Методическое пособие 825

Научный журнал строительства и архитектуры

10

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

DOI 10.25987/VSTU.2019.53.1.001

УДК 691.342

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ НОРМАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ ИЗГИБАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ИЗ КАУТОНА И ФИБРОКАУТОНА

А. Э. Поликутин 1, Д. Е. Барабаш 2, А. В. Левченко 3, Д. Н. Коротких 4

Воронежский государственный технический университет 1, 2, 3, 4 Россия, г. Воронеж

1Канд. техн. наук, доц. кафедры строительных конструкций, оснований и фундаментов им. проф. Ю. М. Борисова, e-mail: a.pl@mail.ru

2Д-р техн. наук, проф. кафедры строительных конструкций, оснований и фундаментов им. проф. Ю. М. Борисова, e-mail: barabash60170@yandex.ru

3Аспирант кафедры строительных конструкций, оснований и фундаментов им. проф. Ю. М. Борисова,

тел.: +7-920-228-01-08, e-mail: Alevchenko@vgasu.vrn.ru

4Д-р техн. наук, проф. кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций,

e-mail: korotkih.dmitry@gmail.ru

Постановка задачи. Каучуковый бетон (сокращенно — каутон) — материал, получаемый на основе жидкого синтетического каучука с добавлением отверждающей группы, крупного и мелкого заполнителя. Конструкции, получаемые на его основе, обладают рядом положительных свойств, необходимых для зданий или их частей, эксплуатируемых в агрессивных средах. Добавление дисперсного армирования в большей степени позволяет увеличить прочность конструкции при растяжении, тем самым увеличив трещиностойкость сечений конструкционного элемента. В качестве фибры выбраны металлические волокна металлокорда, так как наибольшей адгезией каутон обладает к металлическим поверхностям.

Результаты. Изложены результаты экспериментальных исследований трещиностойкости нормальных сечений балок, изготовленных из каутона и фиброкаутона, т. е. с дисперсным армированием и без него, а именно приведены максимальные значения ширины раскрытия трещин, значения изгибающего момента трещинообразования.

Выводы. Нами впервые изучено влияние дисперсного армирования на трещиностойкость каутоновых изгибаемых элементов. Показано влияние данного вида армирования на скорость развития трещин, на их количество в изгибаемых элементах из каучукового бетона Установлено, что добавление фибрового армирования увеличивает момент трещинообразования и максимальное значение ширины раскрытия трещины.

Ключевые слова: каутон, каучуковый бетон, фибра, фиброкаутон, балка, нормальные сечения, прямоугольное сечение, трещиностойкость.

Введение. Получаемый на основе каучуков строительный материал — каутон — обладает высокими прочностными показателями и высокой химической стойкостью, свойствами, необходимыми для зданий, сооружений или их частей, эксплуатируемых в особо агрессивных средах. Каутон и изготовленные из него конструкции могут занять свое место при строительстве зданий или их частей, эксплуатирующихся в условиях воздействия агрессив-

© Поликутин А. Э., Барабаш Д. Е., Левченко А. В., Коротких Д. Н., 2019

11

Научный журнал строительства и архитектуры

ных сред различного вида. А в случае добавления дисперсного армирования в состав полимербетона полученные конструкции могут эксплуатироваться в качестве элементов зданий и сооружений с повышенными требованиями к трещинообразованию.

На основании исследований свойств каучуковых бетонов, в том числе с дисперсным армированием [1, 5, 8, 9, 14, 15], была определена методика испытания контрольных образцов, а также получена табл. 1, в которой приведены обобщенные физико-механические характеристики фиброкаутона.

