employee
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
employee
student
VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Increasing of strength of cement concrete in course of time is taken into account by proposed evidence-based method and affect the value of the limit of its long-term fracture resistance, and specifically reduces the relative limit long-term strength. This is explained by the fact that when occurs an uploading a concrete with a constant load at early age, material hardening process prevails over the the process of destruction, which affects the relative limit long-term strength of the concrete.
method, strength, limit of long-term strength, concrete, work, the speed of load application, duration of the test, the fracture resistance
Для обеспечения долговечности железо-бетонных конструкций очень важно уметь достоверно определять, осуществлять систематический контроль и надежно использовать прочность бетона в конструкциях, эксплуатирующих при воздействии различных режимов нагрузки и условиях окружающей среды. Предлагается сравнительно простая методика определения прочности бетона, отражающая влияние режима и условий испытания его на прочность. В основу методики положен энергетический подход к оценке потенциальных возможностей бетона, когда его несущая способность определяется количеством работы, которая необходима для разрушения материала единичного объема (предел технических возможностей бетона) [1–7], определяемая по формуле:
. (1)
При наличии конкретной зависимости R‒ε
Aр = ηRпрεр (2)
где Rпр ‒ призменная прочность при стандартном испытании; εр ‒ относительная полная разрушающая деформация образца, которую он претерпевает при Rпр; η ‒ коэффициент, характеризующий отношение площади под диаграммой «нагрузка‒деформация» к площади прямоугольника со сторонами Rпр и εр. Для удобства в расчетах η принимается равным единице, что не сказывается заметно на конечных результатах при определении относительных величин прочности.
Как подтверждают многочисленные экспериментальные данные (табл. 1 [4, 5], табл. 2 [9], табл. 3 [10], табл. 4 [11], табл. 5 [12], табл. 6 [13]), Ар является строго определенной и постоянной для данного конкретного вида, состава бетона и вида напряженного состояния при условии отсутствия упрочнения его во времени и не зависит от режима испытания образцов. Ар всегда можно определить при наличии зависимости R‒ε, полученной при стандартном режиме испытания призм.
Если знать, как изменяется величина полной относительной деформации бетона в зависимости от длительности приложения нагрузки, т.е. зависимость его прочность можно всегда рассчитать по выражению
(3)
Правильность такого подхода к определению прочности бетона при различной длительности испытания образцов продемонстрирована на рис. 1, из которого видно, что результаты расчета Rt по формуле хорошо подтверждаются опытами.
Таблица 1
Результаты испытания керамзитобетонных
призм при различной продолжительности приложения нагрузки
|
Длитель-ность испыта-ний, мин |
Rпр, МПа |
εр×105 |
Ар= Rпрεр, Дж |
Макси-мальная разница, % |
|
15 60 150 |
17,1 16 15,6 |
244 240 264 |
0,042 0,038 0,041 |
5 |
Таблица 2
Влияние скорости нагружения на свойства бетона и раствора
|
Материал |
Скорость нагружения, МПа/мин |
Rпр, МПа |
εр×105, при R=0,9Rпр |
εр×106, найденное по экстраполяции |
Ар= Rпрεр, Дж |
