WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

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 государственный 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 научнотехнического развития инвестиционно-строительного комплекса РФ на период до 2020 года состоит, кроме прочего, «…в снижении массы строительных конструкций, а также освоении выпуска нового поколения 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 сталефиброжелезобетонные (СФЖБ) конструкции, которые изготавливаются на основе строительного композита – сталефибробетона. Строительный композит – СТАЛЕФИБРОБЕТОН, признанный во всем мире конструкционный материал, позволяет эффективно реализовывать все известные направления усовершенствования СК. Более того, его применение открывает 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 экспериментальнотеоретических исследований СФБК (СФЖБК), еще нет необходимой и достаточной теоретической и практической базы, которая могла бы обеспечить их целесообразное использование в строительстве. Очевидна потребность в разработке научных и практических основ создания элементов конструкций с применением СФБ с заданными свойствами.

Решение проблемы создания СФБК и СФЖБК с заданными свойствами следует рассматривать, как важное научное направление в развитии теории и практики строительных конструкций. В представляемой диссертации разработаны технические и технологические решения, внедрение которых вносит вклад в развитие экономики страны. В связи с этим диссертация, посвященная разработке научных и практических основ создания СФБ элементов конструкций с заданными свойствами, является актуальной.

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

Задачи исследований:

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

• на основе экспериментальных исследований свойств СФБ:

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

- изучить атмосферную стойкость СФБ и СФБК;

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

• разработать практические основы создания элементов СФБ конструкций с заданными свойствами; разработать предложения по технологии их производства;

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

• разработать основные положения рекомендаций по проектированию и изготовлению элементов СФБ конструкций с заданными свойствами.

Объект и предмет исследований. Объект исследований – строительный композит – сталефибробетон и элементы конструкций на его основе. Предмет исследований – научные и практические основы создания СФБ (СФЖБ) элементов конструкции, базирующиеся на фундаментальных 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 математического и физического моделирования, метода анализа размерностей, методов математической статистики и др. Математическая обработка данных, а также численный анализ осуществлялись с помощью математических пакетов Maple, MathCAD, программного вычислительного комплекса SCAD и т.п. Экспериментальные исследования проводились 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 предоставленную 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 определения рациональной области фибрового армирования в зависимости от размеров сечения элемента, типа и геометрии фибры. Определены области рационального фибрового армирования, обеспечивающие заданную прочность при минимальном расходе фибровой арматуры.

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

• Предложены методы регулирования свойств СФБ в соответствии с НДС элемента конструкции за счет управления физикомеханическими 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 длительности внешних воздействий, а также экспериментально подтверждена высокая атмосферная стойкость СФБ и СФБК в жестких климатических условиях.

• Разработана классификация СФБ по прочности, в соответствии с классами определены его нормативные сопротивления. Получены коэффициенты надежности по сталефибробетону, позволяющие определять расчетные сопротивления СФБ.

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

Практическая значимость полученных результатов • Разработан и прошел экспериментальную проверку принцип подготовки исходных данных для проектирования и изготовления элементов СФБ конструкций, выбора класса СФБ по прочности, параметров фибрового и регулярного армирования, характеристик бетонной матрицы, технологических параметров.

• Разработаны, согласованы с Минавтодором РСФСР и опубликованы «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 промышленного, гражданского и дорожного строительства» и ТУ 7399-01331480175-98 «Дверь хранилища ценностей ДХЦ-8».

• Разработаны, изготовлены и сертифицированы двери бронированные 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 контейнеров для длительного хранения и захоронения токсичных промышленных 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 назначения, которые, при обеспечении заданных свойств, обладают высокими технико-экономическими показателями (ТЭП), что подтверждает справедливость предлагаемых в представляемой работе решений.

