Введение к работе
Актуальность работы. Получение высокосортной строительной продукции в современных условиях возможно в основном путем использования эффективных материалов и передовых технологий.
Большой удельный вес железобетона в общем объеме производства строительных конструкций выдвигает на передний план проблемы, связанные с его качественным изготовлением и надежной эксплуатацией.
Повсеместно применяемый в настоящее, время бетон на основе портландцемента является одним из основных строительных материалов и по праву занял ведущее место в монолитном и сборном железобетоне. Однако усадочные деформации, сопровождающие твердение портландцемента, и изменение температурно-влажностных условий эксплуатации вынуждают принимать дополнительные меры для повышения трещиностойкости, водонепроницаемости, морозостойкости, коррозионной стойкости и других важных технических, товарных и эксплуатационных свойств железобетонных конструкций.
В результате многолетних исследований, проведенных отечественными и зарубежными учеными, получен результат, в значительной мере устраняющий последствия усадочных деформаций в бетоне. Был создан новый вид вяжущих, которые, в отличие от традиционного цемента, в процессе твердения увеличиваются в объеме. Эти вяжущие могут быть объединены в одну группу под названием "Расширяющие цементы" (РЦ). РЦ предназначены для создания в бетоне деформаций расширения, в частности, превышающих деформации усадки, что позволяет получать в железобетоне самонапряжение. Исследования, выполненные В.В.Михайловым и его коллегами, создали теоретические и практические предпосылки, позволившие получить бетоны на РЦ с регулируемым (в соответствии с за-
4 ранее заданными параметрами) расширением. Практический опыт применения бетонов с регулируемым расширением в монолитных и сборных железобетонных сооружениях жилого, гражданского, промышленного строительства и машиностроения показал, что во многих случаях использование таких бетонов дает возможность получать конструкции, которые превосходят по своим техническим, эксплуатационным и экономическим характеристикам аналогичные железобетонные конструкции из бетонов на портландцементе. Это связано с тем, что бетоны на РЦ отличаются от бетонов на портландцементе повышенным сопротивлением растяжению, лучшей трещиностойкостью, морозостойкостью, водонепроницаемостью и коррозионной стойкостью.
Бетоны на РЦ условно могут быть разделены на две основныв группы; бета; ны напрягающие и бетоны с компенсированной усадкой. Их отличие заключается в том, что составы напрягающих бетонов подбираются из условия получения максимальной величины самонапряжения. В этом случае расход РЦ в бетоне оказывается существенно большим, чем того требовало бы условие обеспечения необходимой прочности. Состав же бетона с компенсированной усадкой подбирается по традиционной' методике. Расход РЦ в нем определяется требуемой прочностью и, как правило, ниже, чем в напрягающем бетоне. Отсюда заметная разница в физико-механических и деформационных свойствах напрягающих бетонов и бетонов с компенсированной усадкой. При этом следует иметь в виду, что при проектировании конструкций из напрягающих бетонов обязательно нормируется и учитывается в расчетах величина самонапряжения. При проектировании конструкций из бетонов с компенсированной усадкой величина самонапряжения не нормируется и в расчетах ее можно не учитывать» или учитынять» по сЬэк-rv *(-пи она м'чйрртня
Для большинства железобетонных конструкций самонапряжение не является
обязательным. В таких случаях целесообразно использовать бетоны с компенсированной усадкой, для чего необходимо знать их расчетные и эксплуатационные характеристики, которые зависят от расширения цементной матрицы при твердении.
В основу работы положена гипотеза о том, что прогнозирование и учет на стадии проектирования железобетонных конструкций процессов, вызывающих деформации расширения цементного камня, позволят создать железобетон с повышенной способностью сопротивляться комплексу силовых и несиловых воздействий в условиях изготовления и эксплуатации.
Целью работы является развитие научных представлений и разработка практических рекомендаций по управлению и способам учета уровня собственных деформаций (напряжений) в структуре бетона и в железобетоне на расширяющих цементах на базе результатов экспериментально-теоретических исследований прочности, . трещиностойкости и деформаций бетона, а также напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций при различных схемах силовых (изгиб, внецентренное растяжение) и несиловых (температурно-влажностные) воздействий.
