книги из ГПНТБ / Кудзис А.П. Предварительно-напряженный полимерцементный бетон

го напряжения от усадки и ползучести. Этому способствовал повышен­ ный предел образования микротрещин в обжатом полимерцементном бетоне и другие его высокие механические свойства. Следовательно, упругость бетона является важным фактором, характеризующим трещиностойкость сильно обжатых железобетонных конструкций.

Для изучения влияния режима тепловлажностной обработки на трещиностойкость элементов Г. В. Марчюкайтис [55] исследовал 20 предварительно-напряженных балок размерами 10X20X240 см. Для изготовления образцов применялась бетонная смесь на портландцемен­ те (500 кг/м3). Добавки полимерных смол № 89 и ДЭГ-1 вводились в

с формами. Скорость подъема температуры была неодинаковой и со­ ставляла А/ =11, 22, 33 и 60 °С в час. Изотермический прогрев осу­ ществлялся при /из= 80 °С.

Исследования показали, что полимерные добавки значительно уменьшают температурные деформации арматуры элементов из-за по­ вышенного сцепления арматуры с твердеющим полимерцементным бе­ тоном. В рассматриваемых элементах деформации арматуры умень­ шились на 20—30%, что видно из графика на рис. 28.

Рис. 28. Температурные деформации арматуры еа при тепловлаж­ ностной обработке предварительно-напряженных элементов из полимерцементного (2) и обычного (1) бетона при Д^=22 °С в час и

^из= 80 °С.

130

Т а б л и ц а 25

Влияние влажности внешней среды и схемы длительного нагружения балок на их трещиностойкость и прочность в возрасте 200 сут.

* При кратковременных нагрузках образовались микротрещины в растянутой внеш­ ней нагрузкой зоне бетона;

** При е„ (?i)/ra.H(т1)= 2 балки имели нормальные трещины в зоне, сжатой дейст­ вием внешней нагрузки.

132

момент нагружения; Мд и Мк — изгибающие моменты соответственно от длительно и кратковременно действующей части нагрузки (см. виды нагружения 1 и 2 на рис. 26).

тельного нагружения на величину момента Мт. Регрессионное уравне­ ние для кодированных значений факторов имело следующий вид;

М т= 8,88 + 0,51 лу + 0,74x2 + 0,56хз 4" 0,62x4 4-

Вторая матрица, включающая фактор Х\, была составлена на ос­ новании результатов испытания балок, нагруженных по схемам 1 и 2 на рис. 26. При этом изучалось влияние кратковременных перегрузок при длительном нагружении элементов на их трещиностойкость. Сле­ дует отметить, что при повторных перегрузках напряжения бетона на крайней грани растянутой зоны были близки к величине 2Rl{t1). В дан­ ном случае была получена следующая полиномиальная модель для кодированных значений независимых переменных:

Мг = 9,01 + 1,46хх + 0,69х2+ 0,37хз —0 ,5 х4 + 0,32х4Хз, кН-м. (6.9)

Однородность дисперсии эксперимента и критическая величина ко­ эффициентов регрессионного уравнения проверялись по критериям со­ ответственно Кохрена и Стьюдента при 5%-ном уровне значимости.

133

Кодированным значениям факторов Х\ и Х\, равным 0,75; 1 и 1,25, соот­ ветствовали абсолютные величины изгибающего момента 5,4; 7,2 и 9, а также 6 ,1 ; 8 , 1 и 1 0 , 1 для балок соответственно из обычного и полимерцементного бетона.

Анализ результатов исследований, приведенных в табл. 25, и ма­ тематические модели (6 .8 ) и (6.9) позволяют сделать ряд интересных выводов.

