3848

Учитывая вышесказанное, диаграмму «σ — » для СФШБ при растяжении можно представить в схематичном виде, изображенном на рис. 8а. Здесь диаграмма условно разбита на два участка и описана с помощью семи опорных точек. Светлая область диаграммы представляет собой участок, где происходит совместная работа фибры и бетона (происходит сложение диаграмм растяжения ШБ и фибры), темная область бетона описывает комплексную работу фибр по выходу из шлакобетона-матрицы.

Рис. 8. Схематичные представления диаграммы «σ — » для СФШБ при растяжении

В этом случае усилие в СФШБ-образце на участке, когда относительные деформации образца не превышают предельного значения относительных деформаций шлакобетонаматрицы (εfbt ≤ εfbtR), выполняется условие

где Nfbt, Nbt, Nft — усилия, создаваемые при растяжении в СФШБ, в бетоне и в фибре соответственно. Выразив усилие через напряжение и площадь поперечного сечения, получим следующие уравнения:

где σbt, σf, σfbt — напряжения в ШБ, фибре и СФШБ соответственно; Ab, Af — площадь поперечного сечения ШБ и фибры; Eb, red, Ef, red — приведенные модули упругости бетона и фибры; εfbt — относительные деформации СФШБ-образца.

При этом предельные значения относительных деформаций шлакобетона-матрицы εfbtR будут также зависеть от процента объемного армирования:

где Rbt (t) — прочность ШБ в возрасте t при растяжении; fv — объемное содержание фибровой арматуры.

Далее, когда относительные деформации образца превышают предельное значение относительных деформаций шлакобетона-матрицы (εfbt ≤ εfbtR), диаграмма описывается посредством сложения диаграмм смещения единичной фибры из шлакобетона-матрицы.

Кривую «нагрузка — смещение» загруженного конца фибры с одиночным отгибом на конце можно также представить в кусочно-линейном виде (рис. 9).

61

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 9. Кусочно-линейная диаграмма «нагрузка — смещение» для стальной фибры

с одиночным отгибом на конце

В работе [9] получены следующие зависимости для координат опорных точек кусочнолинейной диаграммы «нагрузка — смещение» для стальной фибры, работающей под нагрузкой в шлакобетоне-матрице (рис. 9):

Здесь lf, an — длина заделки фибры, мм; Rb(t) — прочность на сжатие ШБ в возрасте t, МПа; WH0i — абсциссы точек (смещение фибры, мм); PH0i — ординаты точек (нагрузка, Н). Величины Rb (t) и Rbt (t) определяются согласно уравнениям, предложенным в [10].

С учетом этих данных координаты точек диаграммы «σ — » для СФШБ при растяжении будут определяться следующими формулами:

для точки A: fbt 0,24 3Rbt t 1 8 fv 10 3 ,

62

Здесь N — количество фиброволокон в СФШБ-образце; n — количество фибр, расположенных в радиусе 10 мм и влияющих на работу единичной центральной фибры; rср — среднее расстояние до фибр, расположенных в радиусе 10 мм; kA — коэффициент, учитывающий работу центральной фибры в результате влияния на нее соседних фибр и определяемый по формуле:

Заметим, что для каждой фибры, диаграмму которой мы суммируем, необходимо производить расчет параметров n, rср и kA.

Такое представление диаграммы «σ — » для СФШБ при растяжении, требующее учета большого количества данных, удобно для использования в расчетах элементов строительных конструкций на ЭВМ. В иных случаях можно использовать упрощенный кусочно-линейный вид диаграммы «σ — » для СФШБ, представленный на рис. 8б.

В работе [7] предложены следующие зависимости для определения координат опорных точек для такой диаграммы:

Начальный модуль упругости E0fbt фибробетона здесь предлагается определять из уравнения:

где Eb0 , E0f — начальные модули упругости бетона и фибры соответственно.

Анализ экспериментальных данных позволил модифицировать данные зависимости применительно к СФШБ-образцам:

63

Научный журнал строительства и архитектуры

для точки O: fbt 0, fbt 0;

Начальный модуль упругости E0fbt t для СФШБ в возрасте t предлагается определять из уравнения:

0,3

E0fbt t Eb0 28 1 23 t 28 1 6 fv , (7.1)55 B t 5

где В — класс бетона по прочности на сжатие, МПа.

На рис. 10 и 11 изображены теоретические диаграммы, построенные по формулам (5), (5.1), (6) и (6.1), для СФШБ класса В20 в возрасте 28 суток.

Рис. 10. Диаграммы «σ — » для СФШБ класса В20 в возрасте 28 суток при осевом растяжении, построенные по формулам (5) и (5.1)

Рис. 11. Диаграммы «σ — » для СФШБ класса В20 в возрасте 28 суток при осевом растяжении, построенные по формулам (6) и (6.1)

64

Результаты испытаний образцов из СФШБ при осевом сжатии представлены на рис. 12а для шлакобетона класса В7,5 в возрасте 3 суток (kn = 1) и на рис. 12б для шлакобетона класса В15 в возрасте 3 суток (kn = 0,247).

Рис. 12. Экспериментальные данные и теоретические кривые «σ — », полученные при испытании образцов из СФШБ на осевое сжатие

Одним из известных аналитических выражений, устанавливающих связь между напряжениями и деформациями бетона при осевом сжатии, является формула, предложенная Н. И. Карпенко [6, 7]. Здесь используется коэффициент изменения секущего модуля, определяемый из условия

где v (f) b, R — значение коэффициента изменения секущего модуля vb (1 ≥ vb ≥ 0) в вершине диаграммы:

ε(f) b, R — относительная деформация при максимальном напряжении; E0f bt — начальное зна-

чение модуля упругости бетона при растяжении); η — уровень напряжений:

v0 — значение коэффициента в начале диаграммы: v0 = 1 при построении восходящей ветви диаграммы и v0 = 2,05v (f) b, R при построении нисходящей; ω1, ω2 — параметры кривизны диаграммы.

Секущий модуль упругости бетона при любом значении напряжения определяется как:

В работах [11, 14] параметры кривизны диаграммы предложено определять по следующим формулам:

для восходящей ветви:

65

Научный журнал строительства и архитектуры

для нисходящей:

Выводы. В результате хотелось бы еще раз отметить, что на замену традиционному бетону приходят новые материалы с улучшенными показателями и свойствами, одним из которых является дисперсное армирование бетона волокнами (фиброй).

Вработе было установлено, что в качестве основного материала можно использовать отходы шлакового производства, и при правильном соотношении компонентов он ни в чем не будет уступать традиционному бетону, а даже наоборот, будет иметь улучшенные прочностные и деформативные свойства. Это доказывают полученные расчетные формулы, позволяющие определить деформационные и прочностные характеристики сталефиброшлакобетона для осевого натяжения и сжатия с учетом возраста бетона.

Внашей работе были рассмотрены различные составы фибробетона в зависимости от процентного содержания фибры, возраста бетона и приложенных усилий. Уникальность работы заключается также в выборе метода для оценки момента трещинообразования. Подход, который мы предлагаем использовать при построении эпюры растянутой зоны изгибаемых СФБ-элементов заключается в том, что, дифференцированно рассматривая работу отдельных фибр, разнонаправленных, с различной глубиной заделки, а затем суммируя нагрузки отдельных фибр и заданных деформаций, можно получить диаграмму деформирования в псевдопластической стадии работы.

Результаты нашего исследования также позволили сделать вывод о высокой сходимости теоретических результатов с экспериментальными данными.

Библиографический список

1.Бондарев, Б. А. Влияние возраста мелкозернистого шлакобетона на его прочностные характеристики / Б. А. Бондарев, Н. Н. Черноусов, Р. Н. Черноусов, А. В. Суханов // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2015. — № 1 (37). — С. 41—50.