Таблица 1

Физико-механические характеристики фиброкаутона

В результате исследований конструкций на основе каучукового бетона [2—4, 6, 7, 10— 13, 19], в том числе армокаутоновых изгибаемых элементов прямоугольного поперечного сечения [12] и таврового поперечного сечения [17], авторами была подтверждена возможность применения строительных конструкций на основе данного полимербетона, установлен тип тензодатчиков для получения адекватной картины распределения деформаций в сечениях элемента. Известны успешные способы повышения прочности растянутой зоны изгибаемых элементов путем применения углепластиковых лент в качестве внешнего армирования [16, 21], также в этих исследованиях предложен способ повышения прочности растянутой зоны путем совместного применения фибрового армирования и внешнего — углепластиковыми лентами.

Добавлением в качестве дисперсного армирования стальную фибру в бетонные конструкции занимались исследователи [20, 22], в результате чего было доказано, что добавление стальной фибры совместно с продольным армированием оказывает положительное влияние на трещиностойкость элемента. Ввиду наличия в составе каутона золы-уноса стоит отметить, что влияние ее на прочностные характеристики и долговечность в бетонах на основе полиэфирных смол рассмотрено в работе [18], где доказана эффективность ее применения для уменьшения стоимости материала. Отличительной особенностью каутона является универсальная химическая стойкость. Для примера: коэффициент их химической стойкости в воде равен 1. Среди набора свойств каутона также стоит выделить высокую адгезию к материалам различного вида. На основании исследований было определено, что значение величины адгезии каутона, например, к поверхности, выполненной из металла, составляет 12…13 МПа.

1. Методика испытания. С целью исследования трещиностойкости нормальных сечений армированных каутоновых балок прямоугольного поперечного сечения, были изготовлены и испытаны на чистый изгиб экспериментальные образцы с продольным стержневым армированием.

Параметры экспериментальных балок приведены в табл. 2. Схема загружения и сечение балок изображены на рис. 1.

Для определения изгибающего момента, при котором образовалась трещина, на нижнюю грань балки и на арматурный стержень клеились тензодатчики, схема расположения которых приведена на рис. 2.

12

Для измерения относительных деформаций арматуры клеился тензодатчик 1, для измерения относительных деформаций растянутой зоны балки, а также для определения нагрузки, при которой появилась трещина, клеились тензодатчики 2—4.

Рис. 1. Схема загружения и сечение изгибаемых элементов

Рис. 2. Схемы расположения арматурного каркаса и расположения датчиков

На рис. 3 представлен общий вид подготовленной к испытанию балки, установленной в испытательную машину.

2. Анализ полученных в ходе эксперимента данных. В результате испытаний пяти серий каутоновых (шифр балки — БПК) и пяти серий фиброкаутоновых (шифр балки — БПФ) изгибаемых элементов было установлено, что изгибающий момент трещинообразования практически не зависит от процента продольного армирования.

Результаты проведенных экспериментальных исследований каутоновых и фиброкаутоновых изгибаемых элементов сведены в табл. 3.

Зависимость изгибающего момента трещинообразования от процента продольного армирования представлена на рис. 4.

13

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 3. Общий вид подготовленной к испытанию балки

Примечание: Мcrc — изгибающий момент, предшествующий появлению первой трещины; Rk — предел прочности на сжатие; Rkt — предел прочности на растяжение.

М, кН·м

μ, %

Рис. 4. Зависимость изгибающего момента от процента армирования

Так как изгибающий момент в фиброкаутоновых балках практически не зависит от продольного армирования, рекомендуется его расчет производить по методике, изложенной

14

Выпуск № 1 (53), 2019 ISSN 2541-7592

в п. 8.2.8—8.2.12 СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции», как для бетонного элемента без учета арматуры:

где Wpl — упругопластический момент сопротивления сечения для крайнего растянутого волокна. Для бетона:

где Wred —упругий момент сопротивления приведенного сечения по растянутой зонесечения. Однако при расчете фиброкаутоновых изгибаемых элементов вместо коэффициента 1,3, учитывающего упругие деформации, рекомендуется применять коэффициент 1,35, т. е. рас-

чет вести по формуле:

Это обусловлено большей сопротивляемостью армированного композита растяжению. В табл. 4 приведены значения экспериментального и теоретического изгибающих мо-

ментов трещинообразования.