• Научно-исследовательская работа, посвященная применению СФБ в дорожном строительстве, была включена в раздел важнейших тематик 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 конструкции» студентам специальностей «Промышленное и гражданское строительство», «Проектирование зданий», «Экспертиза и управление недвижимостью» и др.; при выполнении курсовых и дипломных проектов и работ, а также в научных работах студентов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту • научные основы создания элементов СФБ конструкций с заданными 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 соответствии 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 диссертации, подтверждается:

• использованием современных методов исследований, современных лицензионных программных средств и электронных приборов, а также поверенных приборов и оборудования в сертифицированных лабораториях;

• оценкой надежности результатов вероятностно-статистическими методами, хорошей сходимостью результатов расчетов и экспериментальных 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 экспериментально-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); «Архитектура и строительство», 2000 г. (Томск). 13th NTERNATIONAL conference on composite materials. ICCM-13, China, 2001 (Beijing); международной научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред.

ЭМФ 2001. Композиционные и порошковые металлические материалы» (Барнаул); «Бетон на рубеже третьего тысячелетия»: 1-й Всероссийской 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 конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», 2001 г. (Барнаул); научно-технической конференции «Наука, образование, технологии, рынок», секции «Проблемы развития теории сооружений и совершенствования строительных конструкций», 20г. (Томск); международной научно-практической конференции «Региональные 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 (Международной) конференции по проблемам бетона и железобетона, 20г. (Москва); I - ой Всероссийской конференции «Проблемы оптимального проектирования сооружений», 2008 г. (Новосибирск); «Научнотехнической конференции студентов, аспирантов и профессорскопреподавательского 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. – «Научнотехнические 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 20и 2001 гг. «Стройсиб 2000» и «Стройсиб 2001» (Новосибирск) Публикации. По результатам исследований опубликована 131 работа, получены авторские свидетельства и патенты.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав, изложенных на 287 страницах, списка литературы, включающего 301 наименование, в том числе 56 зарубежных, и 5-ти приложений 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 строительного композита – сталефибробетона. Глава посвящена аналитическому обзору существующих решений создания элементов конструкций на основе СФБ.

Исследования, посвященные бетону, косвенно армированному «железным волосом» или «железной соломой», были выполнены Российским 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 производства 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 работы Ф.А. Гофштейн, Е.И. Ермилов, В.И. Попов, А.Ю. Пышминцев, Е.А. Шабловский, Б.М. Цывьян, и др. Несомненно, результаты исследований 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 основополагающие 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 других ученых.

При разработке научных основ получения композита – сталефибробетона использованы работы, посвященные исследованиям классических композиционных материалов (КМ), А.А. Берлина, 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. Самсонова, 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, получаемый на основе бетонной матрицы, произвольно или упорядочено армированной короткими стальными волокнами – фибрами конечной длины, диаметром (df), как правило, 0,25 … 1,2 мм, с отношением длины к диаметру (lf /df) 50 …120, объемным содержанием (µfv) 0,5 … 3%.

В Российских документах, посвященных СФБ, не приводится указаний по подготовке исходных данных при проектировании и изго товлении СФБК, ни в части выбора материалов и технологий, ни в вопросах их увязки с НДС при эксплуатации элемента конструкции. В связи с этим не удается в полной мере реализовать возможности, заложенные 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 показали, что выбор концепции обеспечения заданных свойств СФБК должен быть взаимоувязан и определяться комплексно, включая вопросы технологии производства.

На основании вышеизложенного целью представляемой диссертационной 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 конструкций с применением СФБ. Как и в классических КМ, армированных дискретными волокнами, свойства дисперсно армированного стальными фибрами СФБ определяются степенью равномерности их распределения в матрице, зависящей от соотношения длины к диаметру 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 воздействиям. 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 бетонной матрице СФБ изменяет характер разрушения материала от вязкого до хрупкого, в то время как lc в классических КМ обеспечивает 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. Применение 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 межфазного слоя, определяющего сцепление фибры с бетонной матрицей.

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

Регулирование свойств КМ совмещением различных волокон (получение, 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 исследований В.А. Голанцева показали целесообразность такого армирования при технико-экономическом обосновании его применения.