Длительное нагружение в раннем возрасте предварительно-на­ пряженных конструкций (фактор Х'4) увеличивает их трещиностойкость. Для испытанных элементов увеличение момента образования трещин Мт составило 1 0 и 2 0 % соответственно для полимерцементного и обычного бетона. При длительном нагружении таких конструкций усилиями, близ­ кими к моменту образования трещин (фактор Х4), кратковременные перегрузки могут значительно снижать трещиностойкость элементов. Во избежание этого при перегрузках элементов нельзя допускать появ­ ления в растянутой зоне бетона напряжений, вызывающих нарушение прочности на растяжение.

Как показали исследования, при длительном нагружении балок по­ тери предварительного напряжения вследствие неупругих деформаций полимерцементного и обычного бетона уменьшились примерно на 35%, т. е. в одинаковой степени. При этом повышение трещиностойкости эле­ ментов из полимерцементного бетона произошло в основном вследствие уменьшения потерь предварительного напряжения. Поэтому при нали­ чии полимерной добавки (фактор Х2) влияние длительного нагруже­ ния на величину Л4Т было незначительным. Пониженная трещиностой­ кость контрольных балок из обычного бетона объясняется тем, что при отсутствии внешней нагрузки длительное предварительное обжатие снижало прочность такого бетона при растяжении 7?р(^)- Судя по опытным данным, при относительном обжатии обычного бетона t](ti) = = 0,3—0,5 спустя 200 сут величина J?p(/X) снижалась примерно на 20%.

При всех рассмотренных видах нагружения влияние полимерной добавки на величину Мт было положительным и значимым. Положи­ тельное взаимодействие факторов Х\ и Х2, а также Xj и Хъ свидетель­ ствует о том, что увеличение полимерной добавки или влажности внеш­ ней среды повышает величину Мт больше для элементов, имеющих нормальные трещины в сжатой внешней нагрузкой зоне при больших эксцентриситетах равнодействующей усилий обжатия. Так, например, полимерная добавка увеличила трещиностойкость ненагруженных пред­ варительно-напряженных элементов на 5—15 и 40%, а нагруженных —

134

на 5—10 и 15—20% соответственно при отсутствии и наличии таких трещин.

Отрицательное взаимодействие факторов Х2 и Х3 говорит о том, что положительное влияние полимерной смолы на величину Мт повыша­ ется с уменьшением влажности среды, в которой находятся предвари­ тельно-напряженные конструкции после их изготовления.

Исследования Р. С. Подагеля показали, что внешние воздействия нагрузок и влажностных условий оказывают такое же влияние на жест­ кость предварительно-напряженных элементов из полимерцементного бетона, как и на их трещиностойкость.

6.2. Трещиностойкость центрифугированных элементов

Как было показано в разделе 6.1, трещиностойкость элементов из предварительно-напряженного железобетона, кроме других факто­ ров, зависит от упругих свойств бетона. Это, в первую очередь, отно­ сится к элементам кольцевого сечения с напрягаемой арматурой, рав­ номерно распределенной по длине окружности.

Для сильно обжатых элементов кольцевого сечения в стадии обра­ зования трещин сжимающие напряжения в бетоне могут достигать большой величины и вызывать неупругие деформации бетона. Пласти­ ческие деформации бетона сжатой зоны снижают трещиностойкость элементов тем больше, чем ближе к центру тяжести сечения находится равнодействующая усилий в арматуре. Как показывают исследования [40], увеличение силы обжатия в данном случае не повышает трещиностойкости элементов кольцевого сечения.

Момент образования трещин в сильно обжатых трубчатых элемен­ тах, как правило, повышается лишь путем увеличения размеров по­ перечного сечения или марки бетона. Однако, исходя из экономических, технологических, архитектурных и других соображений, увеличение раз­ меров сечения элемента не всегда желательно и возможно. В случае применения обычной технологии изготовления изделий повышение мар­ ки бетона является затруднительным.

