STRENGTH AND STIFFNESS OF REINFORCED CONCRETE BEAMS MADE ON EXPERIMENTAL COMPOSITION OF A CONCRETE GOODS PLANT

Full Text

Деятельность заводов железобетонных изделий (ЖБИ) как субъектов рыночных отношений направлена на сокращение издержек при производстве и реализации бетонной смеси и сборных железобетонных элементов. Одним из направлений снижения расходов действующих производств является работа по подбору оптимальных составов бетонных смесей [1-4]. Основная цель оптимизации заключается в подборе такого состава, при котором обеспечивается максимальное значение прочности при минимальном расходе цемента как наиболее дорогостоящего компонента бетонной смеси. В лабораториях заводов ЖБИ при выполнении подобных исследовательских работ в первую очередь оценивается прочность бетона по контрольным образцам. При этом известно, что к готовому железобетонному изделию предъявляются не только требования прочности, конструкция должна удовлетворять также условиям жесткости и трещиностойкости [5-8]. Целью данного исследования является экспериментальная оценка прочности и жесткости изгибаемых железобетонных элементов, изготовленных из экспериментального бетона завода ЖБИ. Отличительной особенностью экспериментального состава бетонной смеси является применение поликарбоксилатного суперпластификатора с относительно повышенным расходом (до 1,5 %) и разнофракционного песка, обеспечивающих более компактную компоновку инертных в структуре бетона, уменьшение пористости и пониженный расход цемента при сохранении прочностных свойств. В качестве крупного заполнителя применялся известняковый щебень марки 600 фракции 5-20 мм, в качестве вяжущего - портландцемент марки 500. Классический бетон изготавливался из того же крупного заполнителя и цемента, но с применением мелкого волжского песка с модулем крупности около 1,2. Расход поликарбоксилата при этом устанавливался существенно ниже - до 0,5 %. В связи с имеющимися отличиями в составах бетонной смеси расход воды при подготовке экспериментального состава назначался примерно в два раза меньше при сохранении одинаковой подвижности (осадка конуса 16-18 см). Д. С. Тошин, Е. Э. Хутова, Ю. В. Астаева 35 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 В качестве опытных образцов было изготовлено две серии балок. Первая серия выполнялась на бетоне классического состава (далее - серия с индексом «К»), вторая серия - на экспериментальном бетоне завода ЖБИ (далее - серия с индексом «Э»). Для определения кубиковой прочности бетона каждого состава было изготовлено по два образца-куба стандартных размеров. Также было подготовлено по две призмы стандартных размеров из каждого состава бетона для установления призменной прочности и модуля упругости (табл. 1). Планирование эксперимента предусматривало, что прочность бетона с классическим и экспериментальным составом в балках будет ориентировочно равной. Фактически при испытании образцов кубов получены следующие результаты: кубиковая прочность бетона на классическом составе - 54,4 МПа; на экспериментальном составе - 63,9 МПа (ГОСТ 10180- 2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам»). Призменная прочность для бетона серии «К» и серии «Э» - 48,7 и 50,8 МПа; вычисленные по экспериментальным данным значения модуля упругости 35550 и 33700 МПа соответственно (ГОСТ 24452- 80 «Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона»). Таким образом, в бетоне экспериментального состава был отмечен меньший показатель модуля упругости (на 5 %) при большей прочности бетона. При проектировании опытных балок назначались следующие размеры: общая длина 1560 мм, расчетный пролет при испытании (от опоры до опоры) 1500 мм, размеры сечения b×h=120×140 мм. Железобетонные балки армировались пространственными каркасами двух типов. В средней трети пролета, в которой при испытании создавалась зона чистого изгиба, армирование предусматривалось только в растянутой зоне: в балках Б10к и Б10э - два стержня диаметром 10 мм класса А400 (тип армирования А1), в балках Б8к и Б8э - два стержня диаметром 8 мм класса А400 (тип армирования А2). Все варианты армирования элементов предусматривали пластический характер разрушения. Фактические размеры образцов имели отклонения от проектных параметров: до 5 % по ширине и высоте сечения, до 7 % по рабочей высоте сечения. Нагружение железобетонных балок проводилось на испытательном стенде с помощью гидравлического домкрата и с определением величины нагрузки динамометром ДОС-5. Через распределительную траверсу нагрузка прикладывалась на образец в виде двух сосредоточенных сил. Измерения деформаций бетона и арматуры выполнялись в средней трети пролета - в зоне постоянного изгибающего момента и при отсутствии поперечной силы. Предусматривалась следующая расстановка приборов и запланированные измерения: - прогибомеры 6-ПАО с ценой деления 0,01 мм в середине пролета и на опорах - для определения прогиба балки с учетом осадки опор; - тензометры Гугенбергера (2 шт.) с ценой деления 0,001 мм на верхней грани балок - для определения деформаций бетона на крайнем сжатом волокне; - мессуры (2 шт.) на каждый арматурный стержень через приваренные резьбовые втулки на основе индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм при базе измерения 300 мм - для определения средних деформаций арматуры. Опоры устанавливались как для свободно опертой балки: с одной стороны шарнирно неподвижная опора, с другой стороны шарнирно подвижная опора. Нагружение балок выполнялось ступенями с выдержкой на каждой ступени. Величина нагрузки на каждой ступени назначалась около 5 % от теоретической разрушающей нагрузки Таблица 1 Количество образцов опытных кубов, призм, балок Наименование (шифр) образца, размеры, мм Тип состава бетонной смеси Тип армирования Количество образцов, шт. Куб 150×150×150 К - 2 Э - 2 Призма 600×150×150 К - 2 Э - 2 Балка 1560×120×140(h) Б10к К А1 1 Б8к К А2 1 Б10э Э А1 1 Б8э Э А2 1 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 36 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ до образования трещин и около 10 % - после образования трещин. На каждой ступени производилось снятие отсчетов с приборов. За разрушение испытуемых балок принималась величина изгибающего момента, при котором усредненные по двум мессурам значения относительных деформаций продольной арматуры в растянутой зоне достигали 200·105, что соответствует физическому пