книги из ГПНТБ / Прис Б.В. Моделирование железобетонных конструкций

В начале этой главы рассматривается использование моделей из гипса без примесей, а затем применение этих моделей для армированных и преднапряженных бетонных конструкций в ис­ пытаниях вплоть до разрушения, после чего анализируются исследования на моделях из гипса с применением до­ бавок.

8.2. Механические свойства гипса без добавок

Поскольку практически невозможно полностью охватить свойства всевозможных видов гипсов, в настоящем разделе по­ средством ссылки на серии испытаний, проведенных вначале Расселом и Блэки в 1955 г. с одним видом гипса, а затем Прин­ сом и Сэндовером в 1960 г. с другим видом, приведены некото­ рые деформативные и прочностные характеристики гипсов.

ВодогипсоВов соотношение

Рис. 8.1. Влияние водогипсового соотношения на модуль Юнга (звуковые испытания).

130

Аименно:

1)модуль Юнга (или, если режим нелинейный, кривая на­

пряжение-деформация) ;

2)коэффициент Пуассона;

3)прочность гипса на сжатие и растяжение.

I. Исследования Рассела и Блэки

Указанные свойства гипса тщательно исследовались Рассе­ лом и Блэки, при этом определялось их изменение с изменением водогипсового соотношения и возраста.

1. Модуль Юнга. Режим гипса почти до разрушения практи­ чески линеен, причем модуль Юнга уменьшается в нелинейной зависимости с возрастанием водогнпсового соотношения и уве­ личивается со временем. Результаты приведены на рис. 8.1.

28 дней

2 часа

Водогипсоёое соптношение

Рис. 8.2. Влияние водогнпсового соотношения на прочность при сжатии.

2. Коэффициент Пуассона. Коэффициент Пуассона опреде лялся по измеренным величинам модуля Юнга и модуля сдвига материала. При этом обнаружились небольшие колебания коэф­ фициента Пуассона, который имел величину, примерно равную 0,16.

1год(сухои^

28 дней

2 часа

ВодоеипсоВов соотношение

Рис. 8.3. Влияние водопіисового соотношения на прочность при растяжении.

3. Прочность на сжатие и растяжение. Изменение прочности на сжатие в зависимости от водогипсового соотношения, изме­ ренное испытаниями на однодюймовом гипсовом кубике, при­ ведено на рис. 8.2 и прочности на растяжение на рис. 8.3.

Испытания, проведенные Блэки, не ставили своей основной целью использование гипса в качестве материала для моделей, и поэтому они охватывали диапазон водогипсового соотношения, недостаточный для многих случаев моделирования. Приведенные данные, однако, отвечают требованиям к материалу для моделей, соответствующих линейному упругому режиму.

.132

If. Исследования Прайса и Сэндовера

Если предполагается, что испытание модели должно прово­ диться вплоть до ее разрушения, то для удовлетворения требо­

прочность на сжатие гипса может изменяться в весьма широких пределах. При использовании контролируемой техники отливки модели прочность на сжатие может быть воспроизведена с от­ клонением менее чем на 10%• Кривая прочности (сплошная ли­ ния) характерна для прочности на сжатие, измеренной через 2 часа после отливки модели без впброобработкп. Для сравнения показаны кривые прочности при вибрации как через */а часа, так и через 2 часа после отливки при низких водогипсовых соотноше­ ниях.

Поскольку показанные на графике относительно высокие ве­ личины прочности на сжатие достигаются за короткое время с момента отливки, то для обеспечения возможности испытывать любые модели в течение значительного периода времени, не опа­ саясь последствий изменения прочности, необходимо учитывать злияние времени на прочность гипса.

На рис. 8.6 показано влияние времени на прочность при сжа-

133

Водагипсовое соотноиіение

Рнс. S.5. Влияние водогнпсового отношения на проч­ ность при сжатии.

Рис. 8.6. Влияние времени на прочность при сжатии (водогнпсовое отношение = 0 ,35).

тин для в о д о г и п с о б о г о соотношения 0,35. Установлено, что проч­ ность гипса остается почти постоянной до возраста около 6 ча­ сов, после чего имеет место ее увеличение до возраста 12 часов, затем прочность опять остается постоянной до 24 часов. После этого промежутка времени имеет место дальнейшее непостоянное увеличение прочности, вызываемое высушиванием гипса.

Все приведенные кривые относятся к кубикам гипса, выдер­ жанным при нормальных комнатных условиях, и поэтому можно ожидать, что при разных условиях высыхания могут иметь место непостоянные изменения прочности. На ранних стадиях высыха­ ния гипс влажен и влиянием среды можно пренебречь.

Определение прочности гипсового образца во влажном со­ стоянии как при прямых испытаниях образца на растяжение, так и испытаниях на модуль разрыва показало, что прочность на растяжение была довольно постоянной в пределах 500 фунтов на дюйм 2 для всех значений водогипсового соотношения. По­ скольку для удовлетворения условий подобия коэффициент масштаба напряжений должен быть одинаковым для режима сжатия и растяжения, то очевидно, что такая прочность чрезмер­ но высока, и поэтому образование трещин в модели и прототипе не будет идентичным. Это также свидетельствует о том, что упругий режим модели не будет повторять режим работы прото­ типа, хотя предельная нарузка разрушения будет в близком соот­ ветствии.

8.3. Механические свойства арматуры гипсовых моделей

При изучении режима работы конструкции, изготовленной из обычного пли преднапряженного железобетона путем их испыта­ ний вплоть до разрушения, необходимо иметь модельные мате­ риалы для имитации режима работы арматуры прототипа. Кро­ ме того, коэффициент масштаба напряжений, соотносящий на­ пряжения в арматуре модели и прототипа, должен быть тожде­ ственен коэффициенту для гипса и бетона.

Чтобы соблюсти коэффициент армирующих материалов, бо­ лее удобно изменять прочность гипса, чем подвергать термиче­ ской обработке арматуру, приводя ее прочностные свойства в соответствие с прочностью гипса.

К настоящему времени вопрос армирования гипсовых моде­ лей подвергался тщательному изучению не только для сечений обычного 2’3, но и преднапряженного 4 железобетона.

Имитация арматуры обычного железобетона

Требование к материалу арматуры заключается в том, чтобы она обладала значительной текучестью и чтобы между ней и гип­ сом обеспечивалось необходимое сцепление. Подходящим мате­ риалом является профилированный стальной стержень, который перед употреблением отжигается. Гладкая стальная проволока не

135

может использоваться из-за трудности обеспечения необходимого сцепления, возникающей вследствие того, что гипс при затверде­ вании расширяется. Стержень же можно получить в широком диапазоне диаметров и любой длины.

Стержневая арматура по своим качествам имеет сходство с высокопрочной сталью и вполне может использоваться для моде­ лей, имитирующих преднапряжепные железобетонные конструк­ ции. После отжиганпя стержня в течение часа при температуре 600 °С появляется заметная текучесть, соответствующая кривой 1, приведенной на рисунке 8.7. Кривая 2 представляет текучесть

ние-деформация. При создании модели может потребоваться использовать меньшее количество более крупных стержней ар­ матуры, чем было бы желательно для действительного подобия.

Преднапряженный бетон с последующим натяжением

Для имитации высокопрочной стальной проволоки диаметром 0,2 дюйма было исследовано4 два материала. Необходимым условием для выбора являлось то, чтобы графики напряжениедеформация могли совмещаться путем изменения масштаба на­ пряжения и чтобы свойства релаксации материалов модели и прототипа были одинаковыми.

Испытывалась проволока из фосфористой бронзы, термиче­ ски обработанная при 300° С в течение 15 минут и охлажденная в печи, а также высокопрочная стальная проволока, термически

136

обработанная при 300° С в течение часа и также охлажденная в печи.

Результирующие графики, показанные на рис. 8.8 и 8.9, со­ ставлены с коэффициентами масштаба напряжения — 1,00 для

Рис. 8.8. Графики напряжение-деформация для высокопрочной стальной проволоки.

Рис. 8.9. Графики напряжение-деформация для проволоки из фосфористой бронзы и стальной проволоки.

высокопрочной стальной проволоки и 2,33 для проволоки из фос­ фористой бронзы.

В проволоке из фосфористой бронзы релаксация не обнару­ живается, тогда как стальная проволока показывает потерю

137

преднапряженпя от релаксации в 1,4% за сутки. Поскольку мо­ дель следует испытывать в пределах этого времени, то такая по­ теря напряжения незначительна.

8.4. Замешивание и отливка моделей

Замешивание

Гипс всегда замешивается добавлением его в воду. Он может замешиваться вручную или лабораторным миксером до тех пор, пока поверхность не приобретет гладкой кремоватой консистен-

Рис. 8.10. Вид гипсовых образцов, подвергавшихся ( а ) и не подвергавшихся ( Ь ) вакуумной обработке.

138

ции. Во время замешивания в смесь проникает большое количе­ ство воздуха, поэтому его рекомендуется удалять обработкой смеси частичным вакуумом, что обеспечивает ее однородность

(рис. 8.10, а II Ь).

Основным недостатком этого метода является то, что для гип­ са, используемого в моделировании, время между началом заме­ шивания и завершением отливки составляет всего лишь 10 ми­ нут, хотя в гипс могут добавляться замедлители. Поскольку для получения равномерной смеси требуется несколько минут, вре­ мя, остающееся для отливки, невелико и, если модель не очень мала, то трудно должным образом уплотнить смесь в опалубке, учитывая еще необходимость вакуумирования процесса.

Основной причиной для использования вакуумного процесса является получение более однородной смеси, дающей меньшие перепады прочности в результатах, получаемых при испытании гипсовых контрольных образцов.

При условии соблюдения стандартной технологии укладки гипса нежелательные перепады прочности не обнаруживаются.

Уплотнение

Полностью размешанный гипс заливают в опалубку (предва­ рительно хорошо смазанную), и в зависимости от величины водо­ гипсового соотношения воздушные пузырьки удаляются ручной набивкой или механической вибрацией. Обычно рекомендуется подвергать механической вибрации раствор, если водогипсовое отношение меньше 0,3, при котором смесь становится весьма жесткой.

Так как гипс схватывается приблизительно за 10 минут, опа­ лубку можно снимать по прохождении этого времени, хотя на данной стадии гипс бывает еще очень слабым. Если желательно снять опалубку вскоре после отливки, необходимо, чтобы она была хорошо промазана во избежание сцепления с гипсовой мо­ делью.

Выдерживание

Условия выдерживания зависят от типа режима работы, ко­ торый ожидается получить от модели. Если требуется исследо­ вать линейный упругий режим, то необходимо иметь совершенно сухую модель, что, как правило, требует выдержки в печи с целью удаления излишней жидкости. После выдерживания для предотвращения проникновения влаги модель должна покры­ ваться водонепроницаемым материалом (например, шеллаком).

Если на модели требуется исследовать нелинейное соотноше­ ние напряжение-деформация, то она должна испытываться во влажном состоянии, т. е. в пределах нескольких часов после от­ ливки, прежде чем испарится внутренняя влага модели. Опыт по-

139