В представленной работе автор защищает:
- обобщенные данные о видах и составах РЦ и расширяющих добавках (РД)
к цементам, области их наиболее эффективного использования и техноло
гии практического применения;
-наиболее рациональные составы бетонов на РЦ и оптимальные режимы ихтепловлажностной обработки;
- результаты комплексных исследований прочности и деформаций бетонов
на РЦ при кратковременном и длительном статическом нагружении, а так
же при стационарных и переменных темпёратурно-влажностных воздей-
6 ствиях;
результаты равновесных механических испытаний, полные диаграммы деформирования, силовые и энергетические характеристики свойств бетона наРЦ;
предложения по основным физико-механическим показателям свойств бетонов на РЦ, необходимым для расчета конструкций;
методику и результаты экспериментальных исследований внецентренно-растянутых железобетонных элементов при одностороннем воздействии воды, температуры и продольной растягивающей силы;
-предложения по технологии изготовления двухосно преднапряженных ребер и полок плит длиной на "пропет здания;
- результаты экспериментальных исследований железобетонных предвари
тельно напряженных изгибаемых тавровых элементов, пустотных панелей,
складчатых плит безрулонных крыш, плит - оболочек, обосновывающие
предложенные методы расчета;
- обобщенную методологию определения напряженно-деформированного
состояния изгибаемых и внецентренно-раотянутых железобетонных
элементов из бетонов на РЦ, испытывающих совместные силовые и
температурно-влажностные воздействия.
Научную новизну работы составляет комплексное решение проблемы применения в строительстве железобетонных конструкций из бетонов на РЦ в ее полном цикле от составов РЦ и технологии бетонов на их основе, до расчета, проектирования, изготовления и праетического применения широкого ассортимента конструкций, включающее в себя:
- обобщенные теоретические, физические и химические данные о поведении
бетонов на РЦ при различных режимах темперагурно-влажностных воздействий окружающей среды;
новые данные о механизме фазовых переходов эттрингита в цементном камне из расширяющего цемента при колебаниях температуры и влажности окружающей среды;
специальные режимы тепловлажностной обработки бетонов на РЦ в зависимости от требуемых прочности и величины расширения;
-новые данные о собственных напряжениях в структуре бетонов, полученные полностью равновесными методами их испытания;
- экспериментальные данные о влиянии различных сред на прочность, мо
дуль упругости, ползучесть, усадку и набухание бетонов на РЦ;
-полученные опытным путем значения модуля упругости, предельной деформативности, границ трещинообразования и коэффициента набухания бетонов на РЦ;
предложения по эффеетивной технологии создания предварительно-напряженных конструкций из бетонов на РЦ;
данные о влиянии одностороннего воздействия холодной и горячей воды на прочность и жесткость внецентренно-растянутых железобетонных элементов из бетона на РЦ;
расчетные и экспериментальные данные о распределении деформаций по ширине полок тавровых и двутавровых изгибаемых элементов;
экспериментальные данные и методика учета особенностей бетонов на РЦ при расчете железобетонных изгибаемых элементов тавровых сечений: пустотных настилов, плит безрулонных крыш и крупноразмерных плит--оболочек.
Достоверность полученных результатов обеспечена тем, что экспериментальные исследования физико-механических свойств бетонов на РЦ, а также испытания лабораторных образцов и натурных конструкций выполнены на основе современных методик, а их надежность оценена вероятностно-статистическими методами.
