Строительство и архитектура/ 4. Современные строительные материалы

К.т.н. Новиков М.В.

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, Россия

Деформативность сжатых элементов строительных

конструкций из поризованного бетона в условиях

длительного действия нагрузки

В современном малоэтажном строительстве все большее применение находят легкие макропористые бетоны, разновидностью которых являются поризованные бетоны неавтоклавного твердения [1,2], что требует их всестороннего изучения, особенно в условиях длительного действия нагрузки. Длительное приложение нагрузки и ее величина существенно влияют на ряд важных свойств бетона, в частности, на его прочность, долговечность и деформативность.

Объектом исследования являлись центрально сжатые элементы монолитных конструкций из цементного поризованного бетона средней плотностью 1200-1600 кг/м³ двух структурных модификаций: мелкозернистого, изготовленного с применением кварцевого песка естественной гранулометрии (М_К=1,4), и микрозернистого бетона, при получении которого применялась зола-уноса ТЭЦ (S_уд=300 м²/кг, К_осн = -0,151). Вяжущим материалом для изготовления опытных элементов являлся портландцемент марки 500 ДО Белгородского цементного завода, ПАВ воздухововлекающего действия - «Пеностром». Состав бетона по соотношению «цемент : наполнитель» принимался равным 1:1,75. Одновременно исследовался плотный бетон, рассматриваемый в качестве матричного материала для соответствующих видов поризованного бетона.

Для получения экспериментальных данных о характере изменения и степени нелинейности деформаций ползучести и упругого последействия сжатых элементов из поризованного бетона при различных относительных уровнях напряжений сжатия (σ/R_bm= 0,15-0,90) были проведены длительные испытания по стандартной методике ГОСТ 24544-81 с учетом [3].

Бетонные элементы были выполнены в виде призм размером 100×100×400 и 150×150×600 мм (исходя из условий размещения их в установках для длительных испытаний). Возраст бетонных элементов к моменту их загружения соответствовал 28 суткам после хранения их в нормальных условиях. С целью исключения погрешностей в определении деформаций ползучести, связанных с неаддитивностью усадки и ползучести, образцы гидроизолировались. Через 200 суток бетонные элементы были полностью разгружены с разных уровней напряжений сжатия и на них в течение 70 суток измерялись деформации упругого последействия. Общая продолжительность длительных экспериментов составила 270 суток. С целью проверки одной из сторон принципа наложения воздействий, одновременно в том возрасте бетона, в котором производились разгрузки образцов, впервые загружались образцы-близнецы теми же постоянными напряжениями различной интенсивности. Эксперименты проводились в лаборатории при квазистационарном температурно-влажностном режиме: t =(20±2) ⁰С, φ =(85±5)%. Для исключения деформаций, связанных с усадкой и незначительными изменениями температуры в лаборатории, служили три незагруженных изолированных образца-близнеца.

Перед установкой бетонных элементов на длительные испытания, а также в процессе и после завершения длительных испытаний во всех сериях экспериментов испытывались группы образцов на кратковременное действие нагрузки. По результатам кратковременных испытаний определялись разрушающая нагрузка в момент загружения бетонных элементов, характер нарастания прочности и модуля упругости бетона во времени, а также была получена информация о влиянии предшествующего длительного загружения на кратковременную прочность и модуль упругости поризованного бетона.

В результате анализа полученных данных было установлено.

Характер развития и степень нелинейности деформаций ползучести сжатых элементов из поризованного бетона зависят от величины напряжения и продолжительности загружения (рис.1). Ползучесть элементов из мелкозернистого поризованного бетона развивается во времени медленнее, чем из микрозернистых бетонов, и стабилизируется к более поздним срокам. Деформации быстронатекающей ползучести для сжатых элементов из поризованного бетона составляли до 10-14 % деформаций ползучести, измеренных в конце опыта. При напряжениях до 0,3 R_bm деформации бетонных элементов носят затухающий во времени характер, при напряжениях 0,45-0,75 R_bm – слабо затухающий. При уровнях напряжений σ > 0,75 R_bm в экспериментах через некоторый промежуток времени после загружения наблюдалось резкое увеличение скорости деформирования с последующим трещинообразованием и разрушением бетонных элементов.

Граница перехода от практически линейной ползучести к существенно нелинейной, установлена на уровне напряжений, соответствующих 0,60 R_bm для элементов из мелкозернистого бетона и 0,45 R_bm – из микрозернистого (рис.2). Нелинейность при меньших напряжениях носит временный характер – проявляется вблизи момента загружения и полностью исчезает через 12-14 суток выдержки под нагрузкой. Следует заметить, что с ростом продолжительности наблюдения происходит снижение относительного уровня напряжений в связи со старением (набором прочности) бетона. Следовательно, действительная граница перехода линейной области ползучести в нелинейную будет уменьшаться. К окончанию опытов она составила 0,47, 0,49 и 0,52 R_bm для элементов из мелкозернистого и 0,32, 0,34 и 0,36 R_bm для элементов из микрозернистого поризованных бетонов марок по средней плотности D1200, D1400 и D1600 соответственно.

