, позволяющие получать высокопрочные бетоны – влияние качества заполнителей, активности цемента, особенностей приготовления бетонных смесей и производства бетонных работ в части вопросов уплотнения и ухода за твердеющим бетоном, влияние суперпла стификаторов и минеральных модификаторов [7, 11, 14, 15, 19, 44, 77, 86, 88, 89, 92, 98, 101, 104, 105, 110].
В связи с развитием технологии бетона, появлением новых видов бетонов широко изучаются свойства бетонов, предопределяющие прочность, жесткость, трещиностойкость и долговечность железобетонных конструкций – предел прочности на сжатие и растяжение, модуль упругости и параметры диаграммы «напряжения – деформации» при кратковременном центральном и внецентренном сжатии, закономерности деформирования при длительном нагружении, в частности, показатели меры и коэффициента ползучести, собственные деформации – контракционная усадка, деформации вследствие массообмена с окружающей средой – усадка при высыхании, карбонизационная усадка [7, 11, 14, 15, 19, 44, 77, 86, 88, 89, 92, 98, 101, 104, 105, 110].
Как известно, одним из существенных недостатков бетонов на основе портландцемента (ПЦ) считается усадка, т.е. уменьшение объема бетона на всех этапах формирования его структуры [7, 9, 11, 61, 76, 77, 86, 88, 101,]. Согласно [18, 54], усадка бетона может протекать вследствие процессов взаимодействия минералов ПЦ с водой, т.е. вследствие процессов гидратации. Такую усадку называют контракционной, она наиболее интенсивно протекает в ранний период формирования структуры бетона, обычно в первые 4 – 5 сут твердения. Величина контракционной усадки может быть весьма значительна, в связи, с чем контрак-ционная усадка является причиной возможного раннего трещинообразования бетона [61, 76, 109]. В нормах EN величина контракционной усадки устанавливается в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие, причем с увеличением класса значение усадки возрастает.
Другая разновидность усадки – усадка при высыхании, развивается вследствие процессов, связанных с удалением воды из поровой структуры цементного камня (так называемая влажностная усадка), а также вследствие явления карбонизации (карбонизационная усадка). В атмосфере разделить эти два вида усадки не представляется возможным. Специальные исследования показали, что карбонизационная усадка составляет порядка 10 – 20 % усадки при высыхании [105, 110, 114, 115]. Усадка при высыхании зависит в основном от величины В/Ц бетона и свойств цемента [77, 86, 88, 101, 105, 109, 110,]. Во времени развитие усадки довольно продолжительно, несколько месяцев, и зависит, в т.ч., от влажностных условий окружающей среды и геометрии конструкции [11, 101, 105, 110], т.е. от интенсивности испарения воды из поровой структуры бетона. Усадка бетона приводит к появлению собственных структурных напряжений и, в результате, к образованию усадочных микротрещин, развитие которых вызывает рост ползучести бетона, снижает модуль деформаций, т.е. уменьшает жесткость сечений, способствует снижению стойкости бетона при воздействии агрессивных сред, в т.ч. к снижению стойкости бетона при воздействии циклического замораживания-оттаивания [55, 109].
Для предотвращения негативных последствий усадочных деформаций в строительной практике применяются расширяющиеся (РЦ) и напрягающие (НЦ) цементы, расширение которых в процессе твердения происходит вследствие появления в структуре цементного камня новообразований, объем которых существенно превосходит объем вступающих в реакцию исходных веществ [18, 47,]. Наиболее широко применяются РЦ и НЦ на основе образования повышенного количества эттрингита - высокоосновной формы гидросульфоалюмината кальция. Есть мнение, что предположение о существовании эттрингита в 1830г. высказал С. Кандло, а первые исследования явления расширения были проведены В. Миха-элисом в1892 г. Дальнейшее развитие исследований явления расширения на основе образования эттрингита в структуре твердеющего цементного камня нашло отражение в работах В. Лерча, Г. Богга, Ф. Форсена, А. Милиуса, Ф. Джонса. Существует также мнение, что идею использовать химические процессы для получения «расширяющегося цемента» высказал в 1936г. Г. Лосье, хотя известно, что исследования расширения в цементах с повышенной дозировкой гипса были проведены С. Шидлером еще в 1905 г. Первый патент на способ получения безусадочного бетона был получен А. Гуттманом в 1920 г. в Германии [79, 85, 100]. Под руководством В.В. Михайлова [49] были разработаны теоретические положения, выполнены обширные экспериментальные исследования и создано производство расширяющихся и напрягающих цементов с регулируемыми параметрами расширения и самонапряжения [47, 50]. Как известно, В.В. Михайлов [47, 50] выделял напрягающий цемент (НЦ) из всех других расширяющихся цементов, увеличивающих в процессе твердения свой первоначальный объем по главному признаку – способности расширяться при значительной прочности цементного камня, обеспечивая этим его самонапряжение [100]. «Классический» сульфоалюминатный НЦ, по В.В. Михайлову [49], представляет смесью портландцемента или порт-ландцементного клинкера и расширяющей добавки (РД), состоящей из глиноземистого цемента и гипсового камня, кроме того, в составе НЦ может присутствовать небольшое количество (2 – 4%) свободной извести. По В.В. Михайлову, содержание РД может доходить до 25 % в составе НЦ в зависимости от требуемой величины самонапряжения, которая достигает величины 5 МПа при твердении в условиях ограничения деформаций свободного расширения, эквивалентных 1% -му армированию.