С целью изучения возможности регулирования прочности СФБ на сжатие (Rfb) и растяжение (Rfbt) при оценке расхода фибр, соответствующего Rfb, Rfbt в принятой области переменных, был выполнен численный анализ. Исследования проводились применительно к размерам стандартных лабораторных образцов с помощью программы «Фибробетон». При этом сопротивления СФБ (Rfb и Rfbt) рассчитывались с помощью зависимостей, приведенных в «Рекомендациях по проектированию 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 рационального 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 сталефибробетона выбор формы сечения или оценку известных предлагается выполнять с учетом приведенного коэффициента рациональности сечения Кred = Wred / Ared.

Здесь Wred – момент сопротивления; Ared – площадь приведенного сечения. Для двутаврового сечения с одиночной регулярной арматурой, например, эти формулы имеют следующий вид:

2 (Jbc + f Jfc1 + f Jft1 + s Jso). (5) Wred = + Sbt h - x. (6) Ared = A (1+ fa f )+ As s В формулах Ibc – момент инерции сжатой зоны бетона;

Ifc1, Ift1 – момент инерции сжатой и растянутой фиброармиованных полок; Iso – момент инерции регулярной продольной арматуры относительно нейтральной оси, Sbt – статический момент растянутой зоны бетона. Коэффициенты приведения: для арматуры = Es ; для фибs Eb ры = Ef. Коэффициент армирования по площадиµ = k2 µfv.

or fa f Eb Чем больше Кred, тем меньше сечение конструкции и меньше ее вес и более рациональны форма сечения и параметры фибрового армирования. Сравнительная оценка с помощью Кred должна производиться для элементов конструкций разной формы, но имеющих одну расчетную схему.

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

Прочность межфазного слоя зависит от вида и свойств бетонной матрицы, состояния поверхности волокон, сродства матрицы и волокна. Специалистами ЛенЗНИИЭП, (ныне С-ПбЗНИИПИ) было разработано химически активное полимерцементное покрытие, в состав которого было включено 60 % поливинилбутираля (ПВБ) и 40% портландцеРисунок 2 – Прочность мента (ПЦ). Такой состав, по данным сталефибробетона разработчиков, увеличивает прочность на растяжение при изгибе в зависимости от состояния межфазного слоя и повышает сцепление поверхности фибр:

фибры с матрицей. На основе этого бы1 – 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, покрытой 60%ПВБ+40%ПЦ, браунмиллеритового (железистого) цеlf =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 полимерцементной композиции ПЦ увеличивает ее микротвердость в 1,87 раза по сравнению с контрольным вариантом, а ЖЦ – почти в 3 раза. Изготовление и испытание на растяжение при изгибе образцов СФБ, с применением фибр с покрытием, подтвердили принятое предположение (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). Использование ПЦ привело к повышению прочности СФБ лишь на 30%. Разрушение контрольных образцов СФБ носило вязкий характер, образцы же СФБ с покрытием фибры с ЖЦ разрушались хрупко. При этом наблюдался разрыв фибр, т.е. их полное использование (рисунок 3). Полимерцементное 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, покрытых 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, регулировать прочностные и деформативные характеристики материала и обеспечивать заданные эксплуатационные свойства элементов конструкций.

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 изготовлено и испытано 15 серий образцов (1140 шт.) с различным объемным процентом армирования (µfv = 1,0; 1,5; 2,0). По результатам, полученным в экспериментах, были определены сопротивления СФБ сжатию (Rfbm), растяжению при изгибе (Rftbm) и растяжению при раскалывании (Rfbtshm), МПа. На основе статистической обработки экспериментальных данных для прочностных характеристик СФБ, были построены гистограммы эмпирических распределений, которые позволили предположить, что характер распределения для всех рассматриваемых случайных величин прочности СФБ (Rfbm, Rftbm, Rfbtshm) подчиняется 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 = 0,998по формуле, (7) Rfbn = Rfbm - fb где – квантиль функции 0,Лапласа; ;

() = P - 0,0,Ф – табулированная функция Лапласа;

0,fb – среднеквадрати0,ческое отклонение параметра прочности СФБ на 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 сжатие Rfb.

