Методическое пособие 822

Научный журнал строительства и архитектуры

динамика машин и механизмов для разработки, уплотнения грунтов и вибрационного формования изделий. — Ярославль: ЯПИ, 1986. — С. 57—61.

11. Шестопалов, А. А. Интенсификация процесса уплотнения асфальтобетонных смесей укаткой с вакуумированием: автореф. дис. … д-ра техн. наук / А. А. Шестопалов. — М., 1990. — 32 с.

12. Уплотнение асфальтобетонной смеси катком с пневмовакуумным балластным устройством / Н. Я. Хархута [и др.] //Автомобильные дороги. — 1980. — № 8. — С. 16—18.

13. Nosov, S. V. Determination of Rational Contact Pressure under a Roller When Compacting Asphalt Concrete Mixes / S. V. Nosov // Russian Journal of Building Construction and Architecture. — 2017. — № 2 (34). —

P.45—53.

14.Nosov, S. V. Generalized Dynamic Model of the Interaction of Compactors with Road Construction Materials / S. V. Nosov // Russian Journal of Building Construction and Architecture. — 2017. — № 2 (34). — P. 35—44.

15.Nosov, S. Methodology of Ensuring Road Traffic Safety with Respect to Road-Building Materials Compaction Efficiency Factor / S. V. Nosov, V. Kuzmichev, S. Repin, S. Maksimov // Transportation Research Procedia. — 2017. — P. 450—454.

16.Nosov, S. V. Modeling the Evolution of Deformations and Stresses in Road-Building Materials Based on

Rheological Approach / S. V. Nosov // Russian Journal of Building Construction and Architecture. — 2018. — № 4 (40). — P. 61—72.

References

1.Ivanchenko, S. N. Nauchnye osnovy formirovaniya rabochikh organov dorozhnykh mashin dlya uplotneniya asfal'tobetonnykh smesei: avtoref. dis. … d-ra tekhn. nauk / S. N. Ivanchenko. — SPb, 1997. — 34 s.

2.Ivanchenko, S. N. Rabochii protsess i vybor parametrov katka s vakuumnym ustroistvom: avtoref. dis…. kand. tekhn. nauk. — L., 1985. — 16 s.

3.Koltunov, M. A. Polzuchest' i relaksatsiya / M. A. Koltunov. — M.: Vyssh. shk., 1976. — 278 s.

4.Lozhechko, V. P. Issledovanie rabochego protsessa gladkoval'tsovogo katka s vakuumnym ballastnym ustroistvom: avtoref. dis…. kand. tekhn. nauk / V. P. Lozhechko. — L., 1981. — 19 s.

5.Nosov, S. V. Metodologiya sovershenstvovaniya tekhnologii uplotneniya dorozhno-stroitel'nykh materialov / S. V. Nosov, M. A. Goncharova. — Lipetsk: LGTU, 2015. — 166 s.

6.Nosov, S. V. O vakuumirovanii asfal'tobetonnykh smesei na asfal'tobetonnykh zavodakh / S. V. Nosov, G. S. Dedyaev // Problemy sovremennoi nauki: sb. nauch. tr. konf. Lipetskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. — Lipetsk: Izd-vo Lipetskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2016. — S. 169—171.

7.Pat. RF № 1832784. Dorozhnyi katok / S. V. Nosov, V. V. Nosov; № 4748518/33; zayavl. 16.10.89; opubl. 16.06.93. Byul. № 29. — 5 s.

8.Pat. RF 2011728. Dorozhnyi katok / S. V. Nosov, V. V. Nosov, V. P. Lozhechko; № 4940717/33; zayavl. 03.06.91; opubl. 30.04.94. Byul. № 8. — 5 s.

9.Podol'skii, Vl. P. Razvitie reologii dorozhno-stroitel'nykh materialov na puti sovershenstvovaniya tekhnologii ikh uplotneniya / Vl. P. Podol'skii, O. V. Ryabova, S. V. Nosov // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2011. — Vyp. № 3 (23). — S. 99—108.