Практическое значение работы заключается в том, что
бетоны на РЦ использованы при сооружении стадионов, бассейнов, резервуаров, полов, дорог и эксплуатируемых кровель, а также в промышленности сборного железобетона для изготовления различных преднапря-женных конструкций;
в результате выполненных экспериментально-теоретических исследова -НИИ разработаны предложения по технологии изготовления железобетонных конструкций из бетонов на РЦ, рекомендованы их расчетные, прочностные и деформационные характеристики при кратковременном и длительном действии силовых нагрузок, предложены методы расчета изгибаемых и внецентренно-растянутых элементов по первой и второй группам предельных состояний;
технология изготовления конструкций реализована на заводах промышленности сборного железобетона общим объемом около 4,8 млн. м3;
результаты исследований использованы при подготовке СНиП и Пособий
к СНиП, технических условий на цемент, бетоны и изделия, а также рекомендаций, технологических регламентов и рабочих чертежей конструкций;
- полученные результаты дополняют данные, используемые при преподава
нии в вузах темы о расширяющихся бетонах и конструкциях на их основе.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались
9 на XXIIl и XXIV Международных конференциях по бетону и железобетону в мае
1991 г. и в марте 1992 г., на научном семинаре "Опыт и перспективы применения бетонов на напрягающем цементе s строительстве" а 1992 г. в Москве, на симпозиуме ФИП в Киото (Япония) в 1993 г., на конгрессе "Бетон на службе человечества" в Данди (Англия) в 1996 г., а также на секциях НТС и на технических совещаниях НИИЖБв1980-1995гг.
Работа выполнялась в период с 1977г. по 1995 г. в лаборатории непрерывно армированных, самонапряженных конструкций и труб НИИЖБ Минстроя РФ в рамках ряда программ государственного и отраслевого уровней. Результаты неоднократно представлялись на различных научно-технических выставках, а в 1989 г. автор был награжден Серебряной медалью ВДНХ. Положения диссертационной работы основываются на результатах экспериментальных исследований, проведенных самим автором или выполненных пйд ёгб непосредственным руководством (к.т.н. А.Б.Сорокин, к.т:н. И.А.Матюнина), а также при его участии (к.т.н. К.Н.Таникин, к.г.к. С.Э.Абдурахманов).
Публикация. Результаты выполненных по теме диссертации исследований опубликованы' в 32 работах, включая семь авторских свидетельств и' патентов на изобретения, а также материалы научных конференций и семинаров.
Диссертация состоит из введения, семи глаз, заключения и списка литературы из 414 наименований и изложена на 403 страницах, в том числе 203 страницы машинописного текста, 58 таблиц, 115 рисунков.
Автор благодарит Б.В. Гусева за'помощь, оказанную при постановке и выполнении исследований, связанных с технологией изготовления конструкций из двухосно-напряженных пластин, и за ценные замечания, сделанные по работе в целом.
Расширяющие вяжущие в течение длительного времени являются предметом настойчивого поиска исследователей. Первые упоминания о них появились а 80-х годах XIX века. Большое число расширяющих композиций было предложено в период с 30-х гадов нынешнего столетия.
Большая часть известных расширяющих композиций основана на образовании в твердеющем цементном камне расширяющихся фаз в виде кристаллов гидро-супьфоалюмината кальция - эттрингита, кристаллизация которого сопровождается увеличением объема твердой фазы в 2,2-^2,6 раза.
Наибольшее распространение в практике строительства получили РЦ на так называемой сульфоалюминатной основе. Способы получения таких цементов сводятся в основном к совместному помолу клинкера портландцемента и расширяющего компонента, в качестве которого используются обычно смеси алюминатной составляющей и гипса, иногда с добавлением извести. Могут применяться и другие более сложные композиции.
Значительно меньшая часть известных составов расширяющих композиций основана на использовании в качестве расширяющего компонента окисных добавок СаО и МдО.
Исследования, проведенные В.В.Михайловым, позволили уже в 1942 г. сформулировать существо предложения по созданию одного из наиболее удачных видов РЦ - напрягающего цемента (НЦ). В 1953 г. В.В.Михайловым, С.Л.Литвером и А.Н.Поповым был предложен способ получения трехкомпонентного НЦ.
Исследования по созданию РЦ, в котором в качестве расширяющего компонента используется сульфоалюминатный клинкер, были проведены под руководством Т.В.Кузнецовой.
Поиску расширяющих цементов также посвятили свои работы И.В.Кравченко, А.Е.Шейкин, К.С.Кугателадзе, Т.Г.Габададзв, В.С.Данюшевский, Ф.М.Фридман, зарубежные исследователи A.KIein, F.Kell, T.Kawano и многие другие.