Среднее значение прочности сталефибробетона на сжатие Rfb, МПа На основе результаРисунок 4 – Кривые плотности вероятностей прочтов статистической обраности сталефибробетона на сжатие (образцы – куботки экспериментальбы 101010 см с µfv=2,0%) для фибр:

ных данных были опрелистовой -- --; фрезерованной -- -;

делены коэффициенты токарной - --; проволочной -- -- надежности по сталефибробетону 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 соотношений 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 образцы с проволочной и токарной фиброй разрушались плавно и вязко без потери формы образца; с фрезерованной фиброй – хрупко с характерным треском и заметными разрушениями образца, с листовой фиброй – характер разрушения средний между СФБ с проволочной и фрезерованной фиброй.

Исследование деформативных свойств СФБ подтвердили выводы, сделанные в процессе изучения его прочностных характеристик. Применение проволочной и токарной фибр обеспечивает получение мате Значения функции плотности нормального распределения, Pi 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, фрезерованной фиброй (рисунок 5). Применение последней практически не приводит к изменению деформаций растяжения СФБ по сравнению с бетоном.

а) б) 0 0,0E+00 2,0E-04 4,0E-04 6,0E-04 8,0E-04 1,0E-03 1,2E-03 1,4E-03 0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04 4,00E-04 5,00E-Относительная деформация растяжения fbt Относительная деформация растяжения fbt Рисунок 5 – Графики зависимости напряжение-деформация при испытании на растяжение 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 сталефибробетона 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 Напряжение fbt, МПа Напряжение fbt, МПа 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 характеристики СФБ оставались стабильными. Натурные испытания притрассового водоотводного СФБ лотка в течение 15 лет подтвердили справедливость результатов лабораторных исследований. Представленные результаты свидетельствуют о высокой атмосферной стойкости СФБ и СФБК в жестких климатических условиях.

В результате экспериментальных исследований свойств СФБ в зависимости от технологических параметров, были получены данные прочности СФБ при сжатии, растяжении при изгибе и растяжении при раскалывании, обработка которых производилась с помощью математической системы MAPLE V R4. В результате были построены математические модели прочности СФБ в зависимости от пяти переменных: 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 изготовлению СФБК содержат много необходимой для практических целей информации. Однако в них не приводятся указаний по подготовке исходных данных ни в части выбора данных при проектировании, ни в вопросах их увязки с НДС и эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к элементу СФБ конструкции. Для систематизации 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). Предлагается 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 растяжеробетона по проч- расчетные тона по ние, МПа для конструкций ности на растяже- сопротивления на прочности на массивние, МПа сжатие, МПа тонкостенных сжатие, МПа ных 20 2,4/1,7 15,0/13,16 2,2/1,79 1,5/1,25 2,8/2,0 19,1/16,75 2,5/2,03 1,8/1,30 3,2/2,3 22,6/19,82 2,8/2,28 2,1/1,35 3,4/2,4 25,1/22,02 3,0/2,44 2,2/1,40 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 бетонную матрицу.

Таблица 3 – Рекомендуемые характеристики сталефибробетона в зависимости от назначения элемента конструкции Класс сталефибробетона по прочности Начальный на растя- модуль Назначение элеменна растяна сжатие жение при та конструкции упругости жение Bft, Bf, МПа изгибе Bftb, Еfb103, МПа МПа МПа Элементы конструк20-35 - 6,0 -12 2428,ций автодорог Элементы конструк20-40 1,6-3,2 - 2429,ций мостов Элементы конструкций гражданских 25-50 1,2-4,0 8 -10 25,8зданий Малые архитектур20 2,0 - ные формы Элементы конструкций специальных 25-45 2,0-6,0 8 -14 25,8сооружений 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 разными вариантами фибрового армирования (монодисперсное, полидисперсное и пр.), которые могут быть использованы как самостоятельно, 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 элементов СФБ, конструкций с заданными свойствами представлен на рисунке 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 расчетные сопротивления СФБ, его начальный модуль упругости. Предварительно 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 бетонаматрицы, выбирается вариант фибрового (монодисперсное, полидисперсное, зонное и т.п.) или комбинированного армирования. Кроме того, уточняется класс СФБ по прочности, его сопротивления, необходимые для конструктивного расчета элемента. В общем виде порядок создания элементов СФБ конструкций представлен на схеме (рисунок 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 Нет Ценанового Ценатипового 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 зависимости от размеров сечения (bh), µfv µfv,min и df 0,25мм, но df 0,6мм. При зонном монодисперсном армировании для зон, подверженных сжатию, lf /.df следует назначать не более 50, для растянутых зон – lf / df 100, µfv определяется для каждой зоны в соответствии с уровнем напряжений. Элементы СФБ конструкций с монодисперсным армированием могут быть рассчитаны по известным правилам, имеющимся в отечественной литературе. При использовании полидисперсного армирования можно воспользоваться зависимостями, предложенными В.А. Голанцевым, для армирования фиброкаркасами – разработками О.В. Коротышевского.