Таблица 4

Результаты проведенного эксперимента

На рис. 5 приведены графики теоретического и экспериментального изгибающих моментов.

Важно отметить, что данная методика расчета не подходит для каутоновых изгибаемых элементов без дисперсного армирования, ввиду большего влияния процента продольного армирования на трещиностойкость элемента и требует дальнейшей доработки.

μ, %

Рис. 5. Графики экспериментального и теоретического моментов трещинообразования

Параметры образовавшихся трещин в балке приведены в табл. 5.

15

Научный журнал строительства и архитектуры

Таблица 5

Параметры образовавшихся трещин

Примечание: максимальная ширина раскрытия трещины определялась в момент достижения напряжений в арматуре предела текучести и измерялась микрометром.

Общие графики зависимости ширины раскрытия трещины при достижении арматурой предела текучести от процента продольного армирования для балок серий БПК и БПФ представлены на рис. 6.

acrcmax , мм

Фиброкаутон

Каутон

μ, %

Рис. 6. Зависимость ширины раскрытия трещин от процента продольного армирования в каутоновых и фиброкаутоновых балках

Зависимости ширины раскрытия трещин от относительного уровня образования трещин в испытанных сериях балок с дисперсным армированием и без него приведены на рис. 7—11. Число трещин в каутоновых, фиброкаутоновых балках в зависимости от процента продольного армирования графически отображено на рис. 11.

Очевидно, что при увеличении относительного уровня образования трещин происходит увеличение ширины раскрытия трещины. Стоит отметить, что наименьшее значение максимального раскрытия трещин соответствует балкам с процентом продольного армирования 3,6 %, однако количество трещин в балке с таким содержанием арматуры наибольшее, под точками передачи нагрузки их число увеличивается, и они начинают приобретать наклонный характер. Также по графикам видно, что величина раскрытия трещины в каутоновой балке меньше, чем в фиброкаутоновой, при этом количество трещин в этих балка больше, чем в фиброкаутоновых.

16

Рис. 7. Зависимость ширины раскрытия трещин от относительного уровня образования трещин в балках БПК-8 и БПФ-8

acrc, мм

Рис. 8. Зависимость ширины раскрытия трещин от относительного уровня образования трещин в балках БПК-10 и БПФ-10

acrc, мм

Рис. 9. Зависимость ширины раскрытия трещин от относительного уровня образования трещин в балках БПК-12 и БПФ-12

17

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 10. Зависимость ширины раскрытия трещин от относительного уровня образования трещин в балках БПК-2×10 и БПФ-2×10

Рис. 11. Зависимость ширины раскрытия трещин от относительного уровня образования трещин в балках БПК-2×12 и БПФ-2×12

Рис. 12. Зависимость количества трещин от процента продольного армирования

Стоит отметить, что одинаковому значению аcrc для фиброкаутоновых балок соответствует большее значение относительного уровня трещинообразования, чем для каутоновых, так как относительный уровень образования трещин можно интерпретировать как величину, характеризующую время, пройденное между появлением трещин и разрушением образца. Можно сделать вывод, что развитие трещин в каутоновых балках проходит более резко. Это

18

говорит о безусловном влиянии дисперсного армирования на скорость развития трещин, их ширину и на их количество.

Выводы. Нами впервые изучено влияние дисперсного армирования на трещиностойкость каутоновых изгибаемых элементов. Также впервые проведен сравнительный анализ процесса образования нормальных трещин в каутоновых и в фиброкаутоновых балках. Даны рекомендации по расчету изгибающего момента трещинообразования, возникающего в нормальных сечениях фиброкаутоновых балок.

Момент трещинообразования в испытанных балках с дисперсным армированием практически не зависит от процента продольного армирования. Однако в балках без дисперсного армирования влияние продольного армирования на трещиностойкость более значительно.