Кроме применения РЦ заводского изготовления в практике строительства используют расширяющие составы, получаемые путем механического смешивания портландцемента и расширяющей добавки (РД). Этот способ имеет то преимущество, что РД можно вводить в смесь непосредственно на строительной площадке при приготовлении бетона. Наиболее крупными производителями РД на сегодняшний день являются США и Япония.
Применяемые в настоящее время РД можно условно разделить на следующие группы: алюминатно-сульфатные, алюминатно-оксидные и оксидные. Основными компонентами добавок алюминатно-сульфатной группы являются различные алюмосодержащие фазы и фазы с сульфат ионами, которые взаимодействуют с клинкерными составляющими и образуют эттриншт.
Добавки алюминатно-оксидной группы наряду с компонентами, несущими ионы АІ*3.и S04'2, содержат некоторое количество свободного оксида кальция (СаОс). Расширение цементов с РД этой группы происходит не только вследствие образозания эттрингита, но и в результате гидратации СаОс,.
Добавки оксидной группы содержат в значительных количествах свободный оксид кальция или свободный оксид магния (МдОс).
В результате теоретических исследований и многочисленных экспериментов была сформулирована базовая концепция получения РД, в том числе на основе местного сырья ряда регионов России.
В качестве сырья для РД, кроме природных материалов, могут служить отходы металлургической и топливно-энергетической промышленности, горнообогати-
тельных, керамических и химических производств. Правильно подобранные исходные компоненты позволяют получать РД, обеспечивающие бетону те же характеристики, что и РЦ заводского изготовления (табл.1).
Таблица 1. Характеристики бетонов на основе РД, полученных из различного сырья
Для широкого практического применения РД требуется всесторонне исследовать механизм их действия и стабильность свойств получаемого бетона, а также классифицировать РД по назначению и областям применения.
Известен ряд гипотез и представлений о механизме и причинах расширения цемента при твердении. В частности считается, что в условиях насыщенного раствора Са(ОН)2 эттрингит кристаллизуется топохимически на поверхности исходных
13 зерен алюминатов кальция (из-за отсутствия Al20j в жидкой фазе), вызывая внутренние напряжения в формирующейся структуре цементного камня. Кристаллизация эттрингита в свободном пространстве между частицами вещества не вызывает расширения. Такая точка зрения на механизм расширения твердеющего РЦ согласуется с нашими представлениями о локализованном на поверхности исходных частиц выделении эттрингита, как необходимом условии получения эффекта расширения.
Несмотря на многочисленные исследования, в вопросе о механизме расширения до сих пор нет единого мнения. Так, многие из зарубежных исследователей при объяснении механизма расширения предполагают топохимическую реакцию образования эттрингита, не приводя, однако, доказательств протекания такой реакции. С другой стороны, экспериментальным путем и кинетическими расчетами было показано, что гидратация вяжущих веществ, в том числе и реакция образования эттрингита, протекает по кристаллизационной схеме через растворение метастабильных исходных фаз и выкристалпизовывание из пересыщенных растворов гидратных соединений, термодинамически устойчивых в данных условиях.
Ни в одной из известных работ не рассматривается качественная сторона процесса расширения, мало внимания уделено вопросам механики, в частности изучению собственных напряжений, возникающих в процессе твердения РЦ.
Применение бетонов на РЦ в монолитных и сборных железобетонных конструкциях дает ряд преимуществ по сравнению с бетонами на портландцементе.
Бетоны на РЦ в преднапряженных конструкциях массового строительства позволяют избавиться в них от технологических трещин. Расход РЦ в этих случаях определяют из условия требуемой прочности бетона. При этом расход РЦ меньше, чем был бы расход портландцемента. Самонапряжение не учитывается, но дефор-
14 мации расширения бетона по величине больше деформаций его усадки. Вместе с
тем, бетон имеет все положительные качества, присущие бетонам на РЦ: повышенное сопротивление растяжению, водонепроницаемость, долговечность и др.
Производство сборных железобетонных конструкций, как правило, сопровождается их тепловлажностной обработкой. В результате усадки и неравномерных температурных деформаций в таких конструкциях часто возникают трещины еще на стадии изготовления. Естественно, эти изделия в эксплуатации менее надежны и долговечны. Избежать технологических дефектов позволяет применение РЦ. Исследования показали, что бетон на основе РЦ, прошедший тепловлажностную обработку, сохраняет свои специфические свойства и лучше выдерживает технологические нагрузки.