Рисунок 9 – Формирование схемы зонного фибрового монодисперсного армирования 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 формирования 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 минимизации веса плиты. Средствами ВК SCAD был выполнен численный анализ включения ширины растянутой полки в работу в зависимости от ее ширины. Анализ показал, что в расчетах СФЖБ плиты перекрытия 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 программы «СФБ конструктор» было выбрано монодисперсное фибровое армирование стальной фиброй из проволоки по ГОСТ 3282 диаметром df = 0,5 мм, длиной lf = 50 мм и объемным содержанием µfv = 1,0 %. Расчеты показали, что 1 % Рисунок 11 - Поперечное сечефибрового армирования и 15 Вр-I регуние сталефиброжелезобетонлярной арматуры в растянутой зоне обесной плиты перекрытия печивают заданную несущую способ ность и жесткость плиты. Рациональность формы сечения разрабатываемой 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 многопустотной ЖБ плиты – аналога.

Натурные испытания опытных СФЖБ плит (рисунок 12) подтвердили правильность принятых предпосылок и предлагаемой в диссертации концепции создания СФЖБК с заданными свойствами. На основе результатов экспериментальных исследований были выполнены расчеты технико-экономических показателей СФЖБ плиты в сравнении с типовой многопустотной плитой (таблица 4).

Проверка предлагаемой концепции создаРисунок 12 – Состояние ния элементов СФБ конструкций с заданными опытных плит перед свойствами была осуществлена и при разраснятием нагрузки ботке СФБ контейнера для длительного хранения и захоронения токсичных промышленных отходов (ТПО).

Таблица 4 – Технико-экономическое сравнение вариантов плит Тип плиты перекрытия Показатели Типовая Нетиповая сталефиброна 1 мжелезобетонная 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 техникоэкономическим показателям предпочтительной является бочкообразная 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 выполнен методом конечных элементов средствами ПВК SCAD на действие нагрузок от многоярусного складирования, внутреннего давления от неконтролируемых химических реакций и собственного веса контейнера. В результате статического расчета СФБ модели контейнера была получена картина полей напряжений в стенке Рисунок 13 - Показатель расхода материала контейнера на СФБ модели (рисунок 14, а), в соотединицу токсичных ветствии с которой была сформиропромышленных отходов вана схема зонного фибрового монодисперсного армирования (рисунок 14, б). Для этого с помощью программы «Фибробетон» была определена рациональная область фибрового армирования модели СФБ контейнера.

а) б) =1 863 кП а, µ = 1 %, Rfbt=1 880 кП а 1 =2 928 кП а, µ =1.65 %, Rfbt=2 959 кП а 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 241По 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 испытательный 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 выдержки в течение 30 минут и осуществлялось совместно с контрольной 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 напряжений и схемой армирования по стенке с образованием вертикальной локальной трещины, с последующим развитием горизонтальных трещин (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 сопротивлении – 4,5 МПа. Коэффициент надежности по материалу fbt составил 1,13. Фактический коэффициент запаса составил 1,53 (при теоретическом 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 значений на 2,8 … 10,8%. Таким образом, конструкция СФБ модели контейнера 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 контейнера) составила 5933 руб. Применение СФБ контейнеров взамен стальных, по расчетам, может снизить стоимость захоронения 1мТПО на 45,9%. Результаты выполненных экспериментальнотеоретических исследований контейнера для длительного хранения и захоронения ТПО полностью подтвердили справедливость предлагаемых в работе научных и практических основ создания элементов СФБК.

