Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1. Производство арболитовых изделий за рубежом 9
1.2. Отечественный опыт применения арболита 13
1.3. Анализ конструктивных элементов из поризованного арболита 18
1.4. Методы расчета конструкций из арболита 20
1.5. Основные выводы по обзору литературы. Рабочая гипотеза
Цель и задачи исследований 23
ГЛАВА 2. Определение физико-механических свойств используемых материалов и общие методические положения, принятые в исследованиях 26
2.1. Стандартные методы определения составляющих арболитовых смесей 26
2.2. Характеристика опытных образцов 28
2.3. Методика испытаний опытных образцов 33
ГЛАВА 3. Теоретические аспекты формирования дефектов в структуре арболита и их влияние на концентрацию напряжений 39
3.1. Формирование дефектов в структуре арболита 39
3.2. Концентрация напряжений у дефектов первого рода 44
3.3. Концентрация напряжений у дефектов второго рода. 50
Выводы 57
ГЛАВА 4. Исследование физико-механических свойств поризованного арболита 59
4.1. Оптимизация рецептурных составов конструкционного поризованного арболита 59
4.2. Исследование морозостойкости конструкционного поризованного арболита 71
4.3. Исследование конструкционного поризованного арболита на водопоглощение 72
4.4. Исследование теплопроводности поризованного конструкционного арболита 73
4.5. Определение прочностных и деформативных
характеристик поризованного конструкционного арболита 80
Выводы 89
ГЛАВА 5. Исследование преднапряженных изгибаемых элементов 90
5.1. Защитные свойства арболита по отношению к арматуре 91
5.2. Исследование анкеровки преднапряженной арматуры в арболите... 93
5.3. Исследование потерь предварительного напряжения от усадки и ползучести арболита 98
5.4. Исследование прочности нормальных сечений 102
5.5. Исследование прочности наклонных сечений 109
5.6. Исследование жесткости и трещиностойкости 116
Выводы 127
ГЛАВА 6. Технико-экономическая эффективность комплексного применения несущих и ограждающих конструкций из арболита 128
6.1. Технико-экономическая эффективность производства плит перекрытий из поризованного арболита 128
6.2. Технико-экономическая эффективность комплексного применения изделий и конструкций из поризованного арболита 130
Общие выводы 139
Литература
- Отечественный опыт применения арболита
- Концентрация напряжений у дефектов первого рода
- Исследование морозостойкости конструкционного поризованного арболита
- Исследование потерь предварительного напряжения от усадки и ползучести арболита
Введение к работе
Актуальность работы. Использование значительных объемов древесины в строительстве побудило интерес у некоторых научно-исследовательских и проектных организаций к использованию отходов деревообрабатывающей промышленности в виде заполнителя легкого бетона - арболита. В 60 - 70-е годы на производство и применение арболита был разработан ряд нормативно-технических документов [61, 62]. Однако арболит остается мало изученным материалом. Введенные с определенной осторожностью в нормативные документы [16; 23] требования по проектированию и применению конструкций из арболита сдерживают разработку новых эффективных конструкций.
Научно-координационным советом по бетону и железобетону Госстроя
СССР в «Координационный план основных научно-исследовательских
работ» на 1986-1990гг была включена тема «Разработать, исследовать и
внедрить эффективные конструкции из арболита прочностью до 5,0 МПа для
зданий различного назначения». Основными исполнителями были назначены
НИИЖБ, ЦНИИЭПсельстрой, НИИСФ, ДальНИИС и УлПИ (УлГТУ
правопреемник УлПИ). Намечалось бюджетное финансирование этой темы в
объеме 405 тыс. руб. По теме предусматривалось изучение комплекса
вопросов: разработка составов бетонов и изучение их свойств; разработка
технологии; конструкторская проработка; подготовка рекомендательных и
нормативных документов с включением в новую редакцию
СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции» [68].
Недостаточное финансирование не позволило выполнить план почти по всем темам. На кафедре «Строительные конструкции» УлПИ были проведены исследования по совместимости ингредиентов поризованного арболита с различными видами органических заполнителей и оптимизация технологических параметров производства изделий из арболита [44, 46, 48, 89,91].