10.Shestopalov, A. A. Vliyanie parametrov katkov i temperatury na uplotnyaemost' asfal'tobetonnykh smesei ukatkoi s vakuumirovaniem / A. A. Shestopalov, S. N. Ivanchenko, S. V. Nosov // Rabochie protsessy i dinamika mashin i mekhanizmov dlya razrabotki, uplotneniya gruntov i vibratsionnogo formovaniya izdelii. — Yaroslavl': YaPI, 1986. — S. 57—61.

11.Shestopalov, A. A. Intensifikatsiya protsessa uplotneniya asfal'tobetonnykh smesei ukatkoi s vakuumirovaniem: avtoref. dis. … d-ra tekhn. nauk / A. A. Shestopalov. — M., 1990. — 32 s.

12.Uplotnenie asfal'tobetonnoi smesi katkom s pnevmovakuumnym ballastnym ustroistvom / N. Ya. Kharkhuta [et al.] //Avtomobil'nye dorogi. — 1980. — № 8. — S. 16—18.

13.Nosov, S. V. Determination of Rational Contact Pressure under a Roller When Compacting Asphalt Con-

crete Mixes / S. V. Nosov // Russian Journal of Building Construction and Architecture. — 2017. — № 2 (34). —

P.45—53.

14.Nosov, S. V. Generalized Dynamic Model of the Interaction of Compactors with Road Construction Materials / S. V. Nosov // Russian Journal of Building Construction and Architecture. — 2017. — № 2 (34). — P. 35—44.

15.Nosov, S. Methodology of Ensuring Road Traffic Safety with Respect to Road-Building Materials Compaction Efficiency Factor / S. V. Nosov, V. Kuzmichev, S. Repin, S. Maksimov // Transportation Research Procedia. — 2017. — P. 450—454.

16. Nosov, S. V. Modeling the Evolution of Deformations and Stresses in Road-Building Materials Based on Rheological Approach / S. V. Nosov // Russian Journal of Building Construction and Architecture. — 2018. — № 4 (40). — P. 61—72.

70

EVALUATION OF THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ASPHALT CONCRETE FOLLOWING VACUUMING OF A HOT, ASPHALT-CONCRETE MIXTURE DURING ITS PRODUCTION

O. V. Ryabova 1, I. S. Nosov 2

Voronezh State Technical University 1

Russia, Voronezh

Lipetsk State Technical University 2

Russia, Lipetsk

1D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Highway Construction and Operation, tel.: 8-919-230-3381, e-mail: ecodorvrn@mail.ru

2Master student of the Dept. of Building Materials Science and Road Technologies, tel.: 8-904-683-79-91, e-mail: raf_raf_raf@mail.ru

Statement of the problem. When the structural properties of existing mixtures change, technologies for their compaction should be improved, because with a change in the structure of the material causes that in the stress-strain state of the layer over time. Vacuuming of an asphalt concrete mix during its rolling has been known for a long time. However, in the absence of appropriate means of compaction, the question arises concerning the possibility of applying vacuuming a hot asphalt concrete mix during its production, or more precisely, of the directly prepared mix in the storage bin of the asphalt mixing setup.

Results. The indicators of water saturation and frost resistance were studied on standard laboratory samples of asphalt concrete formed from a hot asphalt concrete mix following the exposure to vacuuming with different degrees of air dilution and time of this impact. The diagrams have been obtained of the development in time of the value of the deformation of an asphalt-concrete mix layer with an evaluation of its rheological and deformative properties depending on the temperature of the mixture, the initial compaction coefficient and the sealing load.

Conclusions. Vacuuming a hot asphalt mix during its production stage showed a positive effect in the framework of ensuring an increased durability of asphalt concrete road surfaces. Changes in the rheological properties of an evacuated asphalt concrete mix contribute to an increase in the efficiency of its compaction.