Мировой опыт свидетельствует о перспективности применения СФБ в дорожном строительстве. К конструкциям такого типа предъявляются требования по морозостойкости (не ниже F200), водонепроницаемости (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, соответственно, прочность СФБ покрытия, равная типовой, обеспечивалась монодисперсным 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 оборудования с минимальной переналадкой. Наблюдения за состоянием конструкции 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 долговечность 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 равной прочности с типовым лоткомполутрубой, показали, что принятые данные обеспечивают эксплуатационные характеристики лотка. Для производства тонкостенных СФБ лотков весьма рационален метод гнутья свежеотформованной плоской заготовки. C этой целью была разработана формовочная установка, защищенная Рисунок 16 – Участок покрытия автодороги А.с. СССР 1576337 от 08.03.90 г. и патенНовоалтайск – Заринск том РФ № 2269412 от 10.02.2006 г. Распав Алтайском крае лубка и монтаж элементов СФБ лотков моиз сталефибробетона гут осуществляться с помощью эксцентричерез 18 лет эксплуатации ковых грузозахватных устройств, защищенных А.с. СССР № 1452779 от 22.09.88 г. Указанный метод изготовления элементов СФБ лотков обеспечивает ориентацию фибр в направлении 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). Экспериментальная проверка разработанного решения элемента СФБ лотка осуществлялась на специально оборудованном стенде, в положении «на боку» с вертикальной передачей нагрузки. Результаты испытаний СФБ лотков показали их соответствие заданным требованиям 2-й категории трещиностойкости и прочности. На основе результатов экспериментально-теоретических исследований был разработан и изготовлен 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, наблюдения 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. Через год эксплуатации коррозии стальных фибр в сечении СФБ элемента 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%, металлоемкость бортоснастки сократилась в 3 раза, а себестоимость составила 81% от себестоимости типового аналога.

В диссертации, кроме того, представлены мобильный дом из сборных тонкостенных СФЖБ оболочек, цветочные СФБ вазоны, сборноразборное 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 перспективность сформулированной в диссертации концепции создания элементов СФБ (СФЖБ) конструкций с заданными свойствами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Конструкции на основе сталефибробетона, при всех неоспоримых 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, недостаточно для системного подхода к созданию СФБК (СФЖБК) с заданными свойствами, начиная с подготовки исходных данных для проек тирования и заканчивая контролем качества готовых элементов конструкций.

2. Разработаны научные основы создания элементов СФБК, базирующиеся на теории ЖБК и КМ, которые позволяют обоснованно и целенаправленно регулировать свойства СФБК. Разработанная методика подготовки исходных данных позволяет определить область рационального фибрового армирования, обеспечивающую заданную прочность СФБ при минимальном расходе фибры. Приведенный коэффициент рациональности сечения kred позволяет выбрать форму сечения, соответствующую минимальному весу элемента при обеспечении заданных свойств СФБК. Управление характеристиками межфазного слоя стальная фибра – бетонная матрица позволяет регулировать свойства материала на физико-химическом уровне и обеспечивать заданные 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 зависимости атмосферной стойкости СФБ от длительности внешних воздействий. Экспериментально доказано, что СФБ и СФБК обладают высокой атмосферной стойкостью в жестких климатических условиях. При этом рост прочности СФБ в условиях указанных атмосферных воздействий 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 классификации СФБ по прочности (например, Bf20…Bf80 – при сжатии) и соответствующих нормативных и расчетных сопротивлениях. Это позволяет формировать свойства СФБ для заданных условий эксплуатации СФБК. Предложена систематизация вариантов фибрового армирования (монодисперсное, полидисперсное и т.д.) и принципы проектирования, в зависимости от выбранного варианта. На основе возможностей фибрового армирования и современных программных средств (стандартных и разработанных в рамках представляемых исследований) разработан алгоритм создания СФБК с заданными свойствами.