Стоит отметить, что процесс образования нормальных трещин в фиброкаутоновых балках связан с достижением предела прочности фиброкаутона на растяжение, при дальнейшем увеличении нагрузки происходит плавное раскрытие трещин, вплоть до разрушения продергивания волокон металлокорда из тела каутона не происходит.

Процесс образования нормальных трещин в каутоновых балках связан с достижением предела прочности каутона на растяжение, при дальнейшем увеличении нагрузки происходит более резкое раскрытие трещин ввиду отсутствия дисперсного армирования.

Добавление фибры увеличивает значение изгибающего момента трещинообразования на 35—58 % в изгибаемом элементе, тем самым повышая процент использования несущей способности без образования нормальных трещин, что является существенным параметром при применении конструкций с повышенными требованиями к трещиностойкости. Также добавление фибры увеличивает значение максимальной ширины раскрытия трещин.

На основании проведенных исследований к применению в качестве изгибаемых конструкций с повышенными требованиями к трещиностойкости рекомендуются фиброкаутоновые балки.

В дальнейших исследованиях предполагается уточнение расчета по трещиностойкости изгибаемых элементов из каучукового бетона.

Библиографический список

1.Борисов, Ю. М. Дисперсно армированные строительные композиты / Ю. М. Борисов, Д. В. Панфилов, С. В. Каштанов, Е. М. Юдин // Строительная механика и конструкции. — 2010. — № 2 (5). — С. 32—37.

2.Борисов, Ю. М. Исследование несущей способности нормальных сечений двухслойных каутонобетонных изгибаемых элементов / Ю. М. Борисов, А. Э. Поликутин, Нгуен Фан Зуй // Вестник Центрального регионального отделения РААСН. — 2010. — Вып. 9. — С. 133 — 137.

3.Борисов, Ю. М. Напряженно-деформированное состояние нормальных сечений двухслойных каутоно-бетонных изгибаемых элементов строительных конструкций / Ю. М. Борисов, А. Э. Поликутин, Нгуен Фан Зуй // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2010. — № 2. — С. 18—24.

4.Задачи и методика экспериментальных исследований нормальных сечений изгибаемых элементов таврового профиля из армокаутона / Ю. М. Борисов, А. Э. Поликутин, А. С. Чудинов [и др.] // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Сер.: Высокие технологии. Экология. — 2011. — № 1. — С. 52—57.

5. Исследование распределения дефектов в структуре фиброкаутона методом Монте-Карло / О. Л. Фиговский, Ю. Б. Потапов, Д. В. Панфилов [и др.] // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2014. — Т. 6, № 11 (72). — С. 21—25.

6. Левченко, А. В. Фиброкаутон и конструкции на его основе / А. В. Левченко, П. А. Зябухин, Т. О. Офоркаджа // Научная опора Воронежской области: сб. науч. ст. — Воронеж, 2017. — С. 197—199.

7.Нгуен, Фан Зуй. Двухслойные каутоно-бетонные изгибаемые элементы строительных конструкций: дис. … канд. техн. наук: 05.23.01 / Нгуен Фан Зуй. — Воронеж, 2010. — 185 с.

8.Панфилов, Д. В. Дисперсно армированные строительные композиты на основе полибутадиенового олигомера: дис…. канд. техн. наук: 05.23.05 / Панфилов Дмитрий Вячеславович. — Воронеж, 2004. — 188 c.

9.Перекальский, О. Е.Строительные композиты на основе полибутадиеновых олигомеров для защиты отрадиации: дис. … канд. техн. наук: 05.23.05 /ПерекальскийОлегЕвгеньевич.—Воронеж, 2006. —174с.

10.Пинаев, С. А. Короткие сжатые элементы строительных конструкций из эффективного композита на основе бутадиенового полимера: дис. … канд. техн. наук / Сергей Александрович Пинаев. — Воронеж, 2001. — 191 с.

19