Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы 10
1.1. Анализ сборно-монолитного метода строительства с применением армоопалубочных блоков 10
1.2. Опыт применения сталефибробетона в строительстве 13
1.3. Анализ характеристики матрицы и дисперсного армирования для изготовления сталефибробетона 15
1.4. Анализ физико-механических характеристик сталефибробетона и экспериментальных методов их определения 19
1.5. Обзор методов расчета конструкций из сталефибробетона 27
1.6. Основные выводы по главе 1 31
2. Экспериментальные исследования влияния параметров дисперсного армирования на прочностные, деформационные и эксплуатационные характеристики сталефибробетона 33
2.1. Программа экспериментальной работы 33
2.2. Прочностные и деформационные характеристики сталефибробетона при осевом сжатии 45
2.3. Экспериментальные зависимости влияния типа фибры и процента армирования на прочностные и деформационные характеристики сталефибробетона при осевом растяжении 62
2.4. Прочность и деформативность сталефибробетонной опалубки в зависимости от параметров армирования при изгибе 75
2.5. Исследование эксплуатационных характеристик сталефибробетона 95
2.6. Основные выводы по главе 2 111
3. Исследование напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций с учетом совместной работы несъемной сталефибробетонной опалубки и бетона 113
3.1. Определение прочности контактной поверхности при осевом растяжении 114
3.2. Анализ совместной работы сталефибробетонной опалубки и бетона в железобетонных конструкциях при изгибе 116
3.3. Экспериментальное сравнение напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов, армированных сталефибробетонной опалубкой и стержневой арматурой при изгибе 126
3.4. Основные выводы по главе 3 129
4. Методика расчета и конструирование несъемной сталефибробетонной опалубкой как несущего конструктивного элемента 131
4.1. Конструирование и расчет несъемной сталефибробетонной опалубки 131
4.1.1. Расчет опалубки на восприятие нагрузок от свежеуложенной бетонной смеси 132
4.1.2. Сталефибробетонная опалубка в качестве конструктивной арматуры 136
4.1.3. Расчет сталефибробетонной опалубки в качестве несущего элемента 139
4.1.4. Учет характеристик сталефибробетона при определении защитного слоя арматуры 140
4.2. Конструирование армоопалубочных блоков с несъемной сталефибробетонной
опалубкой 144
4.2.1. Конструктивное решение армоопалубочных блоков с петлевым стыком 146
4.2.2. Учет характеристик сталефибробетонной опалубки в конструкции армоопалубочных блоков со сварным стыком
4.3. Оценка эффективности сборно-монолитного метода строительства 156
4.4. Основные выводы по главе 4 159
Заключение 160
Список использованных источников и литературы
- Анализ характеристики матрицы и дисперсного армирования для изготовления сталефибробетона
- Экспериментальные зависимости влияния типа фибры и процента армирования на прочностные и деформационные характеристики сталефибробетона при осевом растяжении
- Анализ совместной работы сталефибробетонной опалубки и бетона в железобетонных конструкциях при изгибе
- Расчет опалубки на восприятие нагрузок от свежеуложенной бетонной смеси
Введение к работе
Актуальность исследования. Сокращение сроков возведения зданий и сооружений, повышение качества строительства, обеспечение надежности и долговечности являются одними из основных направлений развития современной строительной отрасли. Особенно это актуально в атомной энергетике России, перед которой поставлена задача сокращения сроков ввода в эксплуатацию энергоблоков АЭС до 35-45 месяцев (вместо 72-96 месяцев) и повышение их надежности в аварийных ситуациях. Решением поставленной задачи является применение сборно-монолитного метода строительства, основанного на использовании ар-моопалубочных блоков, состоящих из арматурного каркаса с жестко прикрепленными листами несъемной сталефибробетонной опалубки. Высокое качество несущих железобетонных элементов, достаточная плотность стыков обеспечивается тем, что армоопалубочные блоки изготавливаются в цехах и монтируются в проектное положение на строительной площадке с последующей укладкой монолитного бетона.
Применение высокопрочной матрицы и стальных волокон позволяют получить ста-лефибробетон с улучшенными физико-механическими характеристиками. Сталефибробе-тонная опалубка, будучи несъемной, включается в совместную работу с несущим железобетонным элементом, что позволяет сократить процент стержневого армирования, усложняющий укладку монолитного бетона.
Все это послужило основанием для выбора темы диссертационного исследования, результаты которого представляются актуальными для расчета и конструирования как промышленных, так и гражданских зданий и сооружений с использованием армоопалубочных блоков с несъемной сталефибробетонной опалубкой.
Степень разработанности темы. Экспериментально-теоретическими исследованиями сталефибробетонов и конструкций с его применением занимались Рабинович Ф.Н., Некрасов В.П., Баженов Ю.М., Карпенко Н.И., Травуш В.И., Пухаренко Ю.П., Морозов В.И., Калашников В.И., Каприелов С.С., Степанова В.Ф., Горбунов И.А., Денисов А.В., Горб А.М., Ивлев М.А., Крылов С.М., Мишина А.В., Волков И.В., Брагов А.М., Войлоков И.А., Бондарев Б.А., Черноусов Р.Н., Безгодов И.М., Талантова К.В., Носков А.С., Бабков В.В., Струго-вец И.Б., Клюев С.В., Лесовик Р.В., Мещерин В.С., Ремнев В.В., Цернант А.А., Антропова Е.А., Иванов В.П., Romualdi J.R., Lau A., Lie T.T., Markovich I., Moyson D., Swamy R.N., Vanderwalle M. и др.