2.Бондарев, Б. А. Исследование деформативных свойств сталефиброшлакобетона при осевом растяжении и сжатии с учетом его возраста / Б. А. Бондарев, Н. Н. Черноусов, Р. Н. Черноусов, В. А. Стурова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. — 2017. — Т. 8, № 1. — С. 18—31.

3.Бондарев, Б. А. Исследование прочностных свойств сталефиброшлакобетона при осевом растяжении и сжатии с учетом его возраста / Б. А. Бондарев, Н. Н. Черноусов, Р. Н. Черноусов, В. А. Стурова // Строительные материалы. — 2017. — № 5. — С. 20—26.

4.Бондарев, Б. А. Экспериментальное исследование характера взаимовлияния стальных фибр, равнонаправленно расположенных параллельно усилию в мелкозернистом шлакобетоне / Б. А. Бондарев, Н. Н. Черноусов, Р. Н. Черноусов, В. А. Стурова // Известия ЮЗГУ. — 2017. — № 2. — С. 72—83.

5.Гилязидинова, Н. В. Коррозионная стойкость шлакобетонов / Н. В. Гилязидинова, Н. Ю. Рудковская, Т. Н. Санталова // Бетон и железобетон. — 2013. — № 3. — С. 24—25.

6.Карпенко, Н. И. К совершенствованию диаграмм деформирования бетона для определения момента трещинообразования и разрушающего момента в изгибаемых железобетонных элементах / Н. И. Карпенко, О. В. Радайкин // Строительство и реконструкция. — 2012. — № 3. — С. 10—16.

7.Карпенко, Н. И. Общиемоделимеханики железобетона / Н. И. Карпенко. — М.: Стройиздат, 1996. —

412 с.

8.Кравинскис, В. К. Исследование прочности и деформативности бетона при статическом нагружении: автореф. дисс. … канд. техн. наук / В. К. Кравинскис. — Рига, 1974. — 14 с.

9.Маилян, Л. Ф. Расчетная оценка прочностных и деформативных характеристик и диаграмм дефор-

мирования фибробетонов с агрегированным распределением волокон / Л. Ф. Маилян, А. Л. Маилян, А. С. Айвазян // Инженерный вестник Дона. — 2013. — № 3 (26). — С. 87—91.

10.Машукова, А. И. Новые разновидности бетона / А. И. Машукова, С. Ф. Матвеев // Science Time. — 2016. — № 4 (16). — С. 485—488.

11.Уфимцев, В. М. Шлаки в составе бетона: новые возможности / В. М. Уфимцев, Л. А. Коробейников // Технологии бетонов. — 2014. — № 6. — С. 50—53.

66

12. Черноусов, Н. Н. Изгибаемые сталефиброшлакобетонные элементы / Н. Н. Черноусов, Р. Н. Черноусов // Бетон и железобетон. — 2010. — № 4. — С. 7—11.

13. Черноусов, Н. Н. Исследование анкеровки стальной фибры в цементно-песчаном бетоне/ Н. Н. Черноусов, Р. Н. Черноусов, А. В. Суханов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 2014.— № 2.— С. 96—103.

14.Черноусов, Н. Н. Исследование механики работы мелкозернистого шлакобетона при осевом растяжении и сжатии / Н. Н. Черноусов, Р. Н. Черноусов, А. В. Суханов // Строительные материалы. — 2014. —

№12. — С. 59—63.

15.Черноусов, Н. Н. Моделирование анкеровки гладкой фибровой арматуры в цементно-песчаном растворе / Н. Н. Черноусов, Р. Н. Черноусов, А. В. Суханов, Б. А. Бондарев// Вестник Волгоград. гос. арх.- строит. ун-та. Сер.: Строительство и архитектура. — 2014. — № 35 (54). — С. 126—134.

16.Черноусов, Н. Н. Способ испытания образцов строительных материалов на растяжение: пат.

2544299 Российская Федерация МПК G 01 N 3/08 / Р. Н. Черноусов, А. В. Суханов, А. Н. Прокофьев. —

№2013134589/28, заявл. 23.07.2013; опубл. 20.03.15, Бюл. № 8. — 5 с.