Методика экспериментальных исследований
Из представленных на рис. 3.11 данных следует: - соотношение прочностей отличается от среднестатистических известных данных [55] в сторону уменьшения прочности при изгибе; - на величину соотношения негативно влияют СП, о чем, в частности, отмечалось в работе [73], и что может свидетельствовать о наличии внутриструк-турных напряжений; - на величину соотношения негативно могут влиять также деструктивные процессы при неограниченном (свободном) расширении цементного камня; - образцы, твердевшие в условиях связанного расширения, показывают хорошее соответствие измеренных значений предела прочности на растяжение при изгибе со среднестатистическими.
Для оценки конструкционных свойств тяжелого бетона произведена оценка предела прочности на сжатие (кубиковой, призменной) в возрасте 28 сут. при твердении в нормальных условиях, а также предела прочности на растяжение при раскалывании. Составы бетонов представлены в табл. 3.6. Подвижность бетонных смесей от 19 до 22 см О.К.
Из представленных на рис. 3.12 данных очевидно: - известная закономерность изменения предела прочности бетона от величины В/Ц справедлива и для бетона с добавками, и для различных условий твердения; - бетоны на ПЦ+Э, твердевшие без ограничения деформаций расширения, показывают несколько меньшую прочность при равном значении В/Ц, что связано с влиянием деформаций свободного расширения (фактически, в связи с этим, с увеличением пористости при введении добавки «Эмбэлит», что хорошо известно в бетоноведении); - предел прочности бетонов связанного твердения, напротив, повышается, примерно на 15 – 20% относительно прочности при свободном твердении, что также общеизвестно и о чем было сделано предположение при анализе влияния добавок и условий твердения на пористость цементного камня. Таким образом, предел прочности бетонов с добавкой «Эмбэлит» и исследованными СП в качественном отношении полностью подчиняется общеизвестным в бетоноведении закономерностям.
Из представленных на рис. 3.13 данных очевидно, что зависимость между кубиковой и призменной прочностью для бетона с исследуемыми добавками принципиально не отличается от общеизвестной, в связи, с чем при расчете железобетонных конструкций по первому и второму предельным состояниям значения расчетных и нормативных сопротивлений бетона могут приниматься в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие по действующим СП.
Особо следует отметить, что в случае густоармированных конструкций, когда в условиях высокого насыщения арматурой ( 1%) обеспечиваются связан ные условия твердения, значения расчетных и нормативных сопротивлений, в принципе, могут быть приняты с повышающим коэффициентом 1,1.
Как следует из представленных на рис. 3.14 данных, зависимость между пределом прочности бетона на растяжение при раскалывании и пределом прочности на сжатие для бетона с исследуемыми добавками принципиально не отличается от общеизвестной, в связи, с чем при расчете железобетонных конструкций в случаях необходимости использования нормативных или расчетных сопротивлений бетона на осевое растяжение эти значения могут приниматься в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие по действующим СП.