Сжатые элементы из поризованного бетона не обладают повышенной длительной деформативностью по сравнению с другими видами легких макропористых бетонов (см. табл. 5 [4]). Предельные значения характеристик и мер линейной ползучести с учетом старения бетона составили 2,4-3,6 и (18,0-61,9)∙10⁵ МПа^-1 соответственно для элементов из мелкозернистых бетонов и 1,9-2,5 и (21,6-61,6)∙10⁵ МПа^-1 – для микрозернистых бетонов. Бетонные элементы плотной мелко- и микрозернистой структуры характеризуются предельными значениями мер ползучести, равными 7,4 и 13,8 ∙10⁵, МПа^-1 соответственно. Экспериментально-статистическими зависимостями установлено, что снижение меры ползучести и упругого последействия при увеличении средней плотности бетона для элементов из микрозернистого бетона происходит менее интенсивно, чем для элементов из мелкозернистого бетона. Более существенное значение на ползучесть поризованного бетона оказывает содержание макропор в его структуре, нежели вид наполнителя.

Исследование деформаций упругого последействия после разгрузки бетонных элементов показало, что даже при низких напряжениях наблюдается лишь частичная обратимость деформаций ползучести. Деформации упругого последействия поризованного бетона практически линейно зависят от напряжений, действовавших в элементах до их разгрузки, а степень обратимости деформаций ползучести тем больше, чем выше марка бетона по средней плотности, а также у мелкозернистых бетонов (0,28-0,35), чем у микрозернистых (0,27-0,31). С позиций принципа наложения воздействий, степень обратимости деформаций линейной ползучести в элементах из поризованного бетона составляла в среднем 0,56 и 0,47 соответственно для мелко- и микрозернистого бетона. С ростом относительного уровня напряжений степень их обратимости снижалась и при σ = 0,75 R_bm составляла соответственно 0,47 и 0,35. В связи с указанным, вытекает нестрогость принципа наложения воздействий при разгрузках сжатых элементов из поризованного бетона. Поэтому применение принципа наложения воздействий для аппроксимации деформаций поризованного бетона при полных разгрузках может привести к некоторым погрешностям.

Сопоставление данных о прочности и модуле упругости бетонных элементов, находившихся под длительной нагрузкой различной интенсивности и ранее ненагружавшихся, позволяет утверждать, что при уровне напряжения:

Ø до 0,15 R_bm – изменения указанных характеристик практически нет;

Ø (0,30-0,60) R_bm – прирост прочности и модуля упругости поризованного бетона составил соответственно до 17 и 10 % - для мелкозернистых бетонов, до 20 и 12 % - для микрозернистых и до 10 и 8 % - для плотных бетонов;

Ø (0,60-0,75) R_bm – происходит снижение R_b и E_b из-за интенсивного накопление дефектов в структуре бетона.

Проведенные исследования выявили некоторые особенности процесса деформирования поризованного бетона в сжатых элементах и создающие предпосылки для успешного его применения как в ограждающих, так и в несущих конструкциях малоэтажных зданий [5]. При этом мелкозернистый поризованный бетон следует признать более перспективным для практического использования, так как при одинаковой средней плотности и незначительной разнице в мерах ползучести, его деформации усадки на 40 % меньше, чем у микрозернистого бетона.

Литература:

1. Чернышов Е.М. Поризованные бетоны для теплоэффективных жилых домов [Текст] / Е.М. Чернышов, Г.С. Славчева, Н.Д. Потамошнева, А.И. Макеев // Известия вузов. Строительство. - 2002.- №5. - С. 21-28.

2. Чернышов Е.М. Поризованные бетоны для конструкций малоэтажных зданий [Текст] / Е.М. Чернышов, Г.С. Славчева, Н.Д. Потамошнева, А.И. Макеев // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2006.- №5. - С. 16-19.

3. Методические рекомендации по исследованию усадки и ползучести бетона / С.В. Александровский, В.В. Соломонов. – М.: НИИЖБ, 1975. – 117с.

4. Пособие по проектированию жилых зданий. Вып.3. Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-89) / ЦНИИЭП жилища Госкомархитектуры, 1989. – 267с.

5. Чернышов, Е.М. К нормированию конструкционных свойств поризованного бетона для монолитного строительства / Е.М. Чернышов, Г.С. Славчева, М.В. Новиков // Современные проблемы механики строительных конструкций: Мат-лы междунар. конгресса "Наука и инновации в строительстве". – Воронеж, 2008. – Т. 2. - С. 227 – 237.