17.Эджингтон, Дж. Бетон, армированный стальной проволокой / Дж. Эджингтон, Д. Дж. Ханнант, Р. И. Т. Уильямс // Материалы, армированные волокном. — М.: Стройиздат, 1982. — С. 135—150.

18.Atlas ofStress-Strain Curves/ Howard E.Boyer (Ed). — 2nded. — USA: ASM International,2002.— 808p.

19.Erdal, M. Prediction of the Compressive Strength of Vacuum Processed Concretes Using Artificial Neural

Net-work and Regression Techniques / M. Erdal // Scientific Research and Essay. — 2009. — Vol. 4, № 10. —

P.1057—1065.

20.Hannachi, S. Application of the Combined Method for Evaluating the Compressive Strength of Concrete on Site / H. Hannachi, M. N. Guetteche // Open Journal of Civil Engineering. — 2012. — № 2. — P. 16—21.

21.Shah, S. P. Fiber Reinforced Concrete Properties / S. P. Shah, B. V. Rangan // ACI Journal. — 1971. — Vol. 68, № 2. — P. 126—134.

22.Sujivorakul, C. Model of Hooked Steel Fibers Reinforced Concrete Under Tension / C. Sujivorakul // High Performance Fiber Reinforced Cement Composites 6. RILEM State of the Art Reports. — Dordrecht: Springer, 2012. — Vol. 2. — P. 19—26. — DOI: https://doi.org/10.1007/978-94-007-2436-5_3.

23. Zain, M. F. M. Potential for Utilizing Concrete Mix Properties to Predict Strength at Different Ages / M. F. M. Zain, M. Suhad, R. Abd Hamid, M. Jamil // Journal of Applied Sciences. — 2010. — Vol. 10, Issue 22. — P. 2831—2838.

MODELING THE STRENGTH AND DEFORMATION PROPERTIES OF STEEL-FIBER-SLAG CONCRETE IN CASE OF AXIAL TENSION AND COMPRESSION TAKING INTO ACCOUNT THE AGE OF CONCRETE

B. A. Bondarev 1, N. N. Chernousov 2, V. A. Sturova 3

Lipetsk State Technical University 1, 2, 3

Russia, Lipetsk

1D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Building Materials Science and Road Technologies, tel.: (474) 223-93-52, e-mail: v-livenceva@mail.ru

2PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of General Mechanics, e-mail: v-livenceva@mail.ru

3Master student of the Dept. of Construction Production, e-mail: v-livenceva@mail.ru

Statement of the problem. The aim of the study is to obtain mathematical dependencies that allow modeling of the strength and deformation characteristics of steel-fiber-slag concrete (SBFS) for axial tension and compression taking into account the age of the concrete.

Results. As a result of the study, calculation formulas were obtained that make it possible to determine the deformation and strength characteristics of steel-fiber-slag concrete (SFSB) for axial tension and compression taking into account the age of the concrete.

Conclusions. The analysis of the experimental data made it possible to obtain a load-displacement relationship for steel fiber working under load in the cinder-matrix, to generalize the diagrams for SFSB under axial tension and compression. As a result, the curves constructed from the obtained formulas showed high convergence with the experimental data.

Keywords: steel fiber, steel-fiber-slag concrete, cubic strength, prismatic strength, secant modulus of elasticity.

67

Научный журнал строительства и архитектуры

УДК 666.971.16

ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ*

С. М. Усачев 1, В. Т. Перцев 2, С. Хавьяримана 3

Воронежский государственный технический университет 1, 2, 3

1Канд. техн. наук, доц. кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций, e-mail: sergey.usa4ev@mail.ru

2Д-р техн. наук, проф. кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций, e-mail: perec_v@mail.ru

3Магистрант группы М142МИ

Постановка задачи. Рассматриваются вопросы разработки строительных материалов с добавкой микрокапсул теплоаккумулирующего материала.