Исследование преднапряженных конструкций из поризованного арболита было продолжено за счет различных источников финансирования -по программам Комитета Высшей школы и Ульяновской области.
Существующая в настоящее время номенклатура изгибаемых конструкций из арболита не предусматривает предварительного напряжения арматуры, что ограничивает область их применения. В известных плитах перекрытий и покрытий в виде трехслойных или ребристых конструкций, у которых в нижнем слое или ребрах, выполненных из тяжелого бетона, размещается рабочая арматура, арболит выполняет только теплозащитную функцию [13, 32].
Решение задачи использования предварительного напряжения в изгибаемых элементах непосредственно в слое арболита, не только расширяет область их применения, дает возможность комплексного использования арболита в качестве несущих и ограждающих элементов при малоэтажном строительстве, но и значительно повышает жесткость и трещиностойкость, снижает расход стали и бетона, а следовательно и стоимость конструкций.
Научная работа выполнена в соответствии с Вузовской научно-технической программой «Строительство» (Приказ Комитета по Высшей школе №252 от 27 марта 1991 г.) в рамках темы НИР Ульяновского политехнического института, а также комплексной программой ускорения научно-технического прогресса в народном хозяйстве Ульяновской области на 1991-1995 г. по теме 04.06.01.00.01 «Разработка и внедрение комплексных конструкций в сборном строительстве».
Целью настоящей работы явилось исследование возможности и условий применения предварительно напряженной арматуры в поризованном арболите и расчета конструкций из него методами расчетов железобетонных изгибаемых элементов по СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции» и изучение связанных с этим следующих основных вопросов.
1. Оптимизация рецептурных составов конструкционного поризованного
арболита и изучение его физико-механических свойств;
Изучение условий анкеровки арматуры в арболите;
Исследование коррозионной стойкости арматуры в арболите;
Исследование потерь предварительного напряжения в арматуре от усадки и ползучести арболита;
Исследование прочности предварительно-напряженных изгибаемых несущих конструкций из поризованного арболита по нормальным и наклонным сечениям, а также их жесткости и трещиностойкости.
Научная новизна работы заключается в следующем: разработана методика подбора рецептурных составов композиций с оптимальной плотностью дефектов в структуре арболита;
получены физико-механические характеристики конструкционного поризованного арболита;
установлены оптимальные технологические параметры производства изделий и конструкций из поризованного арболита;
установлена возможность распространения методики расчета железобетонных конструкций по СНиП 2.03.01-84* на преднапряженные конструкции с использованием органических заполнителей. Практическое значение работы состоит:
в создании новой прогрессивной конструкции, защищенном патентом Российской Федерации № 21055110 [93];
разработке единой методики расчета преднапряженных конструкций из арболита в соответствии с требованиями СНиП 2.03.01-84* ;
во внедрении результатов разработки в учебный процесс.
Апробация работы. Основное содержание работы изложено в 54 публикациях и доложено на международных, региональных и вузовских конференциях в период с 1990 по 2004 годы. Материалы работы использованы в инновационном проекте «Преднапряженные плиты покрытий и перекрытий из поризованного арболита», разработанном в
8 рамках программы «Технопарк» и при разработке проекта жилого дома
усадебного типа с использованием изделий и конструкций из поризованного
арболита для регионального строительства (разработчик — проектный
институт «Ульяновскагропромпроект»).
Кроме того, разработки «Безвибрационное формование изделий из поризованного арболита» и «Производство изделий из арболита с немедленной распалубкой» были удостоены двух медалей ВДНХ СССР от 9.11.1989 г. Разработки экспонировались на двух межрегиональных выставках-ярмарках «Между Волгой и Уралом» 14-18 февраля 1996 г. и 19-20 февраля 1997 г.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав основных выводов, списка литературы из 113 наименований и приложения. Общий объем работы 151 страница машинописного текста. В работе содержится 66 рисунков и 22 таблицы.