Исследованием совместной работы элементов железобетонных конструкций занимались Холмянский М.М., Почтовик Г.Я., Бочарников А.С., Коротышевский О.В., Крылов С.Б., Красновкий Р.О., Bassam A. и др.
Экспериментальные исследования, опыт проектирования и строительства зданий АЭС Белохина С.Л., Хаютина Ю.Г., Дорфа В.А., Николаева В.Б. и др. показали эффективность применения сборно-монолитной технологии строительства с использованием армо-опалубочных блоков с несъемной опалубкой.
Однако применение сталефибробетона для несъемной опалубки требует решения ряда задач, связанных с определением и прогнозированием характеристик сталефибробетона, а также изучением совместной работы сталефибробетона опалубки и монолитного бетона. Анализ имеющихся сведений о влиянии дисперсного армирования на прочностные характеристики сталефибробетона показывает, что результаты большого числа исследований трудно оценить однозначно, поскольку в экспериментах разных авторов сталефибробетоны имели матрицу различной прочности и состава, а также различные виды фибры. Кроме того испытания проводились на образцах различных типов и размеров, при различных в каждом отдельном случае видах напряженного состояния. Возникает необходимость проведения комплексного исследования влияния дисперсного армирования на расчетные характеристики сталефибробетона с учетом геометрических параметров опалубки (малая толщина).
Научно-техническая гипотеза состоит в том, что несъемная сталефибробетонная опалубка способна выполнять функцию несущего элемента, частично или полностью заменяющего рабочую и конструктивную стержневую арматуру, включая при этом в работу растянутый бетон, а также выполнять функции защитных покрытий, благодаря своей высокой водонепроницаемости, морозостойкости и низкой истираемости.
Цель диссертационной работы является разработка методов расчета и конструирования железобетонных конструкций с учетом характеристик несъемной сталефибробетонной опалубки.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Экспериментально исследовать влияние различных видов стальной фибры и процента ее содержания на прочностные и деформационные характеристики сталефибробетона при различных видах напряженного состояния. Для этого провести комплексные экспериментальные исследования сталефибробетонов с цементно-песчаной матрицей для определения влияния на прочностные, деформационные и эксплуатационные характеристики стале-фибробетона различных видов стальной фибры (отличающихся геометрическими и прочностными характеристиками), и ее содержания (процента армирования), в том числе на:
прочностные характеристики сталефибробетонов при различных видах напряженного состояния - осевом сжатии, осевом растяжении и растяжении при изгибе;
деформационные характеристики сталефибробетона в условиях жесткого и мягкого режимов нагружения при различных видах напряженного состояния;
- эксплуатационные характеристики - воздухо- и водонепроницаемость, морозостой
кость, истираемость, усадку.
-
Исследовать совместную работу несъемной сталефибробетонной опалубки и бетона конструкции для оценки возможности использования ее в качестве несущего конструктивного элемента.
-
На основании проведенных экспериментальных исследований разработать:
методы расчета сталефибробетонной опалубки, в том числе, как несущего элемента заменяющего конструктивную и рабочую стержневую арматуру;
рекомендации о целесообразности применения конкретного вида фибры в конструкциях, работающих при заданных видах напряженного состояния, и по оптимальным значениям процента армирования;
рекомендации по конструированию армоопалубочных блоков с несъемной стале-фибробетонной опалубкой и варианты конструктивных решений.
4. Выполнить технико-экономическое обоснование применения армоопалубочных
блоков при сборно-монолитном виде строительства.
Объектом исследования является несъемная сталефибробетонная опалубка в составе железобетонной конструкции.
Предметом исследования являются: прочностные, деформационные и эксплуатаци
онные характеристики сталефибробетона при основных видах напряженно-
деформированного состояния (осевое сжатие, осевое растяжение, растяжение при изгибе);
совместная работа сталефибробетона опалубки с бетоном в железобетонных конструкциях.
Научная новизна данной работы:
-
Результаты комплексного экспериментального исследования прочностных, деформационных и эксплуатационных характеристик сталефибробетона при разных типах фибры и процентах армирования.
-
Зависимости изменения характеристик полных диаграмм деформирования стале-фибробетона от параметров дисперсного армирования при осевом сжатии, осевом растяжении и растяжении при изгибе.
-
Результаты исследования совместной работы сталефибробетона опалубки, бетона и стержневой арматуры железобетонной конструкции.
-
Методика расчета несъемной сталефибробетонной опалубки с учетом полученных расчетных характеристик.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в возможности использовать зависимости влияния параметров дисперсного армирования на физико-
6
механические характеристики сталефибробетона при различных напряженно-
деформированных состояниях.
На основе проведенных исследований в соответствии с конструктивными решениями АО "Атомэнергопроект" и ЗАО "Институт Оргэнергострой" были сконструированы и изготовлены в натуральную величину фрагменты помещений из армоопалубочных блоков стен и перекрытия одного из зданий АЭС.
Результаты выполненных исследований были использованы АО "Атомэнергопроект" в проекте АЭС ВВЭР–ТОИ, включающем возведение зданий и сооружений из армоопалу-бочных блоков с несъемной сталефибробетонной опалубкой.
Подана и принята Заявка на патент № 2014125887/03(042090) от 26.06.2014 «Способ контроля укладки бетона» 2015 г. Суть ее заключается в том, что близкие акустические характеристики несъемной сталефибробетонной опалубки и укладываемого в нее бетона позволяют оперативно в процессе бетонирования вести контроль качества укладки бетона не-разрушающим ультразвуковым методом, а затем контролировать кинетику набора им прочности.
Методология и методы исследования. Методологической основой экспериментов послужили труды отечественных и зарубежных авторов в области научных исследований сталефибробетонных конструкций, а также гипотезы, принятые в строительной механике, теория упругости, теории дисперсно-армированных бетонов, общепринятые методы статических и динамических расчетов.
Экспериментальные исследования были проведены с использованием средств испытаний и измерений, в том числе:
испытательных машин, позволяющих проводить нагружение с контролем передаваемых на образец усилий и с контролем деформаций, маятниковых копров;
средств измерения деформаций и перемещений (тензорезисторы с регистрирующими устройствами, индикаторы часового типа);
приборов для ультразвуковых измерений;
приборов вакуумного измерения воздухонепроницаемости и установки для определения водонепроницаемости.
Особенностью выполнения экспериментальных работ являлось требование к геометрии образцов. Она в наибольшей степени должна была отвечать конструктивной особенности сталефибробетонной опалубки в виде панелей толщиной, как правило, от 15 до 30 мм.
Проведение и обработка результатов экспериментов были выполнены в соответствии с требованиями и рекомендациями отечественных и зарубежных нормативных документов.
7 Личный вклад автора диссертации заключается в определении актуальности и научной новизны работы, постановке целей и задач исследования, планировании и проведении экспериментальных исследований с последующей обработкой результатов. Автор разработал рекомендации по расчету сталефибробетонной несъемной опалубки, выполнил расчет и конструирование варианта армоопалубочного блока с учетом характеристик опалубки и провел технико-экономическое сравнение применения сборно-монолитной технологии строительства с использованием двух вариантов конструктивных решений армоопалубочных блоков и монолитной технологии.
Положения, выносимые на защиту:
-
комплексная методика выполнения экспериментальных исследований, позволяющая оценить степень влияния нескольких факторов (геометрические и прочностные характеристики фибры, процент армирования, методы нагружения, внешние воздействия и т.п.) на прочностные, деформационные и эксплуатационные характеристики сталефибробетонов с цементно-песчаной матрицей;
-
результаты экспериментальных исследований, их достоверность и анализ, в том числе влияние типа фибры и процента фибрового армирования на прочностные, деформационные и эксплуатационные характеристики сталефибробетона с цементно-песчаной матрицей;
-
предлагаемые методы расчета сталефибробетонной опалубки как несущего элемента армоопалубочного блока;
-
конструктивные решения армоопалубочных блоков с несъемной сталефибробе-тонной опалубкой, учитывающие ее физико-механические характеристики;
-
рекомендации по расчету и проектированию конструкций с несъемной стале-фибробетонной опалубкой.
Степень достоверности и апробация результатов. Степень достоверности полученных данных обеспечивается применением стандартных и нестандартных методов проведения эксперимента с использованием аттестованной испытательной машины и инструментов. Проведенные исследования и расчеты основаны на теориях упругости и пластичности, а также на базовых теориях железобетона. Кроме того полученные результаты сравнивались с результатами решения аналогичных задач российских и зарубежных исследователей. Выводы и результаты работы получили положительную оценку и были внедрены в строительную практику.
Основные положения диссертационной работы доложены на международных научных конференциях "Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании" 2013, 2014 гг., г. Москва; III Всероссийская (II Международная) конференция по бетону
8 и железобетону) "Бетон и железобетон – взгляд в будущее" 2014 г., г. Москва; 17 международной межвузовской научно-практической конференции "Строительство-формирование среды жизнедеятельности" 2014 г., г. Москва; VI научно-техническая конференция молодых ученых атомной отрасли "Команда 2015" 2015 г., г. С.-Петербург; всероссийская научно-практическая конференция "Север России: стратегии и перспективы развития" 2015 г., г. Сургут.
По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных статей, в т.ч. 9 в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Подана и прията Заявка на патент № 2014125887/03(042090) от 26.06.2014 «Способ контроля укладки бетона» 2015 г. авторы Дорф В.А., Красновский Р.О., Капустин Д.Е., Нуриев Р.Р.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 210 страницы машинописного текста, 123 рисунка и 16 таблиц.
Анализ характеристики матрицы и дисперсного армирования для изготовления сталефибробетона
Опыт строительства Балаковской и Запорожской АЭС показал, что при поточной организации строительства удается сократить сроки возведения энергоблока до 4-5 лет. В Японии и США за счет индустриализации и механизации нормативный срок строительства подобных блоков снижен до 3-4 лет. Компания Hitachi утверждает [71], что за счет совершенствования технологии строительно-монтажных работ время на строительство энергоблока можно сократить до 37-43,5 месяцев, то есть, до 3-3,6 лет. В России перспективным проектом, отвечающим данным требованиям, является энергоблок технологии ВВЭР-ТОИ [127], позволяющей сократить срок основного периода его сооружения до 40 месяцев (3,3 года). Технология строительства включает в себя применение особо высокопрочных самоуплотняющихся бетонов (СУБ) класса В80 и выше, композитных материалов, фибробетона, сборного и сборно-монолитного методов строительства.
Однако сборному и отдельным видам сборно-монолитного строительства присущи и определенные недостатки. К ним следует отнести недостаточную гибкость принимаемых объемно-планировочных решений, зависящую от типов и размеров сборных элементов, что, в свою очередь, определяется парком имеющихся достаточно дорогостоящих стальных форм, а также грузоподъемностью кранов и транспортных средств. Кроме того, серьезным недостатком сборной технологии является недостаточная надежность межпанельных стыков, как с точки зрения их прочности при аварийных ситуациях, так и их плотности (воздухо- и водопроницаемости). Вопрос воздухонепроницаемости особенно важен для железобетонных конструкций гермозон АЭС.
Этих недостатков лишен сборно-монолитный метод строительства, основанный на применении армоопалубочных блоков с несъемной опалубкой по ГОСТ Р 52085-2003 [39]. При этом он обеспечивает сокращение сроков строительства за счет параллельного ведения работ по изготовлению на предприятиях строительной индустрии армоопалубочных блоков, полностью готовых к монтажу на объекте строительства и укладке в них бетона. Этот метод позволяет использовать все преимущества монолитного и полносборного строительства и полностью исключить свойственные каждому из этих методов недостатки [44, 45, 70]. Кроме того изготовление армоопалубочных блоков в стационарных условиях на предприятиях стройиндустрии позволяет обеспечивать высокое качество изделий и точность их геометрических размеров [142], а, следовательно, и высокую точность монтажа на объекте, автоматизировать работы по объединению армоопалубочных блоков в объемные элементы помещений. Установка в процессе изго 11 товления армоопалубочных блоков на предприятиях стройиндустрии различного рода проходок и систем коммуникаций (водопровода, канализации, электрики и связи) минимизирует объем выполнения этих работ на объекте.
Применение несъемной опалубки позволяет: - исключить на объекте строительства работы по установке опалубки, а главное, по ее извлечению из помещений после завершения бетонирования; - отказаться от применения лесов; - улучшить условия подачи и обработки бетонной смеси; - улучшить эстетические характеристики сооружения; - вести одновременно с возведением строительных конструкций монтаж крупногабаритного и тяжелого оборудования методом «с открытым верхом». В качестве несъемной опалубки предлагается использовать широкую номенклатуру материалов, которая согласно ГОСТ Р 52085-2003 [39] в большинстве случаев отнесена к «прочим». В гражданском строительстве наибольшее распространение в качестве несъемной опалубки получили: железобетонные предварительно-напряженные плиты, армоцементные панели, гипсокартонные листы, полиуретановые плиты.
При строительстве атомных электростанций в качестве опалубки применяют железобетонные несущие (в АЭС типа РБМК) и самонесущие (в АЭС типа ВВЭР-1000) стеновые панели, стальные листы, а также армоцементные панели.
Основными недостатками несъемной опалубки с использованием гипсокартонных, по-лиуретановых и т.п. плит являются низкие прочностные характеристики, что требует установки большого числа металлических крепежных элементов.
Использование несъемной стальной опалубки приводит к необходимости проведения мероприятий по обеспечению жесткости листов за счет установки дополнительных элементов (анкеров Нельсона, уголков и т.п.), что затрудняет укладку монолитного бетона. Также возникают значительные трудности по уплотнению бетонной смеси и контролю ее укладки, приводящие к необходимости устройства специальных смотровых отверстий.
Железобетонная несъемная опалубка отличается значительным весом и необходимостью применения предварительного напряжения для повышения их жесткости и несущей способности.
Альтернативой приведенным материалам для изготовления несъемной опалубки является сталефибробетон. Имеющийся опыт применения конструкций с несъемной сталефибробе-тонной опалубкой [22, 109] показывает на ее преимущества по сравнению с другими видами опалубок. Эффективность применения сталефибробетона в первую очередь определяется его высокими механическими характеристиками - прочностью на: сжатие до 120 МПа, осевое рас 12 тяжение до 15 МПа, растяжение при изгибе до 40 МПа, модуль упругости до 60 ГПа, что обеспечивает получение высокопрочных конструкций большой жесткости. Кроме того, разрушение высокопрочного сталефибробетона при сжатии не носит хрупкого характера, свойственного высокопрочному и особо высокопрочному бетону, а при изгибе разрушение характеризуется пластичностью, что позволяет повысить значения расчетных напряжений по отношению к нормативным.
Технология изготовления несъемной сталефибробетонной опалубки [46] позволяет получать армоопалубочные блоки разнообразной формы без использования дорогостоящих форм, применяемых при изготовлении сборных железобетонных конструкций.
Принимая во внимание высокие прочностные характеристики сталефибробетона, следует считать целесообразным использование ее не только по прямому ее назначению - восприятие давления укладываемого в конструкцию бетона, но и как несущего элемента, частично или даже полностью заменяющего конструктивную и рабочую стержневую арматуру в железобетонных конструкциях.
Применение же современных особо высокопрочных самоуплотняющихся бетонных смесей в сочетании с несъемной сталефибробетонной опалубкой позволит не только повысить надежность зданий и сооружений АЭС, но также уменьшить расход бетона и увеличить размеры помещений при тех же внешних габаритах здания.
В России исследование сталефибробетона и конструкций из него связано с именем Ф.Н. Рабиновича [107, 108. 109, 110, 111, 112, 113], а методы расчета регламентированы СП 52-104-2006 [130].
Однако, как показал опыт, СП 52-104-2006 требует серьезной переработки. В частности на рынке в настоящее время гораздо больше видов стальной фибры по сравнению с регламентированными СП 52-104-2006, предлагаемые в нем зависимости, ограничивают возможности выполнения расчета содержанием фибры до 1,5 % по объему и классом прочности матрицы до В60. Причем не делается разделения матрицы из мелкозернистого и тяжелого бетона. Кроме того, СП 52-104-2006 регламентирует требования к сталефибробетону по прочности на сжатие и осевое растяжение, а такое понятие, как прочность на растяжение при изгибе, в этом документе отсутствует, в то время как листы опалубки работают, в основном, на изгиб, и этот параметр используется в европейских и американских нормативных документах.
Помимо высоких прочностных характеристик, сталефибробетон обладает высокими эксплуатационными характеристиками - морозостойкостью не менее F1000, водонепроницаемостью не менее W20, ударной вязкостью, превышающей ударную вязкость бетона в 10 и более раз. Эти факторы в СП 52-104-2006 [130] вообще не рассматриваются. Несмотря на тридцатилетний опыт использования сталефибробетона в качестве несъемной опалубки решение некоторых исследовательских и технологических вопросов осталось открытым.
Анализ имеющихся сведений о влиянии дисперсного армирования на прочностные характеристики сталефибробетона показывает, что результаты большого числа исследований трудно оценить однозначно, поскольку в экспериментах разных авторов сталефибробетоны имели матрицу различной прочности и состава, а также с различные виды фибры. Кроме того испытания проводились на образцах различных типов и размеров, при различных в каждом отельном случае видах напряженного состояния. При этом все проводившиеся в нашей стране работы по исследованию физико-механических характеристик сталефибробетона и его использованию в строительстве можно разделить на два периода до 80-хгодов прошлого столетия и после 2000-го года.
Одной из причин такого положения явилось то, что во всем мире в последние 10-15 лет был сделан акцент на применения монолитного бетона с использованием съемной щитовой опалубки. Это привело к снижению индустриальности строительно-монтажных работ и, соответственно, к увеличению примерно в два раза сроков строительства, а также к уменьшению числа исследовательских работ, посвященных сталефибробетону и индустриальным методам строительства. Однако в последнее время в связи с необходимостью сокращения сроков строительства снова проявился интерес к сборно-монолитному методу строительства. Этому также способствовало широкое применение целого спектра материалов, в том числе добавок к бетону, позволяющих получать особо высокопрочный самоуплотняющийся бетон с классом по прочности на сжатие В120 и выше, а также высокопрочной стальной фибры с пределом прочности 2500 МПа и выше.
Экспериментальные зависимости влияния типа фибры и процента армирования на прочностные и деформационные характеристики сталефибробетона при осевом растяжении
Анализ графиков позволяет сделать следующие выводы: - модули упругости и деформаций матрицы и сталефибробетонов с ростом напряжений синхронно растут вплоть до напряжений, соответствующих пределу прочности матрицы на осевое растяжение, а затем синхронно снижаются, практически, до исходных значений; - модули упругости, в зависимости от напряжения и типа фибры, превышают модули деформаций на 13…17 %; - значения модулей полных деформаций сталефибробетонов близки к модулям матрицы, за исключением сталефибробетонов с высокопрочной фиброй ФСП-В 150.3, которые в зависимости от процента армирования превышают модули матрицы на 17… 50 %; - отношения полных модулей деформаций к модулям упругости у матрицы составляют, примерно, 0,90, а у сталефибробетонов - 0,85.
Такой характер изменения модулей упругости и полных деформаций можно объяснить тем, что практически с начала нагружения за счет образования микротрещин в матрице усилия с нее постепенно передаются на волокна фибры, в результате чего модули растут. За счет лучшего сцепления матрицей тонких волокон высокопрочной фибры ФСП-В 150.3 и волокон фибры Нагех 321.2 с анкерами они полнее включаются в работу. Этим и объясняется влияние процента армирования на рост модулей, особенно, в случае фибры ФСП-В 150.3. После же достижения матрицей предела прочности на растяжение начинается процесс выдергивания волокон фибры из матрицы, в связи с чем модули снижаются.
Практически синхронное изменение модулей упругости и модулей деформаций можно объяснить явлением быстро натекающей ползучести в матрице, которое в одинаковой степени проявляется как при росте напряжений, так и при их снижении.
Прочность и деформативность при изгибе, наравне с трещиностойкостью, являются важнейшими показателями сталефибробетона, характеризующими эффективность его применения при изготовлении строительных конструкций [159], особенно тонкостенных, к которым относится несъемная сталефибробетонная опалубка.
Исследования при изгибе проводили на вырезанных из плит образцах-пластинах размером 300x60x30 мм и 240x60x20 мм.
При испытании образец нагружали двумя силами, приложенными в третях пролета. Испытания проводили с контролем усилий и с контролем перемещений. В процессе испытаний измеряли: - прогиб образцов в середине пролета при нагружении с контролем усилий и контролем деформаций (Рисунок 2.37), Рисунок 2.37 - Измерение прогиба образца в середине пролета при испытании на изгиб - деформацию растянутого волокна образца при нагружении с контролем деформаций (Рисунок П2. 14). Рисунок 2.38 - Измерение деформаций тензорезистором на нижней поверхности образца испытании на изгиб Разрушение образцов при обеих схемах нагружения, независимо от процента армирования и вида фибры, сопровождалось образованием при достижении максимальной нагрузки на участке между грузами одной трещины с раскрытием 0,2…0,3 мм (Рисунок 2.39). Однако образец не разделялся на части. Для разделения образца (Рисунок 2.40) необходимо было приложить значительное усилие, которое рассматривалось, как «остаточная прочность»
На основе испытаний с контролем перемещений были построены диаграммы деформирования - (Рисунок П2. 14), позволяющие оценить упругие и пластические характеристики сталефибробетонов, используемые при назначении коэффициента надежности по материалу, а также остаточной прочности. При этом деформация измерялась с помощью тензоре-зисторов, наклеенных на растянутую поверхность образца, а напряжения определялись по упругой модели (Рисунок 1.4) из фактически прикладываемой к образцу нагрузки.
Анализ диаграммы деформирования - (Рисунок П2. 14) показал, что визуально они существенно зависят от вида фибры и процента армирования.
На восходящей ветви диаграмм имеются два участка, существенно, отличающиеся углами их наклона к оси деформаций. Первый участок линейный, конец которого определяет пределы пропорциональности, соответственно, . и .. Второй участок - существенно нели 78 нейный. Его конец рассматривается как предел прочности на растяжение при изгибе Rtf = tf.max, и соответствующая ему деформация обозначаются єатах. На нисходящей ветви диаграмм можно выделить: - максимальные зарегистрированные в процессе испытаний деформации, соответствующие ее концу Etf.max, и напряжения, зарегистрированные в момент разрушения, определяемые как «остаточная прочность» Gtf.max; - деформации нисходящей ветви Д = Etf.max etf.amax. C целью оценки влияния вида фибры и процента фибрового армирования на значения деформаций и напряжений в характерных точках диаграмм были построены графики их зависимостей от процента армирования (Рисунок 2.41, Рисунок 2.42, Рисунок 2.43, Рисунок 2.44, Рисунок 2.45, Рисунок 2.46). Анализ полученных данных позволил сделать следующие выводы.
Абсолютные значения деформаций t/.p,соответствующие пределу пропорциональности, примерно, в два раза превышают их предельные деформации при осевом растяжении (Таблица П1. 4, Таблица П1. 7). Это можно объяснить поддерживающим действием вышележащих волокон, которые препятствую развитию микротрещин, возникших в наиболее растянутом волокне при изгибе [82]. Абсолютные значения деформаций s.tjv, соответствующие пределу пропорциональности, с ростом процента армирования \ijv (Рисунок 2.41): - изменяются практически по одному и тому же закону для сталефибробетонов со всеми рассматриваемыми типами фибры; - так же, как и при осевом сжатии и растяжении, при росте фибрового армирования от 0 до 1,5 % имеет место неоднозначный характер изменения деформаций; - при содержании фибры более 1,5 % абсолютные значения деформаций предела пропорциональности: выше у сталефибробетонов на фибре с высокопрочными тонкими волокнами (ФСП-А 300.3, ФСП-В 150.3), к которым относительно близкие значения имеет сталефибробетон с волокнами, резаными из листа (ФСЛ 400.8); существенно ниже у сталефибробетона с волнистыми волокнами большого диаметра (ФСЛ 400.8).
Анализ совместной работы сталефибробетонной опалубки и бетона в железобетонных конструкциях при изгибе
При испытании с целью определения возможного нарушения сцепления фибробетонно-го листа с бетоном измеряли (Рисунок 3.3, Рисунок 3.4): - прогиб балки в середине пролета; - деформации по высоте балки в трех сечениях (в середине пролета и на опорах; - скорость распространения ультразвука при сквозном прозвучивании поперек балки в середине пролета и около опор. Изменение диаграммы "нагрузка-прогиб" характеризует изменение жесткости балки, поэтому нарушение сцепления листа сталефибробетонной опалубки с бетоном может отразиться на траектории диаграммы.
С помощью тензорезисторов, наклеенных в нескольких сечениях по высоте балки, можно выявить момент нарушения закона плоских сечений при отрыве листа сталефибробетонной опалубки от бетона, в результате чего балка перестает работать как единый изгибаемый элемент.
Измерение скорости прохождения ультразвука по вертикальным трассам позволяет выявить образование горизонтальных трещин в зоне отрыва сталефибробетонного листа.
Прогиб измеряли индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм.
Деформации измеряли тензорезисторами с базой 100 мм с точностью 1-10" . В каждом сечении тензорезисторы наклеивали на нижнюю наиболее растянутую грань сталефибробетонного листа, на верхнюю наиболее сжатую грань бетона, а также на боковые грани вблизи зоны контакта сталефибробетона с бетоном и на середине высоты балки.
Время прохождения ультразвука измеряли на частоте 60 кГц с точностью до 0,1 мкс. Трассы измерения времени распространения ультразвука были размешены в середине пролета, где отрыв листа опалубки со сдвигом маловероятен из-за отсутствия касательных напряжений и около опор, где действуют наибольшие касательные напряжения. Ультразвуковые преобразователи закрепляли на образце с помощью силиконовой пасты, которая одновременно выполняла функцию акустического контактного слоя между излучателями и поверхностью бетона.
Балку нагружали двумя грузами, расположенными в третях пролета. Вероятную разрушающую нагрузку F/2 находили из изгибающего момента Мп, рассчитываемого по СП 52-101-2003 как для изгибаемых элементов с ненапрягаемой арматурой, функции которой выполнял лист несъемной сталефибробетонной опалубки. При этом изгибающий момент определяется по формуле:
Согласно полученным нормативным характеристикам монолитного бетона и стале-фибробетонной опалубки контрольная нагрузка при испытании по приведенной схеме нагру-жения составляет для балок первой серии - 3640 кгс, а для балок второй серии - 3620 кгс.
Прочность контакта между монолитным бетоном и сталефибробетоном опалубки можно рассчитать, воспользовавшись рекомендациями по усилению железобетонных конструкций, согласно которых предварительно определяют касательные напряжения, действующие в области сдвига по формуле:
В случае работы балки на изгиб напряжения т5 и тк приравнивают к нулю. Сопротивление за счет сцепления и механического зацепления определяется по формуле: ТдГ = к1ш к2- Rbt.mon (3.8) где кг - характеристика поверхности контакта, принимаем 1.3, к2 - характеристика поперечного армирования, Rbt.mon - прочность монолитного бетона на растяжение, Мпа. Сопротивление за счет трения определяется по формуле: т = к1- Оу (39) где Оу - напряжение в плоскости, перпендикулярной плоскости сдвига, возникающее от действия поперечных сил на участке сдвига и обжатия предварительно напряженными хомутами.
В нашем случае предварительно-напряженные хомуты отсутствуют, но схема испытания балки на изгиб предполагает возникновение усилий обжатия опалубки и монолитного бетона от поперечных сил. Исходя из предварительно расчета максимального изгибающего момента (Muit) для балки с бетоном большей прочности определяем поперечную силу, действующую в приопорных частях балки: прочность монолитного бетона на растяжение по результатам эксперимента, Мпа. При испытаниях нагрузку на образец передавали ступенями, составляющими, примерно, 10 % от ожидаемой разрушающей нагрузки, вплоть до наступления разрушения. На каждой ступени нагружения: - проводили осмотр балок в растянутой зоне с целью обнаружения трещин; - измеряли прогиб, деформации и время прохождения ультразвука. Испытания балок показали, что: - значения разрушающей нагрузки, определенные с учетом работы сталефибробетонно-го листа в качестве растянутой арматуры, соответствовали полученным в эксперименте с погрешностью не более 5 %; - до разрушения балки трещины в растянутой зоне визуально не были обнаружены; - разрушение всегда носило хрупкий характер с образованием одной вертикальной трещины разрушения в зоне наибольшего изгибающего момента, пересекавшей лист несъемной сталефибробетонной опалубки и переходившей в бетон (Рисунок 3.5); - в трещине разрушения волокна высокопрочной волнистой фибры ФСП-В 150.3 вытянулись и выдернулись из цементно-песчаной матрицы (Рисунок 3.6). Рисунок 3.5 - Трещина разрушения Рисунок 3.6 – Разрушение листа сталефибробетонной опалубки в растянутой зоне балки Измерение длины волокон фибры в зоне разрушения показало, что примерно 65 % волокон имеет длину 4…7 мм (т.е. 1/4 -1/2 от полной длины волокна 15 мм), 20 % - длину 8…10 мм и 12 % - длину 3…4 мм. Это позволяет сделать вывод, что основная масса волокон при разрушении сталефибробетона выдергивается.
Расчет опалубки на восприятие нагрузок от свежеуложенной бетонной смеси
Согласно п. 4.1.2.9 ГОСТ 52085-2003 [39] несъемная опалубка может быть включена в расчетное сечение конструкции и обладать специальными свойствами. Согласно таблице А.1 этого стандарта несъемная опалубка может применяться создания гидроизоляции, облицовки, утепления, внешнего армирования и др. Однако в таблице Б.1 при перечислении материалов, из которых могут быть изготовлены несущие и формообразующие элементы опалубки, не указан фибробетон, который, однако, может быть отнесен к числу «прочих» материалов.
Анализ литературных данных и проведенные нами экспериментальные исследования показали, что наиболее целесообразно для несъемной опалубки применять сталефибробетонные листы, которые могут выполнять следующие функции: - опалубки на стадии возведения бетонных и железобетонных конструкций; - элемента жесткости и несущего элемента на стадии изготовления, транспортирования и монтажа армоопалубочных блоков при сборно-монолитном методе строительства; - несущего элемента бетонных и железобетонных конструкций на стадии их эксплуатации; - защитного слоя в железобетонных конструкциях на стадии эксплуатации; - защитного антикоррозионного покрытия железобетонных конструкций на стадии эксплуатации.
Лист сталефибробетонной опалубки удерживается в проектном положении с помощью стальных стержней - стяжек, устанавливаемых, в зависимости от конструктивных решений арматурных каркасов и прочностных и деформационных характеристик листов опалубки. При расчете сталефибробетонных листов стяжки рассматривают как опоры. . Листы опалубки, в зависимости от типа бетонируемой конструкции, могут быть расположены в вертикальной (стены, колонны) и горизонтальной (перекрытия) плоскости. Это определяет характер передаваемой на них нагрузки.
При расчете из консервативных соображений, а также из того, что диаграмма деформирования сталефибробетона при изгибе при эксплуатационной нагрузке практически линейна, многопролетные балки можно рассматривать как упругие.
Как показал опыт конструирования армоопалубочных блоков, стяжки, представляющие собой опоры неразрезных балок, из конструктивных условий, могут быть расположены на расстоянии от 500 до 1000 мм с модульным шагом 250 мм.
В случае применения армоопалубочных блоков и самоуплотняющейся бетонной смеси, укладываемой бетононасосами, вес арматуры, транспортных средств, рабочих и дополнительную нагрузку от виброуплотнения не учитывают, т.к. опалубку крепят на несущий арматурный каркас, который воспринимает эти нагрузки.
Высота укладываемого слоя бетона в общем случае зависит от толщины перекрытия и толщины укладываемого слоя бетона, определяемого применяемой технологией бетонирования. В среднем, толщину перекрытий для обстройки реакторного отделения проекта ВВЭР-ТОИ можно принять равной 400 мм. Это же значение можно принять и в случае большей толщины перекрытия, исходя из технологии бетонирования слоями, не более чем по 500 мм.
При укладке самоуплотняющейся бетонной смеси толщина слоя, обеспечивающего возможность удаления из нее воздуха, защемленного при ее приготовлении, транспортировании и укладке, не должна превышать 200 мм. С учетом производительности бетононасоса и радиуса его действия толщина не схватившегося слоя бетонной смеси, который обладает свойствами жидкости, не превышает 500 мм. Эти определяет характер расположения нагрузки в пролете балки и значения, возникающих в ней моментов и опорных реакций.
Поскольку у цементных бетонов предел прочности на растяжение меньше, чем на сжатие, то при изгибе разрушение происходит в растянутой зоне. При этом сжатая зона работает в упругой стадии и имеет треугольную форму, а растянутая – в пластической стадии и имеет прямоугольную форму (Рисунок 4.1).
Упругопластическая модель работы материала при изгибе В связи с этим было введено понятие прочности на растяжение при изгибе , которое учитывает пластический характер деформирования и разрушения при растяжении, аналогично тому, как это было принято в СНиП II-В.1-62 для сжатой зоны железобетонных конструкций. В настоящее время в международных нормативных документах EN 1992-2 Eurocode 2 [181] вели 133 чина Rbtf используется для расчета сталефибробетонных конструкций. Ее значения находят из полной диаграммы «нагрузка-раскрытие трещины» при испытании с контролем перемещения по EN 14651:2005+A1:2007 [177] стандартных балочек 150150600 мм с надрезом в середине пролета.
Как известно, для бетонов прочность на растяжение при изгибе Rbtf может быть больше прочности на осевое t растяжение i?j,t в 1,7-2,4 раза. В ГОСТ 10180-2012 [36] этот коэффициент принят постоянным и равным двум. При высокопрочной цементно-песчаной матрице превышение составляет 2,4 раза, а для сталефибробетонов, в зависимости от процента армирования, достигало 5 раз.
При расчете сталефибробетонных изгибаемых элементов разница между значениями внутреннего момента Ме, найденного для упругой модели (Рисунок 4.2 а), и момента Мр найденного для пластической модели (Рисунок 4.2 б), практически линейно сокращается до нуля (Рисунок 4.3), когда процент армирования достигает 6,0 % [47]. Таким образом, по мере увеличения процента армирования сталефибробетон постепенно приобретает свойства железобетона, как это принято в СП 52-104-2003 [130].