Железобетонные элементы кольцевого сечения в большинстве слу­ чаев изготовляются способом центрифугирования. Учитывая повышен­ ные границы микроразрушения центрифугированного полимерцемент­ ного бетона, следует полагать, что полимерные добавки могут эффек­ тивно повышать трещиностойкость таких элементов. Для исследования этого влияния подвергались испытанию трубчатые балки диаметром

135

26 см и пролетом 200 см [14]. Балки армировались напрягаемой высо­ копрочной проволокой 1805 Вр II.

Для приготовления бетона применялся гранитный щебень фрак­ цией 5—20 мм, кварцевый песок и портландцемент активностью 50 МПа. Состав 1 м3 бетонной смеси: щебень 1220—1275 кг, песок 485—520 кг, Цемент 485—520 кг; начальное водоцементное соотношение 0,42. В ка­ честве полимерной добавки применялась полиамидная смола Л° 89 в количестве 2 % от веса цемента.

После центрифугирования балки подвергались тепловлажностной

чину предварительного напряжения в арматуре в момент нагружения элементов и, во-вторых, избежать влияния длительного обжатия на из­ менение механических свойств полимерцементного бетона. Кольцевая (призменная) прочность бетона в день испытания составила RK = 32,5— 35 МПа.

Обозначаем относительную трещиностойкость и характеристику сечения трубчатых элементов соответственно:

Здесь го==-Ч^ , где Г\ и гг соответственно внутренний и внешний ра­ диус кольцевого сечения;

F — площадь сечения;

N0(tl) = F Bo0(ti) — сила обжатия сечения в момент испытания образцов.

На рис. 30 приводится график, характеризующий зависимость трещиностойкости элементов от характеристики сечения К по (6 . 1 1 ), т. е. от степени предварительного обжатия.

Из сопоставления кривых 1 и 3 видно, что полимерная добавка значительно повышала предельную трещиностойкость балок (примерно на 30%) в основном из-за увеличения растяжимости бетона и увели­ чения границы образования микротрещин при сжатии. Соотношение ординат прямых 2 и 1 было таким же, как и прямых 3 и 2. Поэтому можно сказать, что обе характеристики полимерцементного бетона оказывают примерно одинаковое влияние на повышение предельной трещиностойкости центрифугированных элементов.

136

Результаты исследований, выполненных А. Б. Квядарасом [46, 47], показывают, что длительное обжатие может заметно повышать проч­ ностные и деформационные характеристики центрифугированного полимерцементного бетона. Поэтому влияние полимерных добавок на трещиностойкость трубчатых элементов в старом возрасте может быть еще более ощутимым.

Рис. 30. Зависимость опытной относительной трещиностойкости кольцевого сечения Лт от его характеристики X для обыч­ ного (1) и полимерцементного бетона в случае применения Яр(ti) с учетом (2) и без учета (3) полимерной добавки.

6.3. Раскрытие трещин и прочность балок

Согласно новым рекомендациям норм проектирования во многих предварительно-напряженных железобетонных конструкциях, армиро­ ванных высокопрочной арматурой, допускается ограниченное по шири­ не кратковременное раскрытие трещин, нормальных и наклонных к про­ дольной оси элемента. Расчет таких конструкций с учетом раскрытия и закрытия трещин становится обязательным.

Многочисленные опыты показывают, что ширина раскрытия нор­ мальных и наклонных трещин зависит от многих факторов. К ним от­ носятся: механические свойства бетона, величины фактического и пред­ варительного напряжения арматуры, ее сцепление с бетоном, диаметр продольных, поперечных и наклонных стержней, форма и размеры по­ перечного сечения элемента, характер действия нагрузок и т. д. Однако ширина раскрытия трещин ат, главным образом, зависит от разности удлинения арматуры и бетона на участке между трещинами. Поэтому

137

при всех одинаковых других параметрах применение полимерцемент­ ного бетона, обладающего повышенной трещиностойкостью и растя­ жимостью, должно привести к уменьшению величины ат.

Прежде чем выявить влияние полимерной добавки на ширину рас­ крытия трещин в предварительно-напряженных конструкциях, исследо­ ванию подвергались элементы с ненапрягаемой арматурой.