На защиту выносятся:
теоретические исследования структурообразования поризованного арболита;
практические рекомендации по получению конструкционного поризованного арболита класса В5 и выше;
прочностные и деформативные характеристики поризованного арболита класса В5;
обоснование возможности применения преднапряженной арматуры в однослойных изгибаемых конструкциях;
обоснование возможности проектирования преднапряженных изгибаемых конструкций из поризованного арболита по методике СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции»;
технико-экономическая оценка эффективности комплексного применения конструкций в малоэтажном жилищном строительстве.
Отечественный опыт применения арболита
Производство и применение арболита в жилищном и сельском строительстве освоено во многих регионах страны [1,3, 11, 34, 41, 49].
Первые опыты по использованию отходов древесины в строительной индустрии в нашей стране были проведены еще в 30-х годах. С 1959 г. по инициативе Ф.Д. Вараксина, П.Н. Ершова и Е.Ю. Кобцева в нашей стране начали изготовлять арболит. Большая работа по изучению свойств арболита на основе древесных отходов и сечки камыша проделана Гипросельстроем, который разрабатывает конструкции из арболита с 1959 г. Этим институтом был подготовлен проект временных технических условий на стеновые изделия из арболита, разработаны проекты опытных заводов по производству арболита и выпущен альбом унифицированных изделий из арболита для сельскохозяйственного строительства [11].
Для изучения свойств арболита и внедрения его в производство трест Промстройматериалы Министерства газовой промышленности (по инициативе Е.Ю. Кобцева) создал в 1962 г. в г. Люберцы (Московской обл.) экспериментальный завод, который явился базой для проведения опытных работ ряда научно-исследовательских институтов и проектных организаций. Этим же трестом было также изготовлено оборудование для производства арболитовых изделий (в том числе установки для вертикального и горизонтального прессования панелей размером 6x1,2x0,16-0,3м и силовой прокатный стан). Кроме этого, были разработаны конструкции навесных арболитовых панелей для промышленных здании и несущих панелей для бескаркасных жилых домов до двух этажей. Конструкторами бюро треста совместно с Гипролеспромом был также разработан типовой проект завода производительностью 100 тыс.м стеновых панелей в год. В 1971 году были разработаны мероприятия по расширению производства и применению в строительстве арболита, в которых предусматривали расширение научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ по улучшению свойств арболита, технологии его производства, созданию специализированного оборудования, повышению качества изделий из арболита и разработку типовых конструкции на их основе, а также создание новых мощностей и увеличение объёмов производства арболита на действующих предприятиях. В дальнейшем развитию производства арболита как эффективного материала уделялось большое внимание. ЦК КПСС и Советом Министров СССР были приняты два постановления от 23 июня 1976г. «О положительных мерах по созданию важнейших предприятий производственной базы строительства, осуществляемого в сельской местности Нечернозёмной зоны РСФСР» и от 27 октября 1979г. «О дальнейшем развитии заводского производства деревянных панелей домов и комплектов деревянных деталей для домов со стенами из местных материалов для сельского жилищного строительства», направленные на широкое развитие производства арболита. Во исполнение этих постановлений были разработаны и утверждены Госстроем и Госпланом СССР «Мероприятия по организации крупномасштабного производства и массового внедрения в практику строительства в 1980-85 гг. конструкций и изделий из арболита». В дальнейшем они послужили основанием для разработки целевой комплексной научно-технической программы 0.55.16Ц, утвержденной Госстроем СССР, Госпланом СССР и координационного плана «Разработать и внедрить новые ограждающие и несущие конструкции из арболита марок 15-50 с плотностью до 800 кг/м3, включая технологию и оборудование для массового производства».
В целях организации производства изделий и конструкций из арболита в системе МСС СССР был издан приказ №144 от 28.07.82г. «О дополнительных мерах по увеличению в 1982-85гг. производства клееных деревянных конструкций и изделий из арболита».
В приказе дано задание по строительству и вводу в эксплуатацию первоочередных мощностей по производству конструкций и изделий из арболита на 1983-85 гг. (за счет расширения предприятий), а также задание Минсельстроям союзных республик по организации производства блоков и изделий из арболита на действующих производственных площадях на базе передвижных бетоносмесительных установках, где основной объём внедрения арболита намечался на предприятиях МСС РСФСР.