Результаты. Разработанные материалы обладают повышенной теплоэффективностью, они ведут себя как пассивные кондиционеры: при тепловом воздействии или воздействии солнечных лучей на строительную конструкцию они поглощают теплоту и выделяют накопленную теплоту при охлаждении. Теплоаккумулирующие добавки вводятся в строительные материалы, получаемые на основе сырьевой базы Воронежской области.

Выводы. Полученные результаты работы позволяют создать комфортные температурные условия в зданиях и сооружениях за счет энергетического эффекта обратимого фазового перехода применяемых микрокапсул.

Ключевые слова: теплоаккумулирующие материалы, микрокапсулы, аккумуляторы теплоты на фазовых переходах, теплоэффективные строительные материалы.

Введение. В строительном материаловедении активно развиваются теоретические и экспериментальные исследования по улучшению теплоизоляции и аккумулирования теплоты в помещениях жилых и гражданских зданий [2, 3, 7, 8]. Для экономии тепловых затрат используются различные теплоизоляционные материалы, создаются эффективные системы теплоснабжения и обогрева, поддерживается комфортный микроклимат в помещениях. Однако длительность отопительного сезона не уменьшается, энергетические ресурсы с каждым днем становятся дороже, а бережное использование тепловой энергии становится все более востребованным.

В настоящее время в строительную практику внедряются новые материалы, способные накапливать тепловую солнечную энергию, а затем отдавать ее в окружающую среду. Такие материалы принято называть теплоаккумулирующими материалами (ТАМ) или материалами с фазовым переходом. Данные материалы для поддержания оптимальной температуры в жилых и гражданских зданиях разработаны группой специалистов из Института солнечных энергосистем имени Фраунгофера во Фрайбурге и химического концерна BASF в Людвигсхафене, где было предложено вводить в строительные материалы особые микрокапсулы, содержащие вещество, которое способно аккумулировать и снова высвобождать тепловую энергию [3]. Данные материалы предназначены для накопления и аккумуляции солнечной энергии за счет фазового перехода в области температур от 10 до 50 0С. При этом использу-

© Усачев С. М., Перцев В. Т., Хавьяримана С., 2018

* Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Воронежской области в рамках научного проекта № 16-43-360174 р_а.

68

ется энергетический эффект обратимого фазового преобразования, который позволяет при температуре выше плюс 25—30 0С осуществлять накопление теплоты, а при температуре ниже плюс 20 0С производить ее отдачу, что способствует созданию эффективных теплосберегающих конструкций и помещений [3, 8].

Наличие теплоаккумулирующих добавок в строительных материалах и конструкциях является предпосылкой для того, чтобы в жилых и гражданских помещениях температура летом не поднималась выше требуемой, а зимой не опускалась ниже комфортных значений. Кроме того, применение таких материалов ведет к устойчивому сокращению выбросов углеродсодержащих соединений в атмосферу. В оптимальном случае применение ТАМ позволяет в течение летнего периода обходиться без использования кондиционеров. На рис. 1 представлены температурные кривые, полученные в течение суток на внутренней стороне стены неотапливаемого помещения (апрель, Германия) в случае использования ТАМ и без него [10].

Рис. 1. Моделирование температурной кривой

на внутренней стороне стены без (1) и со слоем шпатлевки (2), содержащей теплоаккумулирующую добавку [10]

За счет аккумулированной теплоты в районе 19 часов вечера возможно получение разницы в 7 0С. Аналогичные натурные исследования были проведены в условиях средиземноморского климата [3, 9, 11—14] и показали хорошую эффективность. Решение задачи, связанной с оценкой температурных изменений в системах с применением ТАМ и созданием эффективных теплосберегающих условий и улучшенного климата помещений в регионе, является перспективным и инновационным.

Таким образом, приведенные данные определили цель работы — получение новых строительных материалов, содержащих в своем составе микрокапсулы теплоаккумулирующего материала и обеспечивающих создание теплоэффективных ограждающих конструкций, с помощью которых накопленная теплота будет передаваться внутрь помещения, обеспечивая стабильный температурный режим объекта в течение длительного периода времени.

