авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Строительные конструкции c заданными свойствами на основе сталефибробетона

На правах рукописи

Талантова Клара Васильевна СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ C ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ НА ОСНОВЕ СТАЛЕФИБРОБЕТОНА 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Барнаул 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Левон Рафаэлович Маилян доктор технических наук, профессор Владимир Васильевич Адищев доктор физико-математических наук, профессор Виктор Иванович Самсонов Ведущая организация ГОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится _ на заседании диссертационного совета ДМ 212.171.01 при ГОУ ВПО «Новосибирский государствен ный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)» по адресу:

630008, г. Новосибирск 8, Ленинградская ул., 113.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин).

Автореферат разослан «_» 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.Г. Себешев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Стратегия научно технического развития инвестиционно-строительного комплекса РФ на период до 2020 года состоит, кроме прочего, «…в снижении массы строительных конструкций, а также освоении выпуска нового поколе ния высококачественных строительных материалов и изделий, в том числе композитных».

Поиск путей дальнейшего повышения технико-экономической эффективности строительства привел к созданию нового поколения строительных конструкций (СК), в том числе, на основе бетона. Среди них особое место занимают сталефибробетонные (СФБ) и сталефиб рожелезобетонные (СФЖБ) конструкции, которые изготавливаются на основе строительного композита – сталефибробетона. Строительный композит – СТАЛЕФИБРОБЕТОН, признанный во всем мире конструкци онный материал, позволяет эффективно реализовывать все известные направления усовершенствования СК. Более того, его применение от крывает возможность создавать конструкции с заданными свойствами и управлять ими. При всех неоспоримых преимуществах разработок элементов конструкций на основе СФБ, обладающих, по сравнению с традиционными бетонными и железобетонными (ЖБ), повышенными технико-экономическими показателями, они не нашли достойного применения в отечественной практике строительства. В нашей стране, при наличии значительного объема результатов экспериментально теоретических исследований СФБК (СФЖБК), еще нет необходимой и достаточной теоретической и практической базы, которая могла бы обеспечить их целесообразное использование в строительстве. Оче видна потребность в разработке научных и практических основ созда ния элементов конструкций с применением СФБ с заданными свойст вами.

Решение проблемы создания СФБК и СФЖБК с заданными свой ствами следует рассматривать, как важное научное направление в раз витии теории и практики строительных конструкций. В представляе мой диссертации разработаны технические и технологические реше ния, внедрение которых вносит вклад в развитие экономики страны. В связи с этим диссертация, посвященная разработке научных и практи ческих основ создания СФБ элементов конструкций с заданными свойствами, является актуальной.

Цель исследований: разработать научные и практические основы создания элементов конструкций с применением строительного ком позита – сталефибробетона с заданными свойствами.

Задачи исследований:

• разработать научные основы создания СФБ элементов конструкций с использованием фундаментальных положений в области железобе тона (ЖБ) и теории классических композиционных материалов (КМ), в том числе разработать принципы формирования свойств СФБ и их целенаправленного регулирования, в зависимости от напряженно деформированного состояния (НДС) СФБК и предложить способы их практической реализации;

• на основе экспериментальных исследований свойств СФБ:

- дать сравнительную оценку фибр, предлагаемых на российском рын ке и определить области их применения;

- изучить атмосферную стойкость СФБ и СФБК;

- определить зависимость прочностных характеристик СФБ от техно логических факторов, определяющих его структуру;

• разработать практические основы создания элементов СФБ конст рукций с заданными свойствами;

разработать предложения по техно логии их производства;

• разработать методику и провести экспериментальные исследования новых элементов конструкций на основе СФБ, выполнить анализ ре зультатов и сопоставить их с теоретическими данными;

• разработать основные положения рекомендаций по проектирова нию и изготовлению элементов СФБ конструкций с заданными свой ствами.

Объект и предмет исследований. Объект исследований – строи тельный композит – сталефибробетон и элементы конструкций на его основе. Предмет исследований – научные и практические основы соз дания СФБ (СФЖБ) элементов конструкции, базирующиеся на фун даментальных положениях теории ЖБ и классических КМ, а также на результатах исследований специалистов, накопленных в России и за рубежом, с использованием современных методов исследований и программных средств, а также развитие этих методов, представляемое автором настоящей работы.



Методы проведения исследований. В представляемой работе выполнены как теоретические, так и экспериментальные исследова ния, которые проводились с использованием методов математическо го и физического моделирования, метода анализа размерностей, мето дов математической статистики и др. Математическая обработка дан ных, а также численный анализ осуществлялись с помощью матема тических пакетов Maple, MathCAD, программного вычислительного комплекса SCAD и т.п. Экспериментальные исследования проводи лись на лабораторных образцах, моделях, а также натурных элементах конструкций на испытательной и инструментальной базе ГОУ ВПО АлтГТУ им. И.И. Ползунова, ГУП «Алтайавтодор», Новоалтайского завода ЖБИ им. Г.С. Иванова, Барнаульского КЖБИ - 2, руководству и сотрудникам которых автор выражает благодарность за предостав ленную возможность проведения исследований на технической базе предприятий.

Научная новизна • Предложено новое научное направление создания элементов СФБ конструкций с заданными свойствами, состоящее в формировании свойств СФБ в зависимости от НДС СК.

• На основе численного моделирования разработан метод определе ния рациональной области фибрового армирования в зависимости от размеров сечения элемента, типа и геометрии фибры. Определены об ласти рационального фибрового армирования, обеспечивающие за данную прочность при минимальном расходе фибровой арматуры.

• Введен критерий рациональной формы элемента СФБ конструкции Kred. Он позволяет регламентировать геометрию и рациональные па раметры фибрового армирования, что обеспечивает наименьший, из возможных, расход материалов при заданных эксплуатационных ха рактеристиках.

• Предложены методы регулирования свойств СФБ в соответствии с НДС элемента конструкции за счет управления физико механическими характеристиками межфазного слоя «фибра-матрица».

• Выявлены области рационального применения фибр различного типа, предлагаемых российским рынком и наиболее употребляемых отечественными специалистами.

• Получены зависимости атмосферной стойкости СФБ от длительно сти внешних воздействий, а также экспериментально подтверждена высокая атмосферная стойкость СФБ и СФБК в жестких климатиче ских условиях.

• Разработана классификация СФБ по прочности, в соответствии с классами определены его нормативные сопротивления. Получены ко эффициенты надежности по сталефибробетону, позволяющие опреде лять расчетные сопротивления СФБ.

• Разработаны принципы подготовки исходных данных и создания элементов конструкций на основе сталефибробетона с заданными экс плуатационными характеристиками.

Практическая значимость полученных результатов • Разработан и прошел экспериментальную проверку принцип подго товки исходных данных для проектирования и изготовления элемен тов СФБ конструкций, выбора класса СФБ по прочности, параметров фибрового и регулярного армирования, характеристик бетонной мат рицы, технологических параметров.

• Разработаны, согласованы с Минавтодором РСФСР и опубликова ны «Рекомендации по применению сталефибробетона в конструкциях дорожных одежд и мостов», Барнаул, 1988. – 47с.

• Разработаны и зарегистрированы в установленном порядке ТУ 5751-001-01505908-97 «Смеси сталефибробетонные для промышлен ного, гражданского и дорожного строительства» и ТУ 7399-013 31480175-98 «Дверь хранилища ценностей ДХЦ-8».

• Разработаны, изготовлены и сертифицированы двери бронирован ные кладовых хранения ценностей 8 го класса устойчивости к взлому (совместно с ЗЗП, г. Бийск).

• Разработаны и отлажены технологические участки, оснащенные специальным оборудованием и приспособлениями, по производству тонкостенных водоотводных СФБ лотков (в условиях Новоалтайского завода мостовых конструкций ГУП «Алтайавтодор») и СФБ контей неров для длительного хранения и захоронения токсичных промыш ленных отходов (в условиях Новоалтайского завода ЖБИ).

• Разработан, отлажен и прошел полупроизводственные испытания бункер – питатель вибрационный стальной фибры 47.МО27.00.000.РЭ.

• Разработаны новые СФБ элементы конструкций различного назна чения, которые, при обеспечении заданных свойств, обладают высо кими технико-экономическими показателями (ТЭП), что подтвержда ет справедливость предлагаемых в представляемой работе решений.