Максимальное отклонение, % |
|
Тяжелый бетон на гравии (Ц= 350кг/м3, В/Ц=0,53) |
0,052 2,17 |
14,18 15,0 |
865 830 |
1060 990 |
0,015 0,0148 |
1,4 |
|
Керамзитобетон |
0,07 2,0 |
15,35 16,45 |
1325 1275 |
1650 1475 |
0,0253 0,0242 |
4,5 |
|
Цементный раствор |
0,1 2,0 |
23,0 26,6 |
1620 1520 |
2050 1950 |
0,047 0,052 |
11 |
|
Тяжелый бетон |
0,1 2,0 |
23,1 25,4 |
840 820 |
1030 1000 |
0,0238 0,0254 |
7 |
|
Пемзобетон |
0,047 0,693 |
6,57 6,96 |
1300 1340 |
1600 1620 |
0,0105 0,0112 |
6,5 |
|
Туфобетон |
0,037 0,67 |
12,26 12,53 |
2577 2520 |
3050 2900 |
0,0375 0,0365 |
3 |
Таблица 3
Результаты испытания растворных балочек 4×4×30 см на изгиб
|
№ п/п |
Rизг, МПа при скорости нагружения, МПа/с |
Прогибы в мм при скорости нагружения, МПа/с |
Ар=Rизгf, Дж, при скорости нагружения, МПа/с |
||||||
|
200 |
0,1 |
0,001 |
200 |
0,1 |
0,001 |
200 |
0,1 |
0,001 |
|
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
6,15 6,1 6,05 5,5 7,0 5,4 7,2 7,2 5,8 |
5,15 5,0 5,3 4,5 5,65 4,55 5,6 6,2 5,15 |
4,8 4,55 5,15 4,0 5,05 4,25 5,0 5,7 5,0 |
0,04 0,048 0,042 0,03 0,055 0,04 0,06 0,048 0,039 |
0,052 0,06 0,05 0,041 0,073 0,051 0,09 0,061 0,046 |
0,058 0,068 0,053 0,046 0,086 0,056 0,11 0,069 0,049 |
0,394 0,47 0,405 0,264 0,62 0,345 0,69 0,55 0,36 |
0,427 0,48 0,423 0,295 0,66 0,37 0,8 0,6 0,375 |
0,445 0,495 0,436 0,294 0,69 0,38 0,88 0,63 0,39 |
|
Сред-нее значение |
6,3 |
5,23 |
4,83 |
0,0447 |
0,0582 |
0,066 |
0,45 |
0,49 |
0,51 |
Таблица 4
Результаты испытания газобетона на сжатие
|
Скорость нагружения, МПа/с |
Rпр, МПа |
εрх103 |
Ар= Rпрεр, Дж |
|
0,1 0,05 0,025 0,001 |
5,9 5,5 5,85 4,95 |
2,6 2,2 2,6 3,0 |
0,0154 0,0121 0,0152 0,0149 |
Таблица 5
Результаты испытания различных видов полимербетона на сжатие
|
Материал |
Ар в Дж при режиме нагружения |
Отклонение результатов, % |
|
|
Кратковременное нагружение со скоростью 60 МПа в мин |
Длительное действие постоянной нагрузки, превышающей Rдл |
||
|
ФА ФА-д ФАМ ФАМ-д |
0,21 0,25 0,36 0,34 |
0,192 0,295 0,33 0,39 |
9 18 8 15 |
Таблица 6
Результаты испытания тедзамитобетона на сжатие
|
Скорость нагружения, МПа/с |
Rпр, МПа |
εр×103 |
Ар= Rпрεр, Дж |
Максимальное отклонение, % |
|
0,13 925 |
18 22,5 |
278 240 |
0,05 0,054 |
8 |
Рис. 1. Расчетная зависимость относительной прочности керамзитобетона от продолжительности
испытания образцов (по предлагаемой методике):
× – опытные данные авторов; ● ‒ данные [14]; ∆ ‒ данные [15]; ○ ‒ данные [16]
Зависимость для каждого конкретного бетона предлагается определять по следующей методике.
Бетонные призмы загружаются постоянной нагрузкой, равной примерно (0,8...0,85)Rпр на обычных прессах и выдерживаются в течение 10...20 мин. При этом замеряются деформации призм как сразу после нагружения, так и в течение 10...20 мин. Строится зависимость в обычных и логарифмических координатах (рис. 2, 3).
Рис. 2. Изменение относительной деформации керамзитобетона (1) и тяжелого бетона (2) со временем при постоянном R = 0,8Rпр
Рис. 3. График изменения относительных
деформаций образцов в зависимости от длительности их испытаний (в логарифмических координатах). Опытные значения деформаций
при R = 0,8Rпр:
1 ‒ для керамзитобетона; 2 – для тяжелого бетона. Расчетные значения разрушающих деформаций:
1′ – для керамзитобетона; 2′ – для тяжелого бетона
Аналогичный принцип положен в основу методики определения предела длительной прочности бетона.