Особо следует отметить, что в случае густоармированных конструкций ( 1%), когда в условиях высокого насыщения арматурой обеспечиваются связанные условия твердения, значения расчетных и нормативных сопротивлений, в принципе, могут быть приняты с повышающим коэффициентом 1,05. 3.5. Модуль упругости цементного камня с добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами
На рис. 3.15 представлена зависимость модуля упругости цементного камня от его полной пористости. Рис. 3.15 Зависимость модуля упругости цементного камня Е с добавками от полной пористости цементного камня Р Т – по формуле E = E0exp(-2,055P) [67, 81]; ПЦ+Т = по формуле E = 30900exp(-2,055P); с индексом «св» - образцы связанного твердения Из представленных на рис. 3.15 данных следует: - с увеличением полной пористости цементного камня закономерно происходит уменьшение его модуля упругости, это уменьшение качественно хорошо согласуется с данными [67]; - количественно модуль упругости ПЦ в настоящем исследовании примерно на 10% ниже в сравнении со среднестатистической зависимостью [67] (см. линии Т и ПЦ-Т на рис. 3.15); - модуль упругости цементного камня со всеми добавками, за исключением состава ПЦ+5581+Э, несколько ниже значений, соответствующих его пористо сти. Снижение составляет от 3% (ПЦ+Э+2651), что соответствует погрешности измерений, до 40% (ПЦ+Э). По данным [57], модуль упругости цементного камня и бетона связаны со отношением где ЕБ,Д; ЕБ,Э – соответственно начальный модуль упругости бетона, содержащего добавку (СП, ММ, ММ+СП), и бездобавочного эталона; ЕЦК,Д; ЕЦК,Э - соответственно начальный модуль упругости цементного камня, содержащего добавку (СП, ММ, ММ+СП), и бездобавочного эталона, из которого следует, что при изменении модуля упругости цементного камня до 40%, снижение модуля упругости бетона составит примерно 22%. Следует отметить, что в нашем исследовании это максимальное значение. Возможное снижение модуля упругости цементного камня и бетона при введении органоми-неральных модификаторов отмечается в [57, 63]. - модуль упругости образцов связанного твердения в принципе хорошо согласуется с известной статистической зависимостью модуля упругости цементного камня от его пористости. Следует особо отметить, что модуль упругости образцов связанного твердения в настоящем исследовании оказался существенно выше модуля упругости образцов, твердевших в условиях неограниченного развития деформаций. Это превышение составило от 32% (ПЦ+Э+51) до 68% (ПЦ+Э) и связано, вероятно, с деструктивными процессами, протекающими в структуре цементного камня при твердении его в условиях неограниченного развития деформаций расширения. При твердении в связанных условиях в настоящем исследовании не выявлено негативного влияния добавок на величину модуля упругости цементного камня. Этот вывод имеет важное практическое значение. 3.6. Модуль упругости бетона с добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами
Предел прочности цементного камня и бетона с добавкой «Эмбэлит» и суперпластификаторами
Из представленных в табл. 3.12 данных очевидно удовлетворительное соответствие предлагаемых значений самонапряжения для НЦ-40 нормируемому ряду в СП 63.13330
Таким образом, применение цементов с высокой энергетической активностью (НЦ-40) позволяет получать в бетона классов В 50 и выше значения самонапряжения, обеспечивающие после проявления усадочных явлений величину остаточного самонапряжения более 0,5 МПа (как известно, остаточное самонапряжение составляет порядка 25% от максимального), что является достаточным условием предотвращения появления усадочных трещин в железобетоне.
Из рис. 3.28 следует, что мера ползучести цементного камня с добавками превышает меру ползучести бездобавочного эталона. Это превышение составляет от примерно 10% (ПЦ+Э+2651) до примерно 2,3 раза (ПЦ+2641). Факт повышения ползучести цементного камня при введении СП на основе эфиров поликар-боксилатов отмечен в [66].
Как следует из представленных на рис. 3.29 данных, при введении добавок отмечается повышение коэффициента ползучести от примерно 10% (ПЦ+Э+2651) до примерно 2,35 раза (ПЦ+2641). Исключение составляет состав ПЦ+Э, у которого отмечено снижение коэффициента ползучести примерно на 14% относительно бездобавочного эталона.
На рис. 3.30 представлены данные о соотношении меры ползучести цементного камня и его модуля упругости.
Из представленных на рис. 3.30 данных следует, что в ряде случаев отмечается весьма существенное отклонение от среднестатистической зависимости, установленной в [69], что можно объяснить наличием каких-то дополнительных факторов, изменяющих ползучесть цементного камня при введении в его состав некоторых добавок.