• Научно-исследовательская работа, посвященная применению СФБ в дорожном строительстве, была включена в раздел важнейших тема тик СоюздорНИИ, отраслевую программу Госстроя СССР 0.55.16.0.34 «Разработать и внедрить эффективные конструкции из фибробетона».

• Материалы представляемых исследований используются в учебном процессе при чтении курса «Железобетонные и каменные конструк ции» студентам специальностей «Промышленное и гражданское строительство», «Проектирование зданий», «Экспертиза и управление недвижимостью» и др.;

при выполнении курсовых и дипломных про ектов и работ, а также в научных работах студентов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту • научные основы создания элементов СФБ конструкций с заданны ми свойствами, включая методы регулирования свойств материала в зависимости от НДС элемента конструкции (впервые разработанную методику определения рациональной области фибрового армирования СФБК, критерий рациональности сечения;

метод регулирования свойств межфазного слоя «фибра-матрица»);

• результаты экспериментальных исследований свойств СФБ;

• практические основы создания элементов СФБК (классификация СФБ по прочности, принципы подготовки исходных данных в соот ветствии с НДС элемента и создания СФБК с заданными свойствами), предложения по технологии производства элементов СФБК;

• новые элементы СФБК (СФЖБ) различного назначения с заданными свойствами, обладающие ТЭП, превосходящими показатели типовых аналогов.

Достоверность полученных результатов, представленных в дис сертации, подтверждается:

• использованием современных методов исследований, современных лицензионных программных средств и электронных приборов, а так же поверенных приборов и оборудования в сертифицированных лабо раториях;

• оценкой надежности результатов вероятностно-статистическими методами, хорошей сходимостью результатов расчетов и эксперимен тальных данных.

Личный вклад автора Диссертационная работа выполнялась автором самостоятельно на кафедре «Строительные конструкции» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова с 1979 по 2008 гг.

Апробация результатов исследований. Материалы эксперимен тально-теоретических исследований были представлены и обсуждены на следующих конференциях: «Общества железобетонщиков Сибири и Урала» с 1993 по 2006 гг. (Новосибирск);

12th INTERNATIONAL conference on composite materials. France, Jules 5 – 9, 1999 (Paris);

«Ар хитектура и строительство», 2000 г. (Томск). 13th NTERNATIONAL conference on composite materials. ICCM-13, China, 2001 (Beijing);

меж дународной научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред.

ЭМФ 2001. Композиционные и порошковые металлические материа лы» (Барнаул);

«Бетон на рубеже третьего тысячелетия»: 1-й Всерос сийской конференции по проблемам бетона и железобетона, 2001 г.

(Москва);

Всероссийской научно-практической конференции «Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений на них», 2001г. (Барнаул);

международной научно-технической конфе ренции «Композиционные строительные материалы. Теория и практи ка», 2001 г. (Барнаул);

научно-технической конференции «Наука, об разование, технологии, рынок», секции «Проблемы развития теории сооружений и совершенствования строительных конструкций», г. (Томск);

международной научно-практической конференции «Ре гиональные аспекты обеспечения социальной безопасности населения юга Западной Сибири – проблемы защиты от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера», с 2003 по 2006 гг. (Барнаул);

«Бетон на рубеже третьего тысячелетия»: 2-ой Всероссийской (Меж дународной) конференции по проблемам бетона и железобетона, г. (Москва);

I - ой Всероссийской конференции «Проблемы оптималь ного проектирования сооружений», 2008 г. (Новосибирск);

«Научно технической конференции студентов, аспирантов и профессорско преподавательского состава АлтГТУ» с 1985 по 2008 гг. (Барнаул).

Результаты исследований обсуждались на совещаниях и семинарах в Коллегии Госстроя СССР, НИИЖБ Госстроя СССР, СоюздорНИИ, ДИЛ МАДИ, на коллегии Минавтодора РСФСР.

Элементы СФБ конструкций экспонировались на выставках: в 1982-1984 гг. – ВДНХ СССР и Алтайского края;

в 1995 г. – «Научно технические разработки вузов России и предприятий Алтайского края» и «Жилище-95» (Барнаул);

в 1996 г. – «Банк и офис» (Барнаул);

в 1997 г. – «Строительство и благоустройство» (Барнаул);

в 1999 г. – экономический форум «Восток-Сибирь-Запад» (Новосибирск);

в и 2001 гг. «Стройсиб 2000» и «Стройсиб 2001» (Новосибирск) Публикации. По результатам исследований опубликована 131 ра бота, получены авторские свидетельства и патенты.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав, изложенных на 287 страницах, списка литературы, вклю чающего 301 наименование, в том числе 56 зарубежных, и 5-ти при ложений в отдельном томе.

Автор выражает благодарность докторам техн. наук, профессорам В.С. Казарновскому, В.П. Устинову (СГУПС) и Ю.И. Тетерину (ПГУПС) за ценные советы и замечания при подготовке диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении указывается цель работы, ее актуальность, практическая ценность, апробация, формулируются задачи, которые необходимо решить для достижения цели.

В первой главе содержатся основные определения, приводятся данные о структуре и свойствах, а также областях применения строи тельного композита – сталефибробетона. Глава посвящена аналитиче скому обзору существующих решений создания элементов конструк ций на основе СФБ.

Исследования, посвященные бетону, косвенно армированному «железным волосом» или «железной соломой», были выполнены Рос сийским инженером В.П. Некрасовым в начале XX в. К этому времени относятся также работы G.F. Porter (1910 г., USA), V. Feiklin (1914 г., UK). В Советском Союзе, а затем в России, основу знаний о сталефибробетоне сформировали отечественные ученые:

В.К. Кравинскис, Л.Г Курбатов, И.А. Лобанов, А.П. Павлов Ф.Н. Рабинович, В. П. Романов, Г.К. Хайдуков и др. Исследованиями свойств композита – СФБ и разработкой теории расчетов СФБК (СФЖБК) занимались: В.Б. Арончик, Н.Н. Боровских, И.В. Волков, В.П. Вылекжанин, Г.В. Гетун, В.И. Григорьев, В.М. Косарев, Е.Ф. Лысенко, В.И. Соломин, И.К.Сурова, О.Н. Хегай, Ф.Ц. Янкелович и др. Особенности свойств СФБ и технологии произ водства конструкций на его основе исследовали Д.С. Аболиньш, М.А. Волков, Е.В. Гулимова, Б.А. Евсеев, Г.В. Копанский, А.В. Копацкий, О.В. Коротышевский, А.Н. Куликов, В.С. Стерин и др.





Производству и исследованиям стальной фибры посвятили свои ра боты Ф.А. Гофштейн, Е.И. Ермилов, В.И. Попов, А.Ю. Пышминцев, Е.А. Шабловский, Б.М. Цывьян, и др. Несомненно, результаты иссле дований перечисленных ученых базируются на классических работах по созданию высокопрочных бетонов, с комплексом различных свойств, проведенных И.Н. Ахвердовым, Ю.М. Баженовым, В.Г. Батраковым, В.Б. Ратиновым. Кроме того, базой для развития теории расчета СФБК, разработки СФБ конструкций стали основопо лагающие работы по теории железобетонных конструкций (ЖБК), О.Я. Берга, В.М. Бондаренко, А.Б. Голышева, Н.И. Карпенко, В.И. Мурашева и более поздние исследования В.В Адищева, А.В. Забегаева, Л.Р. Маиляна, В.М. Митасова, Г.П. Яковленко и дру гих ученых.

При разработке научных основ получения композита – сталефиб робетона использованы работы, посвященные исследованиям класси ческих композиционных материалов А.А. Берлина, (КМ), С.А. Вольфсона, Г.М. Гуняева, М. Дзако, Д.М. Карпиноса, А. Келли, Рой Л. Мак-Каллофа, С.Т. Милейко, Р. Байрон Пайпса, В.И. Самсоно ва, Т. Фудзи, Цу Вей Цоу, и др.

Большой вклад в развитие науки о СФБ внесли ученые Австрии, Австралии, Бельгии, Германии, Голландии, Испании, Канады, Китая, Польши, США, Франции, Чехии, Швейцарии, Японии, и других стран, из них необходимо отметить J.P. Romualdi, B. Gordon, G.B. Batson, I.A. Mandel, I.L. Carson, W.F. Chen, D.I. Hannant, B. Kelly, P.S. Mangat, A.E. Naaman, R.N. Swamy, D. Colin Johnston, D.R. Lankard, V. Ramakrishnan, G. Ruffert, K. Kordina, W.A. Marsden, J. Vodichka и др.