Концентрация напряжений у дефектов первого рода
Дефекты первого рода могут иметь сложные формы — замкнутые поры сложной конфигурации и капилляры с различной степенью протяженности, с изменяющейся формой и размерами сечения по длине. По Де Беру [108] существует 15 основных типов капилляров.
Распределение микронапряжений около капилляров от внешней нагрузки можно рассматривать в плоской постановке, используя методы теории упругости.
Анализ, проведенный Ю. В. Зайцевым [22], показал, что различие в распределении напряжений у отверстий различных конфигураций (треугольник, прямоугольник, овал и др.) не очень существенно и отверстие случайной формы можно заменить эллиптическими отверстиями. Им установлено, что для случая, когда развитие трещин в материале определяется микронапряжениями противоположного знака по отношению к внешним напряжениям (например, случай одноосного сжатия), все поры могут достаточно обоснованно считаться круглыми (рис. 3.3).
Формирование полостей и капилляров в цементном камне происходит с сохранением объективной закономерности - минимума поверхностной энергии, соответствующей круговым очертаниям полости. Концентрация напряжений у дефектов такого вида (рис. 3.4) была получена для случая одноосного растяжения с использованием дифференциальных уравнений равновесия, уравнений совместности при определенных граничных условиях и принципа суперпозиции [77].
При определении расчетных параметров ДЦК наибольший интерес вызывает испытание на сжатие для установления класса на осевое сжатие. Полученные уравнения распределения напряжений у круглого отверстия [77] в случае сжимающих напряжений будут отличаться только знаками составляющих напряжений и примут вид (3.2). / в\г=а _.max о о 7Д = —JO Максимальное значение сжимающего напряжения достигается при 9=— и 9 = —, при 9 = 0 и 9 = л, cre=S.
По формулам (3.2) видно, что коэффициент концентрации напряжений не зависит от радиуса пор, но при сохранении общей пористости локальные напряжения будут выше у крупнопористой структуры, а, следовательно, и вероятность появления трещин тоже.
В реальных цементных композициях расход цемента, принятый для обеспечения заданного класса на сжатие, оказывается недостаточным для заполнения цементным камнем всего межзернового пространства, и в композитном материале образуются хаотически расположенные крупные поры (рис. 3.5). Замена этих пор мелкими дисперсно распределенными порами за счет поризации цементного теста воздухововлекающими или пенообразующими добавками позволяет получать композитный материал большей прочности при тех же расходах цемента (рис. 3.6). Это положение на кафедре «Строительные конструкции» УлГТУ широко используется для получения композиций с заданными свойствами при использовании различных исходных материалов [81-86, 87, 88, 89].
Рассмотрим распределение напряжений вокруг сферической полости при одноосном растяжении и сжатии.
Чтобы получить решение этой задачи, необходимо наложить на поле простого растяжения систему напряжений, для которой компоненты напряжений на сферической поверхности равны по величине и противоположны по знаку напряжениям, действующим на сферической поверхности в сплошном растянутом элементе (рис. 3.7). or cos 2 у/ тгу/ = —S siny cosy/
Кроме того, компоненты напряжений должны обращаться в нуль на бесконечности.
Проанализируем напряженное состояние по полученным таким образом формулам [37] для плоскости, проходящей через центр сферической полости Z=0.
Из условия симметрии на этой плоскости нет касательных напряжений. Полное напряжение на плоскости:
Максимальное напряжение на поверхности полости оказывается вдвое больше равномерного растяжения S. Это увеличение напряжений носит локальный характер и с увеличением г быстро приближается к S. Так, для r=2a az = 1,0335". Максимальный коэффициент напряжений при одноосном растяжении у сферической полости оказывается меньше, чем соответствующий коэффициент у цилиндрического отверстия, что не удивительно, т.к. силы, которые должны огибать отверстие, теперь могут «обтекать» его со всех сторон, а не только с двух. Из формулы (3.4) видно, что изменения коэффициента Пуассона несущественно влияет на изменение максимального коэффициента напряжения. При изменении v с 0,1 до 0,3 коэффициент меняется с 1,961 до 2,045. Растягивающее напряжение вдоль экватора ( =-) полости г составляет: _ 1 -3 0 45 "2(7-SiO На полюсах полости (у/ = 0 или у/ = ж) имеем: 3 + 15v _ г в 2(7 -5v) Следовательно, продольное растяжение S вызывает в этих точках сжатие. При центральном сжатии у сферической полости коэффициент концентрации напряжений соответственно получается меньше, чем при центральном растяжении.