1. Свойства теплоаккумулирующих материалов и требования к ним. При исполь-

зовании теплоаккумулирующих материалов в строительстве должны удовлетворяться следующие основные требования:

а) соответствие температуры фазового перехода с рабочими параметрами теплоносителя в режимах зарядки и разрядки;

б) высокое значение удельной энтальпии фазового перехода; в) низкий коэффициент объемного расширения и разница плотностей жидкой и твердой

фаз;

69

Научный журнал строительства и архитектуры

г) химическая совместимость с сырьевыми материалами, применяемыми в строитель-

стве;

д) стабильность состава и теплофизических свойств при эксплуатации в условиях многократного термоциклирования;

е) доступность и экономическая эффективность.

Теплоаккумулирующие материалы, удовлетворяющие этим требованиям, относятся к кристаллогидратам солей и органическим веществам. Существенным недостатком неорганических кристаллогидратов является нестабильность их свойств, проявляемых в процессе плавления — затвердевания, и склонность к химическим превращениям. Наиболее пригодными из органических веществ считаются парафины, представляющие собой смесь алифатических углеводородов ряда CnH2n+2. По сравнению с кристаллогидратами солей парафины обладают меньшей удельной теплотой плавления, но являются более устойчивыми к термоциклированию, обладают большой теплотой фазового перехода и низким коэффициентом вязкости, у них отсутствует эффект переохлаждения, они химически инертны, не выделяют при эксплуатации неприятных запахов, нетоксичны. Перечисленные свойства делают парафины идеальным материалом для различных аккумуляторов теплоты.

В данной работе применялся теплоаккумулирующий материал химического концерна BASF (Германия) — Micronal Ds 5038 X, предназначенный для накопления тепловой энергии за счет фазового перехода в области температур от 20 до 50 0С [1, 4, 6]. Данный теплоаккумулирующий материал представляет собой микрокапсулы с кремнийорганической оболочкой, которые инкапсулировали в виде твердого адсорбента, пропитанного адсорбатом и покрытого оболочкой. В качестве адсорбата применяли именно парафины, а в качестве адсорбента — известные твердые оксидные вещества, такие как диоксид кремния, цеолиты, оксид алюминия, силикаты, синтетические мезопористые материалы SiO2 или Al2O3 [5].

Микрокапсулы Micronal Ds 5038 X обладают важными техническими параметрами, основные из которых следующие:

точка плавления в области температур 20—50 0С;

высокая теплота плавления на единицу массы и согласованные характеристики плавления адсорбтива и адсорбента;

химическая устойчивость;

высокая коррозионная устойчивость;

отсутствие токсичности;

малое переохлаждение и устойчивость к перегреву;

небольшие изменения объема при фазовом переходе;

высокая теплоемкость.

2. Обоснование направлений применения теплоаккумулирующих материалов.

Микрокапсулы Micronal Ds 5038 X по своим свойствам не уступают традиционным теплоизоляционным материалам. Проведенный сравнительный анализ основных технических показателей микрокапсул и эффективных теплоизоляционных материалов (см. таблицу) показал их высокую эффективность.

Кроме того у традиционных теплоизоляционных материалов есть свои недостатки [5]. Так, минеральная вата не способна держать форму, склонна к проседанию и слеживанию. Не рекомендуется использовать минеральную вату для утепления вертикальных конструкций, при монтаже требует высоких трудозатрат. Пенополистирольные плиты — хрупкий материал, нередко ломаются, крошатся, подвержены биологической коррозии, воздействию грызунов и микроорганизмов. При утеплении пенопластом, придется позаботиться об улучшении вентиляции, иначе может появиться конденсат на стенах, так как этот материал обладает низкой паропроницаемостью. Кроме того, пенополистерол выделяет при эксплуатации такие экотоксиканты, как стирол, формальдегид, бензол, метанол, толуол, этилбензол и другие вещества, вредные для здоровья. Аналогичную проблему создают пенополиу-

70