Композитом - сталефибробетоном называют материал, получае мый на основе бетонной матрицы, произвольно или упорядочено ар мированной короткими стальными волокнами – фибрами конечной длины, диаметром (df), как правило, 0,25 … 1,2 мм, с отношением дли ны к диаметру (lf /df) 50 …120, объемным содержанием (µfv) 0,5 … 3%.

В Российских документах, посвященных СФБ, не приводится ука заний по подготовке исходных данных при проектировании и изго товлении СФБК, ни в части выбора материалов и технологий, ни в во просах их увязки с НДС при эксплуатации элемента конструкции. В связи с этим не удается в полной мере реализовать возможности, за ложенные в фибровом армировании бетона. Это является причиной того, что и на сегодняшний день элементы конструкций на основе СФБ не нашли достойного применения в отечественной практике строительства. Анализ работ различных авторов, а также результаты собственных экспериментально-теоретических исследований показа ли, что выбор концепции обеспечения заданных свойств СФБК дол жен быть взаимоувязан и определяться комплексно, включая вопросы технологии производства.

На основании вышеизложенного целью представляемой диссерта ционной работы является обобщение имеющегося опыта и разработка научных и практических основ создания элементов СФБК (СФЖБК) с заданными свойствами.

Вторая глава содержит научные основы создания элементов кон струкций с применением СФБ. Как и в классических КМ, армирован ных дискретными волокнами, свойства дисперсно армированного стальными фибрами СФБ определяются степенью равномерности их распределения в матрице, зависящей от соотношения длины к диамет ру фибры lf /df. Это, по данным И.А. Лобанова и Е.В. Гулимовой, обеспечивает мелкопористую структуру СФБ с замкнутыми порами и капиллярами и повышенную сопротивляемость СФБК внешним воз действиям. При этом диаметр волокна df должен быть соизмерим со структурными элементами композита и крупностью заполнителя, а тип волокна – соответствовать выбору матрицы.

Характер разрушения СФБ существенно зависит от длины фибры.

Варьирование длины фибры вплоть до критической lc в хрупкой бе тонной матрице СФБ изменяет характер разрушения материала от вязкого до хрупкого, в то время как lc в классических КМ обеспечива ет полное использование свойств волокна и достижение заданных свойств композита. Для элементов СК на основе СФБ, в подавляющем большинстве, требуется обеспечить вязкость при разрушении, т.к.

хрупкое разрушение недопустимо, что невозможно при lf lc. Приме нение традиционной технологии приготовления качественной СФБ смеси обеспечивается при длине фибр, ограниченной отношением lf /df = 100. Применение нетрадиционной технологии производства СФБК (СФЖБК) без предварительного приготовления СФБ смеси по зволяет увеличить длину фибры, необходимую для обеспечения НДС элемента конструкции, вплоть до критической. Критическая длина стальной фибры, как и в классических КМ, зависит от свойств меж фазного слоя, определяющего сцепление фибры с бетонной матрицей.

В свою очередь регулирование сцепления фибры с матрицей позволя ет изменять длину стальной фибры, управлять свойствами СФБ и обеспечивать заданные свойства СФБК (СФЖБК).

Регулирование свойств КМ совмещением различных волокон (по лучение, так называемых, гетероволокнистых КМ по Т. Фудзии, М. Дзако) весьма перспективно и при разработке СФБ с заданными свойствами и элементов конструкций на его основе. Результаты ис следований В.А. Голанцева показали целесообразность такого арми рования при технико-экономическом обосновании его применения.

С целью изучения возможности регулирования прочности СФБ на сжатие (Rfb) и растяжение (Rfbt) при оценке расхода фибр, соответст вующего Rfb, Rfbt в принятой области переменных, был выполнен чис ленный анализ. Исследования проводились применительно к размерам стандартных лабораторных образцов с помощью программы «Фибро бетон». При этом сопротивления СФБ (Rfb и Rfbt) рассчитывались с помощью зависимостей, приведенных в «Рекомендациях по проекти рованию и изготовлению СФБК». Для определения величин Rfb и Rfbt, а также kfb и kfbt автором предложены зависимости:

Rfb = [(Rfb Rb) / Rb]100 %;

(1) Rfbt = [(Rfbt Rbt) / Rbt]100 %;

(2) kfb = mf / Rfb;

(3) kfbt = mf / Rfbt, (4) где Rfb и Rfbt относительные приросты прочности на сжатие и растяжение, %;

kfbtm и kfbm – относительные коэффициенты расхода фибровой арматуры, в кг / %;

mf – расход фибровой арматуры, соответствующий объемному коэффициенту армирования, в кг.

После определения указанных величин для выбранного варианта фибрового армирования совмещением графиков их зависимостей от df, lf, µfv и т.п. для заданного сечения были определены области рацио нального фибрового армирования (рисунок 1).

а) б) Рисунок 1 – Область рационального фибрового армирования для bh = 8020 мм: а) в зависимости от расчетного сопротивления сталефибробетона растяжению (Rfbt), относительного коэффициента расхода фибры (kfbt) и длины фибр (lf);

класс бетона-матрицы б) в зависимости от относительного прироста прочности при растяжении (Rfbt) и относительного коэффициента расхода фибры (kfbt) При разработке новых элементов конструкций на основе стале фибробетона выбор формы сечения или оценку известных предлагает ся выполнять с учетом приведенного коэффициента рациональности сечения Кred = Wred / Ared.

Здесь Wred – момент сопротивления;

Ared – площадь приведенного сечения. Для двутаврового сечения с одиночной регулярной армату рой, например, эти формулы имеют следующий вид:

2 (J bc + f J fc1 + f J ft1 + s J so ) + Sbt. (5) Wred = hx A red = A (1 + fa f ) + A s s.(6) В формулах Ibc – момент инерции сжатой зоны бетона;

Ifc1, Ift1 – момент инерции сжатой и растянутой фиброармиованных по лок;

Iso – момент инерции регулярной продольной арматуры относи тельно нейтральной оси, Sbt – статический момент растянутой зоны бетона. Коэффициенты приведения: для арматуры = E s ;

для фиб s Eb. Коэффициент армирования по площади µ fa = k µ fv.

ры = E f or f Eb Чем больше Кred, тем меньше сечение конструкции и меньше ее вес и более рациональны форма сечения и параметры фибрового армиро вания. Сравнительная оценка с помощью Кred должна производиться для элементов конструкций разной формы, но имеющих одну расчет ную схему.

Свойства СФБ существенно зависят от состояния межфазного слоя «стальная фибра – бетонная матрица», что особенно важно для компо зитов на основе хрупких матриц.

Прочность межфазного слоя зависит от вида и свойств бетонной матрицы, состояния поверхности волокон, сродст ва матрицы и волокна. Специалистами ЛенЗНИИЭП, (ныне С-ПбЗНИИПИ) было разработано химически активное полимерцементное покрытие, в состав которого было включено 60 % поливи нилбутираля (ПВБ) и 40% портландце Рисунок 2 – Прочность мента (ПЦ). Такой состав, по данным сталефибробетона разработчиков, увеличивает прочность на растяжение при изгибе межфазного слоя и повышает сцепление в зависимости от состояния поверхности фибр: фибры с матрицей. На основе этого бы 1 – контрольные образцы с ло сделано предположение о повышении df=0,3мм, lf=15 мм;

свойств межфазного слоя при введении 2 – то же, lf= 30 мм;

в состав полимерцементного покрытия 3 – образцы с фиброй, браунмиллеритового (железистого) це покрытой 60%ПВБ+40%ПЦ, lf =15мм;

4 – образцы мента (ЖЦ) вместо ПЦ.