Keywords: hot asphalt mix, rheological properties, water resistance, frost resistance, asphalt concrete, vacuuming.

КОНКУРС НА ЛУЧШИЕ ПРОЕКТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ МОЛОДЫМИ УЧЕНЫМИ

ПОД РУКОВОДСТВОМ ВЕДУЩЕГО УЧЕНОГО-НАСТАВНИКА, ПРОВОДИМЫЙ СОВМЕСТНО РФФИ И ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫМ ФОНДОМ «ТАЛАНТ И УСПЕХ»

Заявки принимаются до 03.10.2019 23:59

Задача конкурса — создание эффективного механизма передачи опыта и знаний от ведущих ученыхнаставников молодым ученым; развитие института научного наставничества.

Срок реализации проекта — 2 года. Максимальный размер гранта — 5 млн, минимальный — 3 млн рублей в год.

В конкурсе могут участвовать коллективы численностью не менее 4 и не более 8 человек. Коллектив должен состоять из руководителя коллектива — наставника, аспирантов и молодых ученых, имеющих степень кандидата наук, возраст которых не должен превышать 35 лет на 31 декабря 2019 года, лиц, обучающихся по программам бакалавриата и (или) специалитета, успешно прошедших промежуточную аттестацию по итогам 2 лет обучения, или по программам магистратуры.

Подробнее на сайте РФФИ: https://www.rfbr.ru.

71

Научный журнал строительства и архитектуры

DOI 10.25987/VSTU.2019.55.3.008

УДК 69.059.22

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ,

УСИЛЕННЫХ ПРЕДНАПРЯЖЕННЫМИ ПОЛИМЕРНЫМИ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Д. Н. Смердов 1, М. О. Ящук 2

Сибирский государственный университет путей сообщения 1 Россия, г. Новосибирск

Ростовский государственный университет путей сообщения 2 Россия, г. Ростов-на-Дону

1Канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник лаборатории «Мосты», e-mail: dnsmerdov@mail.ru

2Ассистент кафедры изыскания, проектирования и строительства железных дорог,

e-mail: maxum1986@gmail.com

Постановка задачи. Выполнить экспериментальные исследования усиления железобетонных изгибаемых элементов преднапряженными композиционными материалами.

Результаты. Разработана программа лабораторных исследований. Создана технология усиления железобетонных образцов с применением преднапряжения полимерных композиционных материалов. Показаны результаты экспериментальных исследований несущей способности лабораторных железобетонных образцов, усиленных преднапряженными композиционными материалами: создана новая технология усиления с применением запатентованного авторами устройства и описаны принципиально новые схемы разрушения образцов. Проанализировано влияние разной степени натяжения пластины (12 кН в сравнении с 6 кН), установлена разница по несущей способности в 31 % и по трещиностойкости железобетонных образцов 17 %.

Выводы. Проведенный анализ экспериментального исследования позволяет сделать выводы, что усиление преднапряженными композиционными материалами (пластинами) позволяет увеличить прочность исследуемых образцов до 70 %, а также повышает трещиностойкость на 80 %.

Ключевые слова: разрушение образцов, мостовые сооружения, преднапряженные полимерные композиционные материалы, усиление, железобетонные балки, повышение и восстановление несущей способности, пролетные строения.

Введение. Развитие транспортной инфраструктуры на сети железных и автомобильных дорог России связанно с реконструкцией, капитальным ремонтом и усилением эксплуатируемых мостов. При этом постоянное увеличение интенсивности и общей массы обращающейся нагрузки на мостовых сооружениях, а также наличие дефектов, связанных с отступлением от проектных норм и норм содержания, таких, например, как завышенная толщина слоя асфальтового покрытия на пролетных строениях, требует применения эффективных строительных материалов и конструкций, а также новых технологий использования материалов для проведения работ по усилению искусственных сооружений. Новые технологии усиления мостов должны максимально достигать целей, связанных с минимизацией материальных средств и затрат времени на проведение восстановительных работ, усиленные конструкции должны отвечать всем требованиям долговечности, деформативности и трещиностойкости изгибаемых железобетонных элементов мостовых сооружений.