В данном случае удобно рассмотреть поведение под нагрузкой полимербетона (табл. 5). На рис. 4 представлена зависимость R‒ε, полученная при кратковременном и длительном испытаниях полимербетона ФА.
По формуле (2):
Аразр = 488×430×10-5 = 0,21 Дж.
Зададимся несколькими значениями R (например, как минимум, тремя - четырьмя) - 10,0; 15,0; 20,0; 21,5 МПа. При принятых значениях R рассчитываем величины А с учетом длительного действия нагрузки:
А1= 100 × 140 × 10-5 = 0,014 Дж,
А2 = 150 × 230 × 10 -5 = 0,0345 Дж,
А3 = 200 × 400 × 10-5 = 0,08 Дж,
А4 = 215 × 490 × 10-5 = 0,106 Дж.
Рис. 4. Зависимость кратковременных (1) и полных (2) относительных деформаций полимербетона от напряжений
На основе полученных данных строим зависимость R‒А (рис. 5), в соответствии с которой расчетная величина Rдл, для полимербетона равна 25,0 МПа или 0,51R, а опытная - 0,5R, т.е. опыт хорошо подтверждает расчет. Упрочнение полимербетона во времени отсутствует, а, следовательно, и работа, необходимая для разрушения материала, является постоянной величиной. В то же время процесс разрушения материала вследствие его ползучести прогрессирует со временем.
А это значит, что при загружении полимербетона (R = 0,5Rпр) он разрушится через весьма длительное время. Если же нагрузка на него будет превышать Rдл, то разрушение наступит в более короткие сроки.
Рис. 5. Зависимость R‒A для полимербетона ФА
Для убедительности длительная прочность определена для различных видов полимербетона (табл. 7).
Таблица 7
Результаты испытания полимербетонов
|
Вид полимербетона |
Rпр, МПа |
Относительные деформации ползучести при R = 0,5Rпр, |
Полные относительные длительные деформации при R = 0,5Rпр, |
Значения Rдл/ Rпр |
|
|
Определены по методике автора |
Опытные |
||||
|
ФА-д ФАМ-д ФАМ ФА |
65,0 96,0 84,6 48,8 |
35 20 85 105 |
125 130 210 230 |
0,71 0,63 0,57 0,51 |
0,6 0,6 0,55 0,5 |
Из табл. 7 видно, что значения Rдл, определенные по вышеизложенной методике, имеют удовлетворительную сходимость с опытными данными.
В соответствии с предлагаемой методикой определяется такой уровень длительной нагрузки (условие А = Аразр), при котором образец разрушится через определенный длительный промежуток времени. Следовательно, относительный предел длительной прочности бетона должен приниматься несколько ниже этого уровня, например для ФАМ‒д (96 МПа) ‒ 0,6; ФАМ (84,6 МПа) ‒ 0,55; ФА (48,8 МПа ) ‒ 0,5 и т.д.
Полимербетон и цементный бетон отличаются только видом вяжущего, что естественно отражается на их свойствах. Но оба материала в принципе не отличаются по структуре, а поэтому физическая сущность процесса разрушения этих материалов едина, как и методика определения предела длительной прочности, что и подтверждают наши эксперименты.
Увеличение прочности цементного бетона со временем учитывается предлагаемой научно-обоснованной методикой и влияет на величину предела его длительного сопротивления разрушению, а конкретно, приводит к снижению относительного предела длительной прочности. Это объясняется тем, что при загружении бетона постоянной нагрузкой в раннем возрасте процесс упрочнения материала превалирует над процессом разрушения, что и сказывается вышеуказанным образом на относительном пределе длительной прочности бетона.