с фиброй, покрытой Экспериментальные исследования 60%ПВБ+40%ЖЦ, lf =15мм межфазного слоя с полимерцементной композицией как с ПЦ так и ЖЦ, показали, что наличие в полимерце ментной композиции ПЦ увеличивает ее микротвердость в 1,87 раза по сравнению с контрольным вариантом, а ЖЦ – почти в 3 раза. Изго товление и испытание на растяжение при изгибе образцов СФБ, с применением фибр с покрытием, подтвердили принятое предположе ние (рисунок 2). Из графика на рисунке 2 следует, что использование в полимерцементной композиции ЖЦ позволяет повысить прочность СФБ на 57%, сократив длину фибры вдвое (lf / df до 50). Использова ние ПЦ привело к повышению прочности СФБ лишь на 30%. Разру шение контрольных образцов СФБ носило вязкий характер, образцы же СФБ с покрытием фибры с ЖЦ разрушались хрупко. При этом на блюдался разрыв фибр, т.е. их полное использование (рисунок 3). По лимерцементное покрытие, содержащее ПЦ, не привело к хрупкому разрушению, произошел разрыв не более 15 20 % фибр.

а) б) Рисунок 3 – Разрушение сталефибробетонного образца за счет разрыва фибр, покры тых 60%ПВБ + 40%ЖЦ, после испытания на растяжение при изгибе: а) общий вид;

б) микрофотография оборванной фибры, покрытой 60%ПВБ + 40%ЖЦ (при 30-кратном увеличении) Изменяя, помимо прочего, свойства межфазного слоя «фибра – матрица», можно, в зависимости от назначения конструкции, регули ровать прочностные и деформативные характеристики материала и обеспечивать заданные эксплуатационные свойства элементов конст рукций.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям свойств сталефибробетона. Прежде всего, оценивались свойства СФБ с фибрами, предлагаемыми на российском рынке и наиболее часто употребляемыми отечественными специалистами. Всего было изго товлено и испытано 15 серий образцов (1140 шт.) с различным объем ным процентом армирования (µfv = 1,0;

1,5;

2,0). По результатам, по лученным в экспериментах, были определены сопротивления СФБ сжатию (Rfbm), растяжению при изгибе (Rftbm) и растяжению при рас калывании (Rfbtshm), МПа. На основе статистической обработки экспе риментальных данных для прочностных характеристик СФБ, были построены гистограммы эмпирических распределений, которые по зволили предположить, что характер распределения для всех рассмат риваемых случайных величин прочности СФБ (Rfbm, Rftbm, Rfbtshm) под чиняется нормальному закону. Проверка по критерию 2 Пирсона подтвердила сделанное предположение (уровень значимости составил 0,01). На рисунке 4 приведены соответствующие кривые нормального распределения прочности СФБ на сжатие. Определение нормативных сопротивлений СФБ на сжатие выполнялось с обеспеченностью Р = 0,95, расчетных сопротивлений – с обеспеченностью Р = 0, по формуле R fbn = R fbm fb, (7) где – квантиль функции Лапласа;

( ) = P 0,5 ;

0, нормального распределения, Pi Значения функции плотности Ф – табулированная 0, функция Лапласа;

0, fb – среднеквадрати ческое отклонение пара 0, метра прочности СФБ на сжатие Rfb.

39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 Среднее значение прочности сталефибробетона на сжатие Rfb, МПа На основе результа Рисунок 4 – Кривые плотности вероятностей проч- тов статистической обра ности сталефибробетона на сжатие (образцы – ку ботки эксперименталь бы 101010 см с µ fv=2,0%) для фибр:

ных данных были опре листовой ;

фрезерованной ;

делены коэффициенты токарной ;

проволочной надежности по стале фибробетону на сжатие, растяжение при изгибе и при раскалывании в зависимости от типа рассматриваемых в представляемой работе фибр, объемного процента армирования и геометрии сечения образца из со отношений Rfbn / Rfb = fb;

Rftbn / Rftb = ftb;

Rfbtshn / Rfbtsh = fbtsh (таблица 1).

Таблица 1 – Коэффициенты надежности по сталефибробетону в зависимости от типа фибр и напряженного состояния образца Тип фибры Напряженное состояние токарная проволочная листовая фрезерованная Сжатие, fb 1,15 1,14 1,16 1, Растяжение при изгибе, 1,17 1,15 1,12 1, ftb Растяжение при 1,16 1,13 1,18 1, раскалывании, fbtsh Наблюдения за характером разрушения СФБ показали, что образ цы с проволочной и токарной фиброй разрушались плавно и вязко без потери формы образца;

с фрезерованной фиброй – хрупко с характер ным треском и заметными разрушениями образца, с листовой фиброй – характер разрушения средний между СФБ с проволочной и фрезеро ванной фиброй.

Исследование деформативных свойств СФБ подтвердили выводы, сделанные в процессе изучения его прочностных характеристик. При менение проволочной и токарной фибр обеспечивает получение мате риала со стабильными и прогнозируемыми свойствами, обладающего растяжимостью, превышающую растяжимость бетона более чем на порядок, чего нельзя сказать о СФБ с листовой и, тем более, фрезеро ванной фиброй (рисунок 5). Применение последней практически не приводит к изменению деформаций растяжения СФБ по сравнению с бетоном.

а) б) 8 Напряжение fbt, МПа Напряжение fbt, МПа 0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04 4,00E-04 5,00E- 0,0E+00 2,0E-04 4,0E-04 6,0E-04 8,0E-04 1,0E-03 1,2E-03 1,4E- Относительная деформация растяжения fb t Относительная деформация растяжения fbt Рисунок 5 – Графики зависимости напряжение-деформация при испытании на рас тяжение при изгибе сталефибробетона:

а) с токарной;

б) фрезерованной фиброй;

µfv= 2% Для экспериментальных исследований атмосферной стойкости СФБ в жестких климатических условиях Алтайского края образцы от 28 суток до 48 месяцев испытывали попеременное замораживание и оттаивание, высокие и низкие температуры, воздействие ветра, дождя, снега, солнечной радиации и т.п. Полученные данные показали, что зависимость прочностных характеристик СФБ от сроков атмосферных воздействий близка к логарифмической, типа y = a ln x + b.

а) б) Рисунок 6 – Экспериментальные зависимости прочностных характеристик стале фибробетона от возраста образцов, подвергнутых атмосферным воздействиям: а) на сжатие и б) растяжение при изгибе. На графиках: 1-призмы 101040см (балки);

2-балочки 4416см 3-кубы 101010см;

4-пластины 8240см Сравнение остаточных дисперсий с полными по критерию Фишера позволило сделать заключение об адекватности построенной модели полученным данным (рисунок 6). Анализ показал, что образцы СФБ через 16 месяцев испытаний показали рост прочности на сжатие в 1,7 раза, на растяжение при раскалывании – до 2-х раз, на растяжение при изгибе – на 15-20%. В последующие месяцы прочностные харак теристики СФБ оставались стабильными. Натурные испытания при трассового водоотводного СФБ лотка в течение 15 лет подтвердили справедливость результатов лабораторных исследований. Представ ленные результаты свидетельствуют о высокой атмосферной стойко сти СФБ и СФБК в жестких климатических условиях.

В результате экспериментальных исследований свойств СФБ в за висимости от технологических параметров, были получены данные прочности СФБ при сжатии, растяжении при изгибе и растяжении при раскалывании, обработка которых производилась с помощью матема тической системы MAPLE V R4. В результате были построены мате матические модели прочности СФБ в зависимости от пяти перемен ных: µfv;

В/Ц;

Sп;

Ц:П и Ж. Хорошее согласие с экспериментом дают степенные модели типа Ri = C x1a1x2а2x3а3x4a4x5a5. Здесь Ri Rfb, Rftb, Rfbtsh;

коэффициенты C и аК найдены методом наименьших квадратов.

Корреляционная зависимость прочностных характеристик СФБ от рассматриваемых факторов сильная (r 0,784…0,915) при хорошей адекватности (R2 0,614…0,876) и точности (V 0,164…0,196).

В четвертой главе формулируются практические основы создания элементов СФБ (СФЖБ) конструкций с заданными свойствами.

Имеющиеся в нашей стране документы по проектированию и из готовлению СФБК содержат много необходимой для практических целей информации. Однако в них не приводятся указаний по подго товке исходных данных ни в части выбора данных при проектирова нии, ни в вопросах их увязки с НДС и эксплуатационными требова ниями, предъявляемыми к элементу СФБ конструкции. Для система тизации прочностных характеристик материала и обеспечения их взаимосвязи с исходными данными разработана классификация СФБ по прочности. Классификация позволяет увязать класс СФБ с его нормативными и расчетными сопротивлениями (таблица 2). Предла гается классифицировать СФБ по прочности на сжатие Bf (от 20 до 80 МПа), осевое растяжение Bft (от 1,0 до 5,0 МПа) и растяжение при изгибе Bftb (от 5,0 до 32,0 МПа).