© Смердов Д. Н., Ящук М. О., 2019

72

За последние годы в нашей стране растет число усиленных мостовых конструкций с применением полимерных композиционных материалов (ПКМ), проведены глубокие научные разработки [5—15], идет внедрение в производство новых технологий усиления ПКМ, в том числе за рубежом [23—26]. Для увеличения эффективности применения ПКМ при усилении мостов может быть внедрена технология восстановления несущей способности пролетных строений с предварительным напряжением композиционных материалов [4].

Предварительно напряженные композиционные материалы имеют ряд достоинств по сравнение с ПКМ без натяжения: повышение несущей способности пролетных строений на 20—50 %, увеличение трещиностойкости с закрытием трещин до 0,01 мм, применение на пролетных строениях большой длины (более 30 м) [1—3, 16—21].

Дополнительно к вышеперечисленным преимуществам, необходимо отметить, что при усилении мостовых конструкций без принятия мероприятий по росту эффективности усиления (например, разгрузки от собственного веса) композиционный материал усиления работает только на восприятие временной нагрузки. Таким образом, при существенном повышении постоянных нагрузок эффективность усиления без разгрузки от собственного веса заметно снижается. При таких условиях вместо разгрузки от собственного веса целесообразно применить преднапряжение ПКМ. Однако в российской практике применения предварительно напряженных пластин ПКМ имеется ряд нерешенных задач. Одной из них является отсутствие экспериментальных научно-исследовательских работ, в которых ставится целью проведение лабораторных испытаний железобетонных образцов, усиленных вышеназванным способом.

1. Конструкции лабораторных образцов и технология преднапряжения. В

2017 году была разработана программа лабораторного исследования несущей способности железобетонных изгибаемых элементов, усиленных преднапряженными композиционными материалами [22]. В настоящей публикации имеются корректировки уровня преднапряжения образов по сравнению с вышеприведенной программой с учетом появившихся новых зарубежных методик расчета [23—24]. На рис. 1 показана схема армирования железобетонных образцов, которые усиливаются преднапряженными пластинами из ПКМ. В нижнем поясе лабораторного образца установлено три стержня арматуры класса A400 10 мм, а в верхнем — два стержня класса A400 8 мм, хомуты выполнены из гладкой арматуры класса A240 6 мм.

Рис. 1. Схема армирования лабораторных железобетонных образцов:

а) арматура (рабочая) класса A400 10 мм; б) арматура (рабочая) класса A400 8 мм;

в) поперечная арматура (хомуты) класса A240 6 мм

Исходя из анализа научных иностранных публикаций, посвященных усилению преднапряженными железобетонных конструкций, можно сделать вывод, что наиболее эффективное использование композита происходит при уровне преднапряжения в пределах продольных деформаций от 0,05 до 0,1 ‰ от прочности пластины ПКМ при разрыве [23]. Данные по назначению контролируемого уровня предварительного натяжения пластин из ПКМ отображены в табл. 1.

73

Научный журнал строительства и архитектуры

Таблица 1

Расчетные прочностные и деформативные характеристики пластин из ПКМ (FibArm Lamel),

а также параметры их натяжения

Система преднапряжения, приведенная на рис. 2, отображает процесс преднапряжения пластин из ПКМ, которая реализуется в следующей последовательности:

1.Закрепление конца пластины ПКМ неподвижной металлической фасонкой;

2.Нанесение клеевого состава на пластину ПКМ перед натяжением;

3.Установка каркаса для гидравлического домкрата с последующей фиксацией домкрата и подключением к нему ручной маслостанции;