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

5. Построены математические модели влияния технологических факторов, определяющих структуру СФБ, на его прочность. Предложены технологические решения производства СФБК (СФЖБК). Разработана методика проектирования и контроля качества СФБ смеси, разработан и отлажен вибропитатель стальной фибры. Для изготовления тонкостенных СФБ элементов конструкций разработан метод гнутья свежеотформованной плоской заготовки, а также метод поэтапного формования, которые учитывают конструктивные особенности элемента.

6. Разработаны новые элементы СФБ конструкций различного назначения со свойствами, соответствующими их НДС и сопротивлению 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, выполненных с использованием разработанных методик, подтвердили достоверность представленной концепции создания элементов конструкций с заданными свойствами на основе СФБ. Разработаны «Рекомендации по применению сталефибробетона в конструкциях дорожных одежд и мостов», которые содержат данные для разработки элементов 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 сталефибробетонных 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 дисперсного армирования бетонов / Н.М. Михеев, К.В. Талантова // Бетон и железобетон. 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 свойствами на основе сталефибробетона / К.В. Талантова // Известия вузов. Строительство. – Новосибирск, 2008. – № 10. – С. 4–9.

5. Талантова К. В. Обеспечение свойств элементов конструкций на основе 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 характеристик сталефибробетона от технологических факторов / К.В. Талантова, В.К. Беспрозванных // Бетон и железобетон. – 2009 – № 1. – С.16–19.

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

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

Публикации в других печатных изданиях 8. Рекомендации по применению сталефибробетона в конструкциях дорожных одежд и мостов / К.В. Талантова [ и др. ]; Алт. политехн. и-т.

– Барнаул, 1988. – 47 с.

9. Талантова К. В. Композит - сталефибробетон в дорожном строительстве / 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. Talantova [ et al. ] // 12-th NTERNATIONAL conference on composite materials.

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

11. Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования тонкостенных 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, содержания автомобильных дорог искусственных сооружений на них : труды Всерос. науч.- практ. конф. – Барнаул, 2001. – С.32–331.

13. Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования работы составной конструкции пролетного строения автодорожного моста /К.В. Талантова, С.В. Толстенев, А.С. Тремасов // Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред. ЭМФ2001. Композиционные и порошковые металлические материалы: труды второй науч.-техн. конф. – Барнаул, 2001. – С. 234–242.

14. Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования контактной зоны матрица - волокно строительного композита – сталефибробетона / К.В Талантова // Экспериментальные методы в физике структурнонеоднородных конденсированных сред. ЭМФ-2001. Композиционные и порошковые 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 конструкций для дорожного строительства за счет применения строительного композита 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 строительного композита – сталефибробетона с помощью компьютерного конструирования / К.В. Талантова, А.Н. Тушев // Ползуновский альманах. – Барнаул, 2001. – № 3 – С.109–112.

19. Талантова К. В. О нормативной базе по проектированию и изготовлению высокоэффективных сталефибробетонных конструкций / К.В. Талантова // Ресурсо - и энергосбережение как мотивация творчества в архитектурностроительном 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 Западной Сибири : материалы междунар. науч.- практ. конф. «Региональные аспекты обеспечения социальной безопасности населения юга Западной Сибири – проблемы защиты от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного 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 сталефибробетона. Проблемы и пути их решения / К.В. Талантова // Бетон 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 токсичных промышленных отходов / К.В. Талантова [ и др.] // Бетон и железобетон – пути развития: науч. тр. 2-й Всерос. (Междунар.) конф. по бетону и железобетону. 5 - 9 сентября 2005г. Москва; в 5 т. Т. 5: Секционные доклады. Секция «Экологические аспекты применения бетона и железобетона». НИИЖБ. 2005. – С.288–294.

25. Талантова К. В. Строительные конструкции на основе сталефибробетона с заданными свойствами / К.В. Талантова // Проблемы оптимального 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 устройство / 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. 22694Рос. Федерация: МПК4 В 28 В 7/06 / Н. М. Михеев, К. В. Талантова; заявители 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. Федерация: 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.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.