В зависимости от назначения конструкций можно рекомендовать следующие целесообразные области применения СФБ (таблица 3).

Таблица 2 – Классы сталефибробетона по прочности на сжатие и растяжение и соответствующие нормативные и расчетные сопротивления, рекомендуемые для практических целей (фрагмент) Классы ста- Нормативные/расчетные Классы сталефиб- Нормативные/ лефибробе- сопротивления на растяже робетона по проч- расчетные тона по ние, МПа для конструкций ности на растяже- сопротивления на прочности на массив ние, МПа сжатие, МПа тонкостенных сжатие, МПа ных 20 2,4/1,7 15,0/13,16 2,2/1,79 1,5/1, 2,5/2, 25 19,1/16, 2,8/2,0 1,8/1, 2,8/2, 30 22,6/19, 3,2/2,3 2,1/1, 3,4/2,4 3,0/2,44 2,2/1, 35 25,1/22, 40 3,8/2,8 29,6/25,96 3,3/2,68 2,6/2, 45 4,0/2,9 32,7/28,68 3,5/2,85 2,7/2, 50 4,3/3,1 36,2/31,75 3,7/3,00 2,9/2, 55 4,6/3,3 40,2/35,26 3,9/3,17 3,1/2, 4,8/3,5 4,1/3,33 3,3/2, 60 43,2/37, Назначение элемента конструкции и вид фибры определяют бе тонную матрицу.

Таблица 3 – Рекомендуемые характеристики сталефибробетона в зависимости от назначения элемента конструкции Класс сталефибробетона по прочности Начальный на растя- модуль Назначение элемен- на растя на сжатие жение при упругости та конструкции жение Bft, Еfb103, МПа Bf, МПа изгибе Bftb, МПа МПа Элементы конструк 20-35 - 6,0 -12 2428, ций автодорог Элементы конструк 20-40 1,6-3,2 - 2429, ций мостов Элементы конструк 25-50 1,2-4,0 8 - ций гражданских 25, зданий Малые архитектур 20 2,0 - ные формы Элементы конструк ций специальных 25-45 2,0-6,0 8 -14 25, сооружений При использовании матриц из обычных бетонов целесообразны фибры из низкоуглеродистых сталей. Фибры из высокопрочной стали с относительно небольшим удлинением могут быть использованы в предварительно напряженных конструкциях.

При создании современных СФБ (СФЖБ) конструкций на основе информации, имеющейся в литературе, можно воспользоваться раз ными вариантами фибрового армирования (монодисперсное, поли дисперсное и пр.), которые могут быть использованы как самостоя тельно, так и вместе с регулярной арматурой. При выборе варианта фибрового армирования следует исходить из обеспечения заданных эксплуатационных характеристик СФБ элемента в соответствии с его НДС. Алгоритм подготовки исходных данных для получения элемен тов СФБ, конструкций с заданными свойствами представлен на ри сунке 7.

Рисунок 7 – Алгоритм подготовки исходных данных для получения элементов конструкций с заданными свойствами на основе сталефибробетона В зависимости от типа и назначения элемента СФБ конструкции, его НДС и действующих нагрузок предварительно выбирается класс СФБ по прочности на сжатие (Bf) (и/или на растяжение Bft, и/или на растяжение при изгибе Bftb) и соответствующие нормативные и рас четные сопротивления СФБ, его начальный модуль упругости. Пред варительно выбирается форма и размеры сечения. Затем, с помощью программных средств, например, ВК SCAD, выполняется статический расчет элемента с определением полей напряжений, их максимальных значений и направления. По максимальным напряжениям mt и mc определяются параметры фибрового армирования и класс бетона матрицы, выбирается вариант фибрового (монодисперсное, полидис персное, зонное и т.п.) или комбинированного армирования. Кроме того, уточняется класс СФБ по прочности, его сопротивления, необ ходимые для конструктивного расчета элемента. В общем виде поря док создания элементов СФБ конструкций представлен на схеме (ри сунок 8).

Элемент конструкции.

Нагрузки g, v. НДС.

tmax, cmax, M, f Геометрия сечения Выбор фибрового Выбор бетонной армирования матрицы (df, lf, Rsf;

гр. А, В, С, Д) Сталефибробетон Rfb, Rfbt, Efb Регулирование характеристик межфазного слоя с M Mper, Q Qper, acrc [acrc], f flim Нет Да Соответствие Нет технологии фибровому армированию Да Ценанового Ценатипового Нет решения решения Да СФБК (СФЖБК) Рисунок 8 – Алгоритм создания элементов конструкций на основе сталефибробетона с заданными свойствами В случае необходимости обеспечения коррозионной стойкости, морозостойкости, водонепроницаемости элементов СФБ конструкций, целесообразно воспользоваться монодисперсным армированием с произвольным (квазиизотропным) распределением фибр по сечению.

При этом назначают параметры фибрового армирования lf /df в зави симости от размеров сечения (bh), µfv µfv,min и df 0,25мм, но df 0,6мм. При зонном монодисперсном армировании для зон, под верженных сжатию, lf /.df следует назначать не более 50, для растяну тых зон – lf / df 100, µfv определяется для каждой зоны в соответствии с уровнем напряжений. Элементы СФБ конструкций с монодисперс ным армированием могут быть рассчитаны по известным правилам, имеющимся в отечественной литературе. При использовании поли дисперсного армирования можно воспользоваться зависимостями, предложенными В.А. Голанцевым, для армирования фиброкаркасами – разработками О.В. Коротышевского.

Рисунок 9 – Формирование схемы зонного фибрового монодисперсного армиро вания ребра сталефиброжелезобетонной плиты перекрытия (сверху) в соответствии с картиной полей напряжений (снизу), полученной средствами ВК SCAD С помощью программы «СФБ конструктор», разработанной в рамках представляемых исследований, может быть выполнено автоматизированное проектирование тонкостенных элементов СФБ конструкций. На рисунке 9 представлен пример автоматизированного формиро вания схемы зонного фибрового монодисперсного армирования.

Приготовление СФБ смеси – один из ответственных этапов производства СФБК. Для обеспечения качества СФБ Рисунок 10 – Вибропитатель смеси специалистами АНИТИМ (г.

стальной фибры. Общий вид:

Барнаул), под руководством автора 1 – двигатель;

2 – основание;

диссертации, разработан и отлажен 3 – вибровозбудитель;

вибропитатель 47.М027.00.000.РЭ для 4 – корпус;

5 – обечайка;

6 – опора пружинная подачи стальной фибры (рисунок 10), с помощью которого подача стальной фибры может быть осуществлена как в смеситель, так и на месте формования. Полупроизводственные испытания показали его высокую производительность и гарантию разрыхления комков фибр с соотношением длины к диаметру (lf/df) до 300. Одним из эффективных нетрадиционных способов производства элементов тонкостенных СФБ конструкций является их формование методом гнутья плоской свежеотформованной заготовки и ее фиксации до набора прочности в положении, обеспечивающем проектные размеры.

Пятая глава посвящена созданию элементов СФБ (СФЖБ) конструкций различного назначения на базе научных и практических основ, разработанных в диссертации. Одним из нетрадиционных решений предлагается тонкостенная СФЖБ плита перекрытия двутаврового сечения с развитой растянутой полкой (патент РФ на полезную модель № 49547 от 27.11.2005). Выбор формы сечения плиты основан на необходимости создания гладкого потолка и возможности учета в расчетах прочности СФБ на растяжение Rfbt.

Сжатая полка обеспечивает устойчивость тонкостенного ребра и удобство устройства конструкции пола (рисунок 11).

Высота сечения полок и ребра плиты приняты из соображений ми нимизации веса плиты. Средствами ВК SCAD был выполнен числен ный анализ включения ширины растянутой полки в работу в зависи мости от ее ширины. Анализ показал, что в расчетах СФЖБ плиты пе рекрытия при 600 bf 1200 необходимо учитывать всю ширину рас тянутой полки, если bf 1200 мм в расчет следует включать (0,55…0,6) bf. С целью проведения экспериментальных исследований была запроектирована опытная СФЖБ плита пролетом 2,4 м. Средствами про граммы «СФБ конструктор» было выбра но монодисперсное фибровое армирова ние стальной фиброй из проволоки по ГОСТ 3282 диаметром df = 0,5 мм, дли ной lf = 50 мм и объемным содержанием µfv = 1,0 %. Расчеты показали, что 1 % Рисунок 11 - Поперечное сече- фибрового армирования и 15 Вр-I регу ние сталефиброжелезобетон лярной арматуры в растянутой зоне обес ной плиты перекрытия печивают заданную несущую способ ность и жесткость плиты. Рациональность формы сечения разрабаты ваемой СФЖБ плиты и параметры ее фибрового армирования были оценены приведённым коэффициентом рациональности сечения Kred, который составил Kred = 0,075 м против 0,056 м для типовой много пустотной ЖБ плиты – аналога.