4.Закрепление противоположного конца пластины ПКМ в подвижном зажиме;

5.Натяжение пластины ПКМ, путем передачи усилия от гидравлического домкрата к подвижному зажиму. Контроль напряжения с помощью тензодатчиков, наклеенных на пластину ПКМ;

6.После натяжения до заданного уровня поддерживание напряжения в ПКМ, передающегося от домкрата к подвижному зажиму в период времени до 24 часов;

7.После 24 часов набора прочности клеевого состава до 90 %, при котором возможно снять натяжение от домкрата к подвижному зажиму без существенных потерь напряжения в пластине ПКМ, осуществляется демонтаж каркаса для гидравлического домкрата и снятие подвижного зажима с конца пластины ПКМ;

8.Закрепление пластины неподвижной металлической фасонкой, как показано на рис. 3в, г.

а)

Рис. 2 (начало). Схема работы системы преднапряжения при усилении прямоугольных железобетонных образцов:

а) общий вид системы преднапряжения

74

Рис. 2 (окончание). Схема работы системы преднапряжения при усилении прямоугольных железобетонных образцов:

б) устройство регистрации напряжения в пластине ПКМ (TDS-150); в) подвижная часть системы натяжения

2. Экспериментальные исследования лабораторных образцов. Лабораторные образ-

цы были разделены на четыре серии: А, Б, В и Г. Без усиления — это контрольные образцы серии А (рис. 3а), а усиленные образцы — это серии Б, В и Г, которые усиливались с помощью пластин из ПКМ шириной 50 мм, приклеенных эпоксидным составом FibArm Resin Laminate+ (рис. 3б—в).

а)

б)

в)

Рис. 3. Схемы усиления лабораторных образцов пластинами из ПКМ

75

Научный журнал строительства и архитектуры

Железобетонные образцы серии Б были усилены без преднапряжения ПКМ (рис. 3б). Образцы В и Г были усилены с предварительным напряжением пластин из ПКМ. Предварительный уровень натяжения пластин из ПКМ для образцов серии В составлял 6 кН, а для образцов серии Г 12 кН. Программой было предусмотрено, что исследование деформативности и трещиностойкости лабораторных образцов проходит во всех четырех сериях.

Испытания железобетонных образцов проводились по балочной схеме с расчетным пролетом 1,5 м на прессе ДРБМ-300. Пресс ДРБМ-300 передавал испытательную нагрузку на распределительную траверсу, усилие на которой фиксировали с помощью мессдозы (МД), подключенной к комплексу «Тензор-МС». Для фиксирования обжатия опорных частей и в середине пролета для контроля прогиба балки применялись индикаторы часового типа (ИЧЦ-10). Тензодатчики (ТД) измерительного комплекса «Тензор-МС» и деформометры на базе индикаторов часового типа ИЧЦ-10 были смонтированы в середине пролета и на верхней части балки для контроля относительных деформаций в верхних сжатых волокнах бетона. Для контроля деформаций в пластине ПКМ были установлены ТД и деформометры. Определение прогибов осуществлялось с помощью датчика перемещений, также подключенного к комплексу «Тензор-МС». Микроскоп Бринелля, линейка, штангенциркуль применялись для измерения высоты, величины раскрытия и развития трещин. Для передачи испытательной нагрузки от пресса на лабораторные образцы применялась распределительная траверса. Образцы опирались на цилиндрические опорные части. В железобетонных образцах основной рабочей зоной являлась зона чистого изгиба — это участок балки между точками приложения вертикальных сил Р/2 (точки передачи усилия от распределительной траверсы к лабораторному образцу), расположенных на расстоянии 0,64 м от торцов балок. Расположение выше описанных типов измерительных датчиков показано на рис. 4.

Рис. 4. Схема установки измерительных приборов:

а) мессдоза (МД); б) тензодатчики (ТД); в) деформометры (ИЧ); г) датчик прогиба (ДП)

Образцы, подготовленные для лабораторных испытаний, показаны на рис. 5. Измерительноеоборудование на образцах установлено в соответствии с программой эксперимента [22].