И. Ю. Мотеюнас и А. Л. Шнюкщта [6 8 ] испытали балки 10X20X Х250 см, армированные стержнями из стали класса А-Ш. Образцы

в растянутой внешней нагрузкой зоне. Опыты показали, что как полимерцементные, так и слоистые балки при нагрузках, близких к экс­ плуатационным, имели прогибы соответственно на 10—15 и 5—15% меньше, чем контрольные элементы из обычного бетона.

Из-за лучшего сцепления полимерцементного бетона с арматурой

ивследствие большей растяжимости бетона ширина трещин в слоистых

иполимерцементных балках была на 25—40% меньше, а расстояние между трещинами несколько больше, чем в контрольных балках из обычного бетона. О лучшем сцеплении арматуры с бетоном свидетель­ ствует отсутствие продольных трещин на уровне арматурных стержней при разрушении балок из полимерцементного бетона. Такие трещины образовывались в контрольных изгибаемых элементах при нагрузках, составляющих 70% от разрушающих.

В других опытах И. Ю. Мотеюнаса [61, 6 6 ] кратковременному ис­ пытанию подвергались 36 балок размерами 10X20X230 см. Целью ис­ следований являлось изучение влияния водорастворимой эпоксидной смолы ДЭГ-1 на ширину раскрытия трещин в нормальных сечениях. Балки изготовлялись из бетона прочности Д (28)=20—50 МПа и арми­ ровались стержнями из стали класса А-Ш. Процент армирования эле­ ментов колебался от 1 до 5,5. Часть балок находилась 1,5 г. под дли­ тельно действующей статической нагрузкой.

При нагрузках, составляющих 60% от разрушающих, средняя атхр и максимальная атмакс ширина раскрытия трещин в балках из поли­ мерцементного бетона была в среднем на 40% меньше, чем в элементах из обычного бетона. Интересно, что расстояние между трещинами было примерно равным в балках из обоих видов бетона. Одинаковым было также отношение ат.Макс/<Зт-ср, которое равнялось ■—•1,5.

Опыты показали, что ширина трещин в балках из полимерцемент­

138

ного бетона уменьшилась, в основном, из-за полимерной добавки, уве­ личившей его растяжимость и сцепление с арматурой соответственно на 25 и 40%• Следует отметить, что при длительном нагружении ши­ рина раскрытия трещин в балках из полимерцементного бетона увели­ чилась меньше, чем в элементах из обычного бетона. Спустя 1,5 г. по­ ложительное влияние полимерной смолы не уменьшилось.

Теоретические значения ат.Макс, рассчитанные по нормативным до­ кументам, превышали опытные величины в среднем в 1,5 и 2 раза со­ ответственно для обычного и полимерцементного бетона. Исследования показали, что существующие методики расчета элементов по раскры­ тию трещин требуют дальнейшего усовершенствования.

В опытах Г. В. Марчюкайтиса [55] изучалось влияние режима теп­ ловой обработки на ширину раскрытия трещин в балках, армированных напрягаемой арматурой класса А-Шв. Описание образцов дано в разд. 6.1. Балки в возрасте 35—40 сут испытывались статической крат­ ковременной нагрузкой. При этом кубиковая прочность обычного бе­ тона и бетона с добавкой смолы ДЭГ-1 была одинаковой и составила примерно 45 МПа. Кубиковая прочность полимерцементного бетона с добавкой смолы № 89 равнялась 60 МПа.

Рис. 31. Зависимость ширины раскрытия трещин а т от соотношения изгибающего момента М к разрушающему Л4Р для предварительно-напряженных элементов, под­ вергнутых тепловой обработке при ^Из=80 °С и скоро­ сти подъема температуры 66 (а) и 22 °С (б): 1 — полимерцементный бетон с добавкой ДЭГ-1; 1' — то же, № 89; 2 — обычный бетон.

139