Натурные испытания опытных СФЖБ плит (рисунок 12) подтвердили правильность при нятых предпосылок и предлагаемой в диссер тации концепции создания СФЖБК с задан ными свойствами. На основе результатов экс периментальных исследований были выпол нены расчеты технико-экономических показа телей СФЖБ плиты в сравнении с типовой многопустотной плитой (таблица 4).

Проверка предлагаемой концепции созда Рисунок 12 – Состояние ния элементов СФБ конструкций с заданными опытных плит перед свойствами была осуществлена и при разра снятием нагрузки ботке СФБ контейнера для длительного хра нения и захоронения токсичных промышленных отходов (ТПО).

Таблица 4 – Технико-экономическое сравнение вариантов плит Тип плиты перекрытия Показатели Типовая Нетиповая сталефибро на 1 м2 железобетонная железобетонная ПК 60.12-4 Ат Vт Вес кг / % 292 / 100 94 / Суммарный кг / % 3,52 / 100 2,62 / расход стали Расход бетона м3 / % 0,117 / 100 0,04 / Себестоимость руб. / % 183,65 / 100 128,04 / изготовления Трудоемкость чел-час. / % 0,88 / 100 0,74 / изготовления На основе численного анализа было получено, что по технико экономическим показателям предпочтительной является бочкообраз ная форма СФБ контейнера, срединная поверхность которой является усеченным эллипсоидом вращения (патент РФ № 2268218 от 20.01.06), с приведенным коэффициентом рациональности сечения Kred = 0,443 м против Kred = 0,329 м для цилиндра (рисунок 13). Для эксперимента было принято физическое моделирование при простом подобии. Масштабный коэффициент принят ml = 2, материал модели и натурного элемента – СФБ. Габаритные размеры СФБ модели: высота 0,81 м, максимальный диаметр 0,755 м и диаметр основания 0,551 м.

Статический расчет модели был вы полнен методом конечных элементов средствами ПВК SCAD на действие нагрузок от многоярусного складиро вания, внутреннего давления от не контролируемых химических реакций и собственного веса контейнера. В результате статического расчета СФБ модели контейнера была получена Рисунок 13 Показатель расхода картина полей напряжений в стенке СФБ модели (рисунок 14, а), в соот материала контейнера на единицу токсичных ветствии с которой была сформиро промышленных отходов вана схема зонного фибрового моно дисперсного армирования (рисунок 14, б). Для этого с помощью про граммы «Фибробетон» была определена рациональная область фибро вого армирования модели СФБ контейнера.

а) б) =1 863 кП а, µ = 1 %, R fb t=1 880 кП а 1 =2 928 кП а, µ =1.65 %, Rfbt=2 9 59 кП а 2 1 =2 503 кП а, µ = 1 %, Rfbt=2 543 кП а Рисунок 14 – Проектирование модели сталефибробетонного контейнера:

а) картина полей напряжений в стенке модели;

б) схема зонного фибрового монодисперсного армирования стенки сталефибробетонного контейнера 1– направление главных площадок;

2 – границы зон армирования;

3 – направления ориентации фибр;

1 – значение главных растягивающих напряжений По максимальным значениям главных растягивающих напряжений затем были уточнены параметры фибрового армирования: фибра из проволоки по ГОСТ 3282 df=0,35 мм;

lf= 40мм;

объемное содержание фибр (µfv) по зонам (рисунок 14, б). В соответствии с проектом модели была разработана нестандартная опалубка и технология поэтапного формования. Для проведения эксперимента в условиях производства НЗЖБИ (г. Новоалтайск) был разработан и смонтирован испытатель ный стенд, с помощью которого прикладывалось внешнее сжатие, а также создавалось внутреннее избыточное давление (рисунок 15, а).

Испытания проводились по двум группам предельных состояний. В процессе приложения внешней сжимающей нагрузки, вплоть до ее контрольного значения, в зоне максимальных напряжений в стенке модели образования «ацетоновых» трещин зафиксировано не было.

Приложение внутреннего избыточного давления было произведено после приложения контрольной нагрузки от внешнего сжатия и вы держки в течение 30 минут и осуществлялось совместно с контроль ной нагрузкой от внешнего сжатия.

Разрушение СФБ модели контейнера наступило при совместном действии контрольной внешней сжимающей нагрузки, равной 64,3 кН, и внутреннего избыточного давления, превышающего контрольную нагрузку на 13,3% и составившего 170 кПа.

а) б) Рисунок 15 – Экспериментальные исследования модели сталефибробетонного контейнера: а) испытательный стенд. Общий вид;

б) характер разрушения стенки модели сталефибробетонного контейнера При этом оно произошло в соответствии с картиной полей напря жений и схемой армирования по стенке с образованием вертикальной локальной трещины, с последующим развитием горизонтальных тре щин (рисунок 15, б). Временное сопротивление СФБ на растяжение стенки в опасном сечении в момент разрушения, по результатам изме рений, получилось равным 5,1 МПа, при теоретическом сопротивле нии – 4,5 МПа. Коэффициент надежности по материалу fbt составил 1,13. Фактический коэффициент запаса составил 1,53 (при теоретиче ском значении 1,4). Расчетный прогиб стенки в зоне максимальных напряжений при действии контрольной нагрузки от внешнего сжатия по расчету составил 1,25мм, с отклонением экспериментальных зна чений на 2,8 … 10,8%. Таким образом, конструкция СФБ модели кон тейнера прошла испытания по двум группам предельных состояний и соответствовала требованиям 1-й категории трещиностойкости. На основе результатов экспериментально-теоретических исследований и технико-экономической оценки конструкции СФБ контейнера была определена его техническая характеристика.

Расчетная стоимость захоронения 1 м3 ТПО (по стоимости контей нера) составила 5933 руб. Применение СФБ контейнеров взамен стальных, по расчетам, может снизить стоимость захоронения 1м ТПО на 45,9%. Результаты выполненных экспериментально теоретических исследований контейнера для длительного хранения и захоронения ТПО полностью подтвердили справедливость предлагае мых в работе научных и практических основ создания элементов СФБК.

Мировой опыт свидетельствует о перспективности применения СФБ в дорожном строительстве. К конструкциям такого типа предъ являются требования по морозостойкости (не ниже F200), водонепро ницаемости (W4) и прочности на растяжение при изгибе Bftb не ниже 3,6. Опытный вариант СФБ покрытия автодороги жесткого типа II технической категории был принят равнопрочным типовому. Класс СФБ по прочности на растяжение при изгибе Bftb 4,0 и, соответствен но, прочность СФБ покрытия, равная типовой, обеспечивалась моно дисперсным фибровым армированием с df = 0,3мм;

lf = 30мм;

µfv = 1,0%. При этом расчетная толщина СФБ покрытия составила 60% от толщины типового бетонного (120 мм взамен 200 мм по проекту).

Устройство опытного участка СФБ покрытия, приготовление СФБ смеси и ее укладка осуществлялись с помощью типового оборудова ния с минимальной переналадкой. Наблюдения за состоянием конст рукции покрытия проводились с момента укладки до 2000 года. При этом видимых трещин или других дефектов на поверхности покрытия не обнаружено (рисунок 16), в то время как соседние участки имели значительное количество дефектов и повреждений. По результатам наблюдений можно констатировать высокую стабильность и долго вечность СФБ покрытия без ремонтов и восстановления.

Элемент СФБ конструкции притрассового водоотводного лотка был разработан в виде усеченного полого полуконуса (рисунок 17, а), для которого рационально монодисперсное фибровое армирование класса по прочности на сжатие Вf30 с df = 0,3 мм, lf /df =100, µfv = 1,75%.