- Опыт использования бетона на РЦ в наиболее массовых конструкциях - плитах пустотного настила - показал, что высокие физико-механические свойства такого бетона позволяют существенно сократить, а в ряде случаев и отказаться от применения конструктивной арматуры при сохранении тех же геометрических размеров и эксплуатационных характеристик конструкции.
Широкое применение в практике строительства нашли предварительно напряженные плиты из бетона на РЦ для безрулонных крыш жилых зданий. Затем появились уникальные конструкции из тонких пластин для облицовки русел каналов, элзментов висячих покрытий и составных плит на пролет здания. Благодаря применению бетона на РЦ совместно с предварительным напряжением, обеспечивается высокая гибкость .таких пластин без образования трещин.
Опыт применения бетонов на РЦ в метростроении показал их высокую эффективность для строительства объектов в подземном пройтранстве.
В полной мере преимущества бетона на РЦ реализуются в сборно-
15 монолитных покрытиях большой протяженности, где эффект расширения дает возможность в 4 - 5 раз уменьшить количество деформационных швов и обеспечивает их надежность. Накоплен большой практический опыт применения РЦ в спортивных сооружениях, в полах различного назначения, в лечебно-оздоровительных и банно-прачечных комплексах, в бассейнах, в сантехкабинах и др.
Эффективность и области применения бетонов на РЦ весьма велики, но на практике конструктивные решения не всегда получаются максимально экономичными, так как разрабатываются без учета напряженно-деформированного состояния материала от совместных внутренних и внешних воздействий. Этот вопрос требует более глубокой проработки с учетом изменения прочности и деформативности бетона на РЦ в конкретных эксплуатационных условиях.
Основным документом, которым сегодня руководствуются при расчете деформаций и напряжений в конструкциях от вынужденного расширения структуры бетона на РЦ, является Пособие по проектированию самонапряженных железобетонных конструкций (к СНиП 2.03.01-84) - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986 г. В соответствии с этим документом расчет величины напряжений от расширения основывается на том, что в железобетонных конструкциях арматура препятствует
расширению бетона и в нем возникают сжимающие напряжения Свр, величина которых зависит от расхода РЦ назначаемого в соответствии с требуемым расчетным самонапряжением бетона R„3, коэффициента армирования Кц и коэффициента Кв,
учитывающего эксцентриситет армирования es: <твр = R„ -«„.К, . (1)
Исходя из результата анализа ранее выполненных работ и в соответствии с поставленной целью, основные задачи исследования состояли в следующем:
- оценить внутреннее напряженное состояние бетона на РЦ и установить оп-
тимальные режимы ТВО;
определить влияние состава бетона на РЦ на его прочностные характеристики при кратковременных нагрузках (осевое сжатие, осевое растяжение, растяжение при изгибе и растяжение при раскалывании);
определить модуль упругости бетона на РЦ при сжатии и растяжении, а также значения предельных деформаций сжатия и растяжения;
изучить связь между продольными и поперечными деформациями;
определить границы микротрещинообразования в бетоне на РЦ при кратковременных нагрузках;
установить влияние концентрации мелкого и крупного заполнителей на прочностные и деформативные характеристики бетона на РЦ;
провести экспериментальные исследования по определению суммарных потерь предварительного напряжения, потерь от усадки и ползучести бетона;
разработать предложения по учету основных физико-механических характеристик бетона на РЦ при расчете предварительно напряженных конструкций;
- изучить напряженно-деформированное состояние конструкций в стадии
обжатия усилиями предварительного напряжения арматуры;
установить характер распределения напряжений в полке таврового сечения при действии изгибаюцего момента и обжатия предварительно напряженной арматурой;
исследовать прочность, жесткость и трещиностойкость изгибаемых и вне-центренно растянутых железобетонных элементов при одностороннем воздействии холодной или горячей воды;
разработать предложения по расчету предварительно напряженных изгибаемых и внецентренно-растянутых железобетонных элементов для различных
температурно-впажностных условий среды.