Используя представленные на рис. 3.30 данные, можно сделать прогноз величины меры ползучести цементного камня при твердении его в связанных условиях по следующему алгоритму: - полагается, что мера ползучести цементного камня С0 и его модуль упругости Е0 связаны зависимостью, аналогичной полученной в [69] (3.8) в которой величина коэффициента k является постоянной для одной группы материалов, например, для ПЦ+Э+2641; - из имеющихся экспериментальных данных, полученных для одной группы материалов, например, для ПЦ+Э+2641, зная величину Е0 и С0, определяем значение коэффициента k из ф.(3.8); - используя полученное значение коэффициента k, для цементного камня связанного твердения по известной величине Е0,св по ф.(3.8) определяем величину С0,св. Результаты представлены в табл. 3.13.
Зависимость меры ползучести цементного камня С0 от его пористости Р Т – по формуле С0 = 2,6463e6,5372Р [69] от его пористости. Как и в случае зависимости меры ползучести от модуля упругости отмечается значительное отклонение меры ползучести от среднестатистической зависимости, установленной в [69] у ряда составов, что также можно рассматривать как влияние на ползучесть цементного камня некоторых факторов при введении добавок. Кстати, в [69] также отмечено значительное отклонение значений меры ползучести цементного камня с добавками от теоретических значений, определенных авторами на основе среднестатистических зависимостей «пористость – свойства».
Используя представленные на рис. 3.31 данные, можно сделать прогноз величины меры ползучести цементного камня при твердении его в связанных условиях по следующему алгоритму: - полагается, что мера ползучести цементного камня С0 и его модуль упру гости Е0 связаны зависимостью, аналогичной полученной в [69] С0 = ke6,54Р (3.9) в которой величина коэффициента k является постоянной для одной группы материалов, например, для ПЦ+Э+2641; - из имеющихся экспериментальных данных, полученных для одной группы материалов, например, для ПЦ+Э+2641, зная величину P и С0, определяем значение коэффициента k из ф.(3.9); - используя полученное значение коэффициента k, для цементного камня связанного твердения по известной величине P,св по ф.(3.9) определяем величину С0,св. Результаты представлены в табл. 3.14.
Таблица 3.14 Анализ меры ползучести цементного камня в зависимости от условий ограничения деформаций расширения при твердении
Таким образом, сопоставление данных табл. 3.13 и табл.3.14 показывает значительное расхождение в прогнозе оценки изменения меры ползучести цементного камня в условиях связанного твердения. Так, согласно данным табл. 3.13, возможно снижение меры ползучести более чем в 2 раза, тогда как по данным табл. 3.14 это снижение составляет от 10 до 20 %. Для окончательного ответа на вопрос необходимы прямые испытания, которые не могут быть реализованы на бетонных образцах, традиционно используемых для определения ползучести из-за методических проблем. В связи с этим оценку влияния условий твердения на ползучесть можно производить, например, на армированных образцах-балках (при изгибе) или на колоннах.
Расчетные значения меры ползучести бетона с добавками из которой получены расчетные значения меры ползучести бетонов с исследованными добавками при значении истинной величины В/Ц цементного камня в бетоне, равной величине В/Ц цементного камня при определении его меры ползучести, т.е. 0,27 (рис.3.32). Как следует из представленных на рис. 3.32 данных, расчетные значения меры ползучести бетона могут различаться до 2 раз (состав ПЦ и ПЦ+2641).
Согласно [55], мера ползучести бетона С0,Б связана с пределом прочности бетона Rb статистической зависимостью
В табл. 3.15 представлены результаты экспериментального определения меры ползучести бетона составов, представленных в табл. 3.10 и 3.11, в сопоставлении с расчетными значениями, полученными по ф.(3.10) и ф.(3.11).