Расчеты, выполненные из условия рав ной прочности с типовым лотком полутрубой, показали, что принятые дан ные обеспечивают эксплуатационные ха рактеристики лотка. Для производства тон костенных СФБ лотков весьма рационален метод гнутья свежеотформованной плоской заготовки. C этой целью была разработана формовочная установка, защищенная Рисунок 16 – Участок А.с. СССР 1576337 от 08.03.90 г. и патен покрытия автодороги Новоалтайск – Заринск том РФ № 2269412 от 10.02.2006 г. Распа в Алтайском крае лубка и монтаж элементов СФБ лотков мо из сталефибробетона гут осуществляться с помощью эксцентри через 18 лет эксплуатации ковых грузозахватных устройств, защи щенных А.с. СССР № 1452779 от 22.09.88 г. Указанный метод изго товления элементов СФБ лотков обеспечивает ориентацию фибр в на правлении действующих усилий.

а) б) Рисунок 17 – Притрассовый водоотводной лоток: а) схемы (геометрия;

телескопический стык);

б) фрагмент сталефибробетона, взятый из стенки эксплуатируемого водоотводного лотка (коррозии фибр не наблюдается) Экспериментальная оценка разработанного СФБ элемента лотка была проведена на опытных натурных образцах, изготовленных по разработанной технологии на специально оборудованном участке Но воалтайского завода мостовых конструкций (НЗМК). Эксперимен тальная проверка разработанного решения элемента СФБ лотка осу ществлялась на специально оборудованном стенде, в положении «на боку» с вертикальной передачей нагрузки. Результаты испытаний СФБ лотков показали их соответствие заданным требованиям 2-й ка тегории трещиностойкости и прочности. На основе результатов экс периментально-теоретических исследований был разработан и изго товлен комплект нетипового оборудования, смонтирован и отлажен на полигоне НЗМК участок по производству элементов СФБ лотков.

Изготовленные в заводских условиях элементы СФБ лотка были смонтированы у автодороги на въезде в село Овчинниково, наблюде ния за которыми проводились в течение первого года эксплуатации и далее 15 лет до изменения места положения автодороги. Оценивалось общее состояние и степень коррозии фибр внутри сечения лотка. Че рез год эксплуатации коррозии стальных фибр в сечении СФБ элемен та лотка не обнаружено (рисунок 17, б). Разработанный элемент СФБ лотка обладает равной прочностью с типовым железобетонным, при этом его масса сократилась более чем в 2 раза, по сравнению с массой типового, трудоемкость изготовления снизилась на 36%, металлоем кость бортоснастки сократилась в 3 раза, а себестоимость составила 81% от себестоимости типового аналога.

В диссертации, кроме того, представлены мобильный дом из сбор ных тонкостенных СФЖБ оболочек, цветочные СФБ вазоны, сборно разборное сейфовое помещение, СФБ основание автодороги жесткого типа, накладная СФЖБ плита для увеличения габаритов моста и пр.

Таким образом, результаты выполненных экспериментально – теоретических исследований подтвердили справедливость и перспек тивность сформулированной в диссертации концепции создания эле ментов СФБ (СФЖБ) конструкций с заданными свойствами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Конструкции на основе сталефибробетона, при всех неоспо римых достоинствах, и в современных условиях не нашли достойного применения в отечественной практике строительства. В современных российских документах по проектированию и изготовлению СФБК приводится большой объем информации, которого, однако, недоста точно для системного подхода к созданию СФБК (СФЖБК) с задан ными свойствами, начиная с подготовки исходных данных для проек тирования и заканчивая контролем качества готовых элементов кон струкций.

2. Разработаны научные основы создания элементов СФБК, ба зирующиеся на теории ЖБК и КМ, которые позволяют обоснованно и целенаправленно регулировать свойства СФБК. Разработанная мето дика подготовки исходных данных позволяет определить область ра ционального фибрового армирования, обеспечивающую заданную прочность СФБ при минимальном расходе фибры. Приведенный ко эффициент рациональности сечения kred позволяет выбрать форму се чения, соответствующую минимальному весу элемента при обеспече нии заданных свойств СФБК. Управление характеристиками межфаз ного слоя стальная фибра – бетонная матрица позволяет регулировать свойства материала на физико-химическом уровне и обеспечивать за данные свойства элемента СФБ конструкции.

3. Определены коэффициенты надежности по сталефибробетону (fb и т.п.). Предложены области целесообразного использования 4-х типов фибр из предлагаемых на российском рынке. Получены зависи мости атмосферной стойкости СФБ от длительности внешних воздей ствий. Экспериментально доказано, что СФБ и СФБК обладают высо кой атмосферной стойкостью в жестких климатических условиях. При этом рост прочности СФБ в условиях указанных атмосферных воздей ствий составляет от 20 до 200% (в зависимости от НДС) и сохраняет стабильность в течение длительного времени (не менее 15-и лет).

4. Разработаны практические основы создания элементов СФБК (СФЖБК), которые сформулированы на базе разработанной класси фикации СФБ по прочности (например, Bf20…Bf80 – при сжатии) и соответствующих нормативных и расчетных сопротивлениях. Это по зволяет формировать свойства СФБ для заданных условий эксплуата ции СФБК. Предложена систематизация вариантов фибрового арми рования (монодисперсное, полидисперсное и т.д.) и принципы проек тирования, в зависимости от выбранного варианта. На основе возмож ностей фибрового армирования и современных программных средств (стандартных и разработанных в рамках представляемых исследова ний) разработан алгоритм создания СФБК с заданными свойствами.

Выявлены рекомендуемые характеристики СФБ, в зависимости от на значения элемента конструкции, позволяющие обоснованно выбирать исходные данные для проектирования.

5. Построены математические модели влияния технологических факторов, определяющих структуру СФБ, на его прочность. Предло жены технологические решения производства СФБК (СФЖБК). Раз работана методика проектирования и контроля качества СФБ смеси, разработан и отлажен вибропитатель стальной фибры. Для изготовле ния тонкостенных СФБ элементов конструкций разработан метод гну тья свежеотформованной плоской заготовки, а также метод поэтапно го формования, которые учитывают конструктивные особенности эле мента.

6. Разработаны новые элементы СФБ конструкций различного назначения со свойствами, соответствующими их НДС и сопротивле нию разрушению от внешних воздействий: СФЖБ плита перекрытия при равной прочности с типовой, имеющая вес 1м2 почти на 300% меньше;

СФБ контейнер для длительного хранения и захоронения ТПО позволяет снизить затраты на захоронение ТПО более чем на 40%, и т.п. Результаты экспериментальных исследований СФБК, вы полненных с использованием разработанных методик, подтвердили достоверность представленной концепции создания элементов конст рукций с заданными свойствами на основе СФБ. Разработаны «Реко мендации по применению сталефибробетона в конструкциях дорож ных одежд и мостов», которые содержат данные для разработки эле ментов СФБК для дорожного строительства с заданными свойствами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Статьи в журналах, включенных в список ВАК 1. Талантова К. В. Эксплуатационные характеристики сталефибробетон ных конструкций для дорожного строительства / К.В. Талантова [ и др. ] // Бетон и железобетон. – 2002. – №3. – С. 6–8.

2. Михеев Н. М. К вопросу о классификации стальных фибр для дисперс ного армирования бетонов / Н.М. Михеев, К.В. Талантова // Бетон и железо бетон. 2003. – № 2. – С. 9–11.

3. Талантова К. В. Основы создания сталефибробетонных конструкций с заданными свойствами / К.В. Талантова // Бетон и железобетон. – 2003. – № 5. – С.4–8.

4. Талантова К. В. Создание элементов конструкций с заданными свойст вами на основе сталефибробетона / К.В. Талантова // Известия вузов. Строи тельство. – Новосибирск, 2008. – № 10. – С. 4–9.

5. Талантова К. В. Обеспечение свойств элементов конструкций на осно ве сталефибробетона с учетом влияния характеристик стальных фибр /К.В. Талантова, Э.И. Вингисаар // Известия вузов. Строительство. Ново сибирск, 2008 – № 11 – 12. – С. 123–129.

6. Талантова К. В. Математические модели зависимости прочностных ха рактеристик сталефибробетона от технологических факторов / К.В. Талан това, В.К. Беспрозванных // Бетон и железобетон. – 2009 – № 1. – С.16–19.

7. Талантова К. В. Оболочки покрытия храмовых зданий на основе ста лефибробетона / К.В. Талантова, Л.В. Халтурина // Вестник Белг. гос. техн.