Исследование морозостойкости конструкционного поризованного арболита
Определение морозостойкости поризованного арболита производилось в соответствии с ГОСТ 10060.04-95 на стандартных образцах-кубах размером 100x100x100 мм в 28 суточном возрасте. Для определения морозостойкости по потере прочности было изготовлено 6 контрольных и 12 основных образцов оптимального состава С-6 (см. таблицу 4.2) для каждой проверяемой марки морозостойкости.
Контрольные образцы хранились при нормальных условиях в воздушной среде. Испытания на морозостойкость производились в морозильной камере с принудительной вентиляцией и автоматическим регулированием температуры в пределах минус 20±2С. Для высушивания образцов использовался сушильный шкаф с автоматическим регулированием температуры в пределах 40-50С. Образцы насыщались водой при температуре плюс 20±2С в сосуде с деревянной решеткой с уровнем воды, превышающем образцы на 5 см.
Оценка морозостойкости производилась: 1) по потере прочности при сжатии по формуле: А = " "" " 100%, где Ко, Ії-контр - среднее арифметическое значение предела прочности при сжатии контрольных кубов, кг/см ; R0CH - среднее арифметическое значение предела прочности при сжатии основных образцов после испытания на морозостойкость, кг/см . 2) по потере массы: Мх =Hh-fh_mo/0, где тх где Ш] — масса насыщенного водой образца перед испытанием его на морозостойкость, г; тз - масса насыщенного водой образца после испытания его на морозостойкость, г. 3) по степени повреждения образцов через каждые 5 циклов замораживания-оттаивания производилась оценка морозостойкости по сте пени повреждения образцов и через каждые 10 циклов оценка по потере массы и прочности. Результаты испытаний, представленные в таблице 4.4, показали гарантированную марку по морозостойкости F25 для конструкционного поризованного арболита класса В5.
Определение водопоглощения конструкционного поризованного арболита было проведено в соответствии с ГОСТ 12730.3-78 методом насыщения образцов-кубов со стороной 100 мм в воде при температуре 20±2С в течении 48 часов. Водопоглощение образца в процентах по массе вычислялось по формуле: W = —-100%, где m ті — масса насыщенного водой образца, г; т — масса образца, высушенного до постоянной массы, г. Результаты испытаний представлены в таблице 4.5. Водопоглощение конструкционного поризованного арболита класса В5, предназначенного для изготовления балочных образцов, составило 15%, что соответствует требованиям ГОСТ [14]. Преднапряженные плиты из поризованного арболита могут использоваться в покрытиях неотапливаемых чердаков без дополнительного слоя утеплителя. Для расчетов необходимо знать теплопроводность материала.
Теплопроводность строительных материалов и изделий теплопроводностью от 0,02 до 1 Вт/(м-К) оценивается по ГОСТ 7076-87 на образцах 250x250 мм и толщиной от 10 до 50 мм. Погрешность показаний теплопотери в наших опытах, проведенных при участии кафедры ТГВ, зависела от качества подготовки образцов. Образцы должны иметь гладкие, плоские и параллельные поверхности с отклонением толщины образца не более 0,1 мм. Для образцов из арболита такая точность изготовления представляет определенные трудности, и поэтому погрешность показаний колебалась в значительном интервале. В дальнейшем эта методика определения теплопроводности материала была изменена [99].
На кафедре ТГВ УлГТУ была разработана установка, позволяющая получать более стабильные результаты.
На такой установке исследовались теплопроводность оптимального состава (С-6). Для сравнения приведены исследования составов С-4 и С-5.
Образцы исследуемого конструкционного арболита изготавливались путем формовки и имели форму полой полусферы с наружным радиусом 122 мм и внутренним 75мм. Оба образца, соединенные в горизонтальной плоскости, образуют полый шар из исследуемого материала с толщиной стенки 47 мм.