Как следует из представленных в табл. 3.15 данных, в случае введения в состав бетонной смеси СП, способных оказывать существенное влияние на ползучесть цементного камня, определение меры ползучести бетона по ф.(3.11), учитывающей только предел прочности бетона на сжатие, может приводить к значительным отклонениям расчетного значения от измеренного. В связи с этим для применения в инженерной практике ф.(3.11) в случае использования в составах бетона СП необходимо вводить к ф.(3.11) поправочный коэффициент, учитывающий влияние СП на ползучесть цементного камня. Очевидно, что величина коэффициента будет зависеть как от вида СП, так и от вида цемента, т.е. для получения значений указанных коэффициентов необходим значительный массив экспериментальных данных. Учитывая то обстоятельство, что цементных заводов в России более 50, а количество применяемых СП давно исчисляется десятками, со вершенно очевидно, что получить достоверные значения коэффициентов для всех возможных сочетаний нереально. В связи с этим можно предложить следующий подход: - на основе имеющейся информации получаются значения коэффициентов, из которых отбрасываются явно аномальные (слишком большие либо слишком маленькие); - для конкретного случая для бетона конкретного класса определяется два ряда значений показателей деформационных свойств (модуль упругости, усадка, ползучесть) – минимальные и максимальные; - выполняется расчет конструкций с использованием показателей дефор мационных свойств «в запас», например, при расчете прогибов от кратковременно действующей нагрузки используется минимальное значение модуля упругости, а при расчете, например, температурных или усадочных напряжений – максималь ное.
Из представленных в табл. 3.16 данных следует: - модуль упругости бетонов с добавками при твердении в условиях неограниченного развития деформаций расширения несколько ниже относительно порт-ландцементного бетона; - при твердении в условиях ограничения деформаций расширения отмечается повышение модуля упругости до 10%, что означает повышение жесткости (EI) сечений железобетонных элементов и, как следствие, Например, сокращение прогибов при кратковременном действии нагрузки: fD = 0,9fПЦ; - при длительном действии нагрузки жесткость сечений в случае бетонов с добавками будет ниже в соответствии с изменением величины Е = Е0/(1+), однако следует иметь в виду, что бетон с добавкой «Эмбэлит» обладает более высокой усадочной трещиностойкостью в сравнении с портландцементым бетоном, что должно благоприятно отразится на жесткости сечений. Подтверждение может быть получено испытанием железобетонных конструкций; - коэффициент ползучести бетонов с добавками выше относительно порт-ландцементного бетона от 34 до 72%, что означает, например, рост прогибов при длительном действии нагрузки. Итоговое увеличение прогиба при длительном действии нагрузки для конструкций может составлять от 0,91,72 = 1,55 до 0,91,34 = 1,2 в зависимости от вида СП и условий ограничения деформаций расширения при твердении (от коэффициента армирования конструкций). С учетом полученных результатов предлагается принимать значение коэффициента ползучести для бетонов с добавкой «Эмбэлит» и СП по СП 63.13330 с коэффициентом 1,5.
Изменение свойств бетона при сжатии после повторных сжимающих нагружений
После немногократно повторных растягивающих напряжений уменьшаются предельные деформации євК при кратковременном сжатии и коэффициенте, ті"д . Наиболее существенно влияет на степень снижения предельных деформаций SвR уровень повторных нагружении, с увеличением которого с [JJP = 0,3 до [JJP = 0,8 коэффициент -5 ; снимется на 7… 19% (рис. 4.11). При повышении коэффициента асимметрии цикла pEt снижается эффект от влияния немногократно повторных растягивающих нагружений на "Ї" .
Анализ результатов выполненных экспериментальных исследований показал, что наибольшее влияние на изменение модуля упругости бетона Ев и коэффициента ър оказывает уровень повторных растягивающих нагружений jJJp .
При его увеличении с 0,3 до 0,8 значения Ев снижаются на 4...20%. Степень сни rep жения значений Ев и коэффициента ттЕ " значительно зависит от коэффициента асимметрии цикла pEt. При увеличении pEt с 0 до 0,6 степень снижения тгЕ у падает. Повышение pEt вызывает ослабление эффекта влияния повторных растягивающих нагружений на Ев и іґ р
Использованные методы математического планирования эксперимента позволили для коэффициентов тг 3, ТГ , Е определить параметры к выбранному уравнению (4.2) трехуровневого двухфакторного плана (табл. 4,9).
Сравнение теоретических и опытных значений )і , УЕ Е Р показало их весьма близкую сходимость (табл. 4.5).