ун-та. – Белгород, 2009 – №1. – С.13–16.

Публикации в других печатных изданиях Рекомендации по применению сталефибробетона в конструкциях до 8.

рожных одежд и мостов / К.В. Талантова [ и др. ];

Алт. политехн. и-т.

– Барнаул, 1988. – 47 с.

9. Талантова К. В. Композит - сталефибробетон в дорожном строительст ве / К.В. Талантова, С.В. Толстенев // Автомобильные дороги. – 1999. – № 9. – С. 24–25.

10. Talantova K. V. The Composite material- steel fiber concrete the highway engineering under Continental climate of the Altai region conditions / K.V. Talan tova [ et al. ] // 12-th NTERNATIONAL conference on composite materials.

ICCM-12, EUROPE. – Paris, 1999. – Pap.485.

11. Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования тонко стенных водоотводных лотков из сталефибробетона / К.В. Талантова, Н.М.Михеев // Вестник Томск. гос. архит. – строит. ун-та. – Томск, 2000. – № 1. – С. 143–152.

12. Талантова К. В. Применение сталефибробетона при реконструкции пролетных строений автодорожных мостов / К.В. Талантова [ и др. ] // Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции, содер жания автомобильных дорог искусственных сооружений на них : труды Все рос. науч.- практ. конф. – Барнаул, 2001. – С.32–331.

13. Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования рабо ты составной конструкции пролетного строения автодорожного моста /К.В. Талантова, С.В. Толстенев, А.С. Тремасов // Экспериментальные ме тоды в физике структурно-неоднородных конденсированных сред. ЭМФ 2001. Композиционные и порошковые металлические материалы: труды вто рой науч.-техн. конф. – Барнаул, 2001. – С. 234–242.

14. Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования кон тактной зоны матрица - волокно строительного композита – сталефибробето на / К.В Талантова // Экспериментальные методы в физике структурно неоднородных конденсированных сред. ЭМФ-2001. Композиционные и по рошковые металлические материалы : труды второй науч.-техн. конф. – Барнаул, 2001. – С. 243–248.

15. Talantova K. V. Superposed Steel Fiber Concrete Slab in Reconstruction and Reinforcement of Smaller Highway Bridges / K.V. Talantova, N.M. Micheev, S.V. Tolstenev // 13 th NTERNATIONAL conference on composite materials.

ICCM-13, China. – Beijing, 2001. – ID 1116.

16. Talantova K. V Research of Properties of Steel Fiber Concrete Depending on Kind of Steel Fiber / K.V. Talantova, N.M. Micheev, A.N. Tuchev //13 th NTERNATIONAL conference on composite materials. ICCM-13, China. – Beijing, 2001. – ID 1217.

17. Талантова К. В. Повышение эксплуатационных характеристик конст рукций для дорожного строительства за счет применения строительного ком позита сталефибробетона / К.В. Талантова [ и др. ] // Бетон на рубеже третьего тысячелетия: материалы 1- й Всерос. конф. по проблемам бетона и железобетона. - М.: Ассоциация «Железобетон». 2001.- Кн.3: Секционные доклады: Секции III – VII. – С. 1732–1742.

18. Талантова К. В. Разработка методов управления свойствами строи тельного композита – сталефибробетона с помощью компьютерного конст руирования / К.В. Талантова, А.Н. Тушев // Ползуновский альманах. – Барнаул, 2001. – № 3 – С.109–112.

19. Талантова К. В. О нормативной базе по проектированию и изготовле нию высокоэффективных сталефибробетонных конструкций / К.В. Таланто ва // Ресурсо - и энергосбережение как мотивация творчества в архитектурно строительном процессе : тр. годичного собрания РААСН / ред. коллегия: В.Н.

Бондаренко (отв. ред.) [ и др. ] – Казань: КГАСА, 2003. – С. 548–552.

20. Талантова К. В. О проблеме захоронения токсичных промышленных отходов / К.В. Талантова // Социальная безопасность населения юга Запад ной Сибири : материалы междунар. науч.- практ. конф. «Региональные ас пекты обеспечения социальной безопасности населения юга Западной Сиби ри – проблемы защиты от чрезвычайных ситуаций природного и техногенно го характера. – Барнаул, 2003. – Вып.1 – С.136–138.

21. Талантова К. В. Мобильный дом многофункционального назначения из сталефиброжелезобетонных оболочек / К.В. Талантова, Н.Г.Харламова // Гуманизм и строительство. Природа, этнос и архитектура: сб. тр. междунар.

науч.-практ. конф. – Барнаул, 2003. – С.93–96.

22. Талантова К. В. Разработка элементов конструкций для захоронения и размещения токсичных промышленных отходов / К.В. Талантова [ и др. ] // Проектирование и строительство в Сибири. – 2004. – №2. – С.34–37.

23. Талантова К. В. Строительные конструкции с применением ста лефибробетона. Проблемы и пути их решения / К.В. Талантова // Бе тон и железобетон – пути развития : науч. тр. 2-й Всерос. (Междунар.) конф. по бетону и железобетону. 5 - 9 сентября 2005 г. Москва;

в 5 т.

Т. 2: Секционные доклады. Секция «Железобетонные конструкции зданий и сооружений». НИИЖБ. 2005 – С.229–235.

24. Талантова К. В. Исследования напряженно - деформированного состояния сталефибробетонных контейнеров для захоронения токсич ных промышленных отходов / К.В. Талантова [ и др.] // Бетон и же лезобетон – пути развития: науч. тр. 2-й Всерос. (Междунар.) конф. по бетону и железобетону. 5 - 9 сентября 2005г. Москва;

в 5 т. Т. 5: Сек ционные доклады. Секция «Экологические аспекты применения бето на и железобетона». НИИЖБ. 2005. – С.288–294.

25. Талантова К. В. Строительные конструкции на основе сталефиб робетона с заданными свойствами / К.В. Талантова // Проблемы оп тимального проектирования сооружений: доклады I – й Всерос. конф.

8 - 10 апреля, 2008 г. – Новосибирск, 2008. – С. 381–390.

Авторские свидетельства 26. А. с. 1305249 СССР, МКИ4 Е 02 D 5/22 от 22.12.86. Забивная свая / Н.М. Михеев, К.В. Талантова – № 3908728/29-33 ;

заявл. 07.06.85;

опубл.

23.04.87, Бюл. №15. – 2 с.: ил.

27. А. с. 1452779 СССР, МКИ4 В 66 С 1/48 от 22.09.88. Грузозахватное уст ройство / Н.М. Михеев, В.М. Дудаков, К.В. Талантова. – № 4290421/31-11;

заявл. 27.07.87;

опубл. 23.01.89, Бюл. №3. – 3 с. : ил.

28. А. с. №1576337 СССР, МКИ5 В 28 В 7/06 от 08.03.90. Устройство для формования криволинейных изделий / Н.М. Михеев, К.В. Талантова, И.Л. Эльзессер. – № 4475900/31-33;

заявл. 23.08.88;

опубл. 07.07.90, Бюл.

№ 25. – 3 с. : ил.

Патенты РФ 29. Устройство для формования криволинейных изделий: пат. Рос. Федерация: МПК4 В 28 В 7/06 / Н. М. Михеев, К. В. Талантова;

заявите ли и патентообладатели АлтГТУ им. И. И. Ползунова, Н.М. Михеев, К.В. Талантова. – № 2003131522, заявл. 27.10.03;

опубл. 10.02.0, Бюл. № 4. – 4с.: ил.

30. Строительный элемент: пат. 49547 Рос. Федерация: МПК7 Е 04 В 1/06 / К.В. Талантова, Н. М. Михеев;

заявители и патентообладатели АлтГТУ им. И. И. Ползунова;

К.В. Талантова, Н.М. Михеев. – № 2004108285, заявл.

22.03.04;

опубл. 27.11.05, Бюл. № 33. – 2 с.: ил.

31. Контейнер для захоронения токсичных отходов: пат. 2268218 Рос. Фе дерация: МПК7 В 65 В 85/82 / П.С. Чирцев, К.В. Талантова, Н.М. Михеев;

заявитель и патентообладатель АлтГТУ им. И. И. Ползунова. – № 2003131522;

заявл. 27.10.03;

опубл. 20.01.06, Бюл. № 2. – 8с. : ил.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.