1. Gladkov D.I., Suleymanova L.A. Povedenie betona pod nagruzkoy i ocenka ego potencial'nyh vozmozhnostey // V sb.: Effektivnye konstrukcii i materialy zdaniy i sooruzheniy. Belgorod, BelGTASM, 1999. S. 13–21.
2. Gladkov D.I., Suleymanova L.A. Zakonomernosti soprotivleniya betona razlichnym razrushayuschim faktoram // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2003. №5. Ch.1. S. 254–262.
3. Gladkov D.I., Suleymanova L.A. Prochnost' – integral'naya harakteristika betona // V sb.: Beton i zhelezobeton v tret'em tysyacheletii. R-n/Donu: RGSU, 2004. T.2. S. 113–118.
4. Gladkov D.I. Fiziko-himicheskie osnovy prochnosti betona i rol' tehnologii v ee obespechenii. Belgorod: Izd-vo BGTU, 2004. 293 s.
5. Gladkov D.I., Suleimanova L.A., Nesterov A.P. Strengt has an integral haracteristic cofconcrete // Proceedings of the International Conference on Cement Combinations for Durable Concrete 2005 International Congress – Global Construction: Ultimate Concrete Opportunities. Ser. “Cement Combinations for Durable Concrete – Proceedings of the International Conference” sponsors: Institution of Civil Engineers, American Concrete Institute, Japan Society of Civil Engineers, University of Dundee, UK; editors: Dhir R.K., Harrison T.A., Newlands M.D., University of Dundee, Concrete Technology Unit. Dundee, Scotland, 2005. S. 701–707.
6. Suleymanova L.A., Suleymanov A.G., Erohina I.A. Obschaya zakonomernost' polucheniya materialov s vysokimi kachestvennymi pokazatelyami // Problemy ekologii: nauka, promyshlennost', obrazovanie: sb. dokl. III Mezhdunar. Nauchn.-prakt. konf. Belgorod: Izd-vo BGTU 2006. № 15. S. 155–163.
7. Suleymanova L.A. Energiya svyazi – osnova konstruktivnyh i ekspluatacionnyh harakteristik betonov // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2007. № 9. S. 91–99.
8. Suleymanova L.A. Povedenie betona pod nagruzkoy, mehanizm ego razrusheniya i ocenka etogo processa // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo univer-siteta im. V.G. Shuhova. 2016. № 1. S. 68–75.
9. Kvirikadze O.P. O zavisimosti mezhdu deformaciyami betona i skorost'yu nagruzheniya. – Tbilisi, iz-vo AN GSSR, 1962. 126 s.
10. Grushko I.M., Gluschenko N.F., Il'in A.G. Struktura i prochnost' dorozhnogo cementnogo betona. Har'kov, Izd-vo HGU, 1965. 136 s.
11. Shkerbelis K.K., Kalnays A.A., Teters G.A. Prochnost' i zhestkost' armirovannyh elementov iz gazobetona // Beton i zhelezobeton. 1960. № 4. S. 185–189.
12. Zalan L.N. Issledovanie konstrukcionnyh svoystv melkozernistogo furfurolacetonovogo polimerbetona s uchetom polzuchesti. – Voronezh, 1969 g. 14 s.
13. Piradov A.B. Konstruktivnye svoystva legkogo betona i zhelezobetona. M.: Stroyizdat, 1973. 133 s.
14. Evseeva S.N. Issledovanie prochnosti i deformativnosti nekotoryh vidov konstruk-tivnogo legkogo betona i ego komponentov v intervale skorostey nagruzheniya ot staticheskih do dinamicheskih. Avtoreferat diss. na sois-kanie uchenoy stepeni kandidata tehnicheskih nauk. (05.23.01) – Erevan, 1974. 28 s.
15. Bazhenov Yu.M. Tehnologiya betona. M.: ASV, 2002. 500 s.
16. Piradov K.A. i dr. Problemnye voprosy i perspektivy fiziko-himicheskoy mehaniki zhelezobetona // Beton i zhelezobeton. №2. 2000. S. 15–16.