Параметры диаграммы деформирования бетона при сжатии после немногократно повторных растягивающих нагружений (п. растяжение - сжатие) – 2 серия опытов №№ групп образцов Параметры повторного нагружения Характеристики бетона после повторных нагружений Опытные значения Отклонения теор. значений по ф-лам (4.2-4.5) от опытных, %
Изменение свойств бетона при растяжении после немногократно-повторных растягивающих нагружений
Проведенный анализ результатов испытаний показал, что немногократно повторное предварительное растяжение бетона значительно влияет на его прочностные свойства при дальнейшем кратковременном растяжении (табл. 4.6).
Примечание: В формуле (4.2) х1 и х2 для первых четырех режимов нагружения определяются по формулам (4.4) и (4.5), а для пятого и шестого оба аргумента – по формуле (4.4).
Основные факторы, оказывающие влияние на процесс изменения свойств предварительно немногократно растянутого бетона – уровень предварительного немногократно повторного растяжения и коэффициент асимметрии цикла растяжения (рис. 4.11).
Обработка опытных данных в соответствии с планом двухфакторного трехуровневого эксперимента дала возможность получить зависимости коэффициентов, позволяющих учесть изменение прочности бетона на растяжение от основных факторов. Коэффициенты вi к уравнениям (4.2) – (4.5) приведены в табл. 4.9.
Результаты опытов показывают, что самое существенное влияние на изменение коэффициента тК,гр оказывает уровень немногократно повторного предва рительного растяжения. С его увеличением до 0,55 прочность возрастает, при более же высоком уровне предварительного повторного растяжения значение коэффициента тг 5 снижается. С увеличением коэффициента асимметрии цикла pEt снижается эффект изменения свойств бетона после повторного растяжения.
Анализ результатов опытов показал, что после предварительного немногократного повторного растяжения существенно изменяются деформативные характеристики бетона (табл. 4.6). При последующем растяжении предельная деформа-тивность бетона повысилась до 25%, модуль упругости уменьшился до 11% при увеличении уровня повторного растяжения до rf = 0,55. С дальнейшим повышением Іі до 0,8 предельная деформативность при растяжении уменьшилась на 3: 10%, значение модуля упругости понизилось на 16%. Таким образом, наибольшее влияние на изменение деформативных характеристик бетона оказывает уровень предварительного растяжения. Несколько меньшее, но тем не менее, значимое влияние на деформативные характеристики бетона при последующем кратковременном растяжении оказывает коэффициент асимметрии цикла повторного растяжения pBt. При уменьшении pBt его влияние на процесс изменения свойств бетона увеличивается.
Использованный аппарат математического планирования эксперимента (табл. 4.1) позволил получить регрессионные зависимости коэффициентов, позволяющих учитывать изменение деформативных свойств бетона после его предварительного растяжения от основных факторов. Значения коэффициентов вt в уравнениях (4.2) - (4.5) приведены в табл. 4.9.
Изменение свойств бетона при сжатии после немногократно-повторных знакопеременных нагружений
В соответствие с запланированной программой испытания бетонные призмы подвергались начальному немногократному повторному растяжению. По истечению 25 циклов «нагружения-разгрузки» призмы помещались в пресс и далее подвергались немногократно повторному сжатию.
Рассмотрим влияние немногократно повторной знакопеременной нагрузки на изменение свойств бетона.
После первого растягивающего загружения в бетоне развиваются соответствующие деформации. Заполнители, обладающие, как правило, достаточно высокими механическими характеристиками, работают практически упруго, а в растворной части преобладают, в основном, пластические деформации. При разгрузке значительная доля деформаций ползучести растворной части является необратимой и заполнители, подобно отпущенным упругим пружинам, сжимают растворный скелет. Вследствие этого, после первого цикла нагружения-разгрузки образуется «собственное» напряженно-деформированное состояние. При этом растворная часть является сжатой, а заполнители - растянутыми. Легко сделать вывод, что чем больше разница между механическими характеристикам заполнителей и растворной части, тем большими количественными показателями характеризуется «собственное» напряженное состояние бетона. В случае дальнейшего изменения знака повторных нагружений при невысоком уровне if количественные показатели «собственного» напряженного состояния несколько понижаются. При высоких значениях if/ 3 интенсифицируется процесс микротрещи нообразования.
Таким образом, при рассмотрении влияния повторных знакопеременных нагружений на свойства бетона необходимо учитывать эффекты от возникновения «собственного» напряженного состояния и развития микротрещин. Суммарный эффект воздействия немногократно повторных нагружений зависит от уровней гЦ и т (табл.4.7).