Перед установкой на стенд образцы тщательно шлифовались по разъему для достижения плотного прилегания полусфер одна к другой (рис. 4.7). Схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.8.
С целью получения зависимости коэффициента теплопроводности X (Вт/(м-С)) от средней температуры материала, каждый образец испытывался на нескольких режимах по мощности нагревателя от 15 до 40 Вт.
Исследование потерь предварительного напряжения от усадки и ползучести арболита
Исследование потерь предварительного напряжения от усадки и ползучести арболита Арболит от других бетонов отличается только видом заполнителя и характеристиками структуры. Поэтому при изготовлении конструкции из арболита и его нагружении ему присущи все процессы, происходящие в этот период для подобных конструкций из других бетонов. Различие может проявляться только в количественных показателях потерь напряжения предварительного напряжения от усадки и ползучести арболита. Процесс гидратации цемента сопровождается объемными деформациями сжатия системы — усадки бетона. В зависимости от влажности окружающей среды процесс усадки может продолжается несколько месяцев, но в наибольшей степени проявляется при твердении в естественных условиях в первые три месяца.
При нагружении бетона постоянной нагрузкой наблюдается нарастание неупругих деформаций бетона. Это свойство называют ползучестью бетона. Природа ползучести объясняется вязким течением гелевой составляющей цементного камня.
Ползучесть разделяют на линейную, при которой зависимость между напряжением и деформациями приблизительно линейная и нелинейную. Нелинейную ползучесть отмечают при нагружении, вызывающем напряжение в бетоне выше условной границы его упругой работы. Однако, нелинейная ползучесть бетона отмечается и при небольших нагрузках за счет проявления начальных нелинейных деформаций бетона Єве„. Природа этих деформаций
рассмотрена в 3 главе с позиций формирования дефектов в структуре бетона.
На силовом стенде, одновременно с другими балками, были изготовлены балки для оценки потерь напряжения от ползучести бетона. Предварительное напряжение арматуры класса А-Шв диаметрами 8 и 12мм создавалась электротермическим способом на упоры стенда и контролировалась прибором ЭИН-МГУ.
Для проявления потерь напряжения от релаксации поддон с натянутой арматурой выдерживался до бетонирования в течении 30 дней, после чего был произведен замер напряжений, который составил для различных балок от 381 до 422 МПа.
Передача усилия обжатия проводились постепенно с прогревом стержней и упоров стенда после достижения прочности бетона 6,4-6,8 МПа. Деформации на уровне преднапряженной арматуры замерялись тензодатчиками. Балки хранились в воздушно-сухих условиях при температуре 18-20С с влажностью 100 воздуха 65-77% (рис. 5.1) на стендах (рис. 5.7) в течении 220 суток, с периодическим замером деформаций и выгиба балок.
Ползучесть и усадка арболита развиваются совместно. Для выделения деформаций ползучести арболитаєрІ из суммарных деформаций epl+esl (рис. 5.8) параллельно с опытными балками были изготовлены призмы 15x15x60 см, по которым определялись деформации усадкиesl (рис. 5.9).
Величина потерь напряжения от ползучести бетона зависит от сжимающих напряжений в бетоне в стадии предварительного обжатия в долях от передаточной прочности бетона сг /Л . Напряжение а определяется на уровне центра тяжести растянутой арматуры с учетом потерь по поз. 1-6 табл. 5 [68].
Для легкого бетона классов В7,5-В12,5 СНиП 2.03.01-84 значение вр IКР рекомендует принимать не более 0,30. Ограничение это вызвано возможностью разрушения торцевых участков преднапряженных элементов и развитием продольных трещин на участке передачи напряжений.
Учитывая конструктивное решение преднапряженных плит перекрытий из арболита и их моделей - опытных балок с опорными участками из мелкозернистого бетона класса В15, минимальное значение cr lR было Рис. 5.7 Стеллаж для испытания балок на длительную нагрузку от собственного веса. повышено до 0,53.
Похожие диссертации на Исследование предварительно напряженных изгибаемых конструкций из поризованного арболита