Приложение нагрузки осуществлялось со скоростью 0,5 тс/мин. Шаг приложения нагрузки Р = 500 кгс. Для точности показаний датчиков сбор информации с них осуществляется после их полной стабилизации деформаций. Лабораторные образцы после разрушения показаны на рис. 6.

76

Рис. 5. Лабораторные образцы перед испытанием:

а) образцы серии А (без усиления); б) образцы серии Б (усиление без преднапряжения); в) образцы серии В (преднапряжение — 6 кН); г) образцы серии Г (преднапряжение — 12 кН)

Проведенные испытания образцов серии А показали, что их разрушение происходило по сжатому бетону от действия изгибающего момента при средней нагрузке для группы образцов величиной 98,2 кН. Трещины раскрытием 0,05 мм были установлены при нагрузке около 36,1 кН (табл. 2). По графику деформирования образцов серии А выявлены две характерные зоны: зона увеличения упругих деформаций и зона увеличения пластических деформаций при нагрузке, изменяющейся в малой степени (рис. 7а). Максимальный прогиб в середине пролета балки составил 16 мм.

Усиленные образцы серии Б разрушались вследствие отслоения пластины из ПКМ по бетону защитного слоя балки. Максимальная нагрузка на образцы серии Б составила 124,6 кН, данное значение среднее по результатам испытания 3-х балок серии. Максимальная величина прогиба балок данной серии составила 8,8 мм (рис. 7б).

Увеличение несущей способности экспериментальных образцов серии Б по сравнению с образцами серии А составило в среднем 26,9 %. Трещины с раскрытием 0,05 мм были зарегистрированы при средней нагрузке 39,9 кН. Повышение трещиностойкости образцов серии Б по сравнению с серией А — 10,8 %.

77

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 6. Лабораторные образцы после испытания:

а) образцы серии А (без усиления); б) образцы серии Б (усиление без преднапряжения); в) образцы серии В (преднапряжение — 6 кН); г) образцы серии Г (преднапряжение — 12 кН)

Образцы серии В с преднапряжением ПКМ 6 кН имели раскрытие трещин величиной 0,05 мм при средней нагрузке 54,0 кН. Несущая способность серии из трех образцов составила 150,8 кН, соответственно несущая способность оказалась выше по сравнению с образцами А на 53,6 %, а трещиностойкость на 49,6 %. Максимальный прогиб был зафиксирован величиной 15,1 мм.

График «нагрузка-прогиб» образцов серии В приведен на рис. 7в.

78

Примечание: Pcr и Pcrср — величина по отдельному образцу и средняя величина нагрузки по серии образцов, при которых образуются трещины с раскрытием 0,05 мм; Af — площадь поперечного сечения композиционного материала, используемого для усиления; P и Pср — величина по отдельному образцу и средняя величина нагрузки по серии образцов, определяющая предел несущей способности.

Образцы серии Г с преднапряжением ПКМ 12 кН имели раскрытие трещин величиной 0,05 мм при средней нагрузке 65,5 кН. Несущая способность серии из четырех образцов составила 167,1 кН, соответственно несущая способность оказалась выше по сравнению с образцами серии А на 70,2 %, а трещиностойкость на 81,4 %. Максимальный прогиб был зафиксирован равным 16,8 мм. График «нагрузка-прогиб» образцов серии Г приведен на рис. 7г.

В результате проведенного лабораторного эксперимента были выявлены следующие схемы разрушения усиленных элементов:

отслоение пластины из ПКМ с разрушением бетона защитного слоя рабочей арматуры (образцы серии Б);

Рис. 7 (начало). Графики «нагрузка-прогиб» для групп образцов: а) образцы серии А (без усиления);

б) образцы серии Б (усиление без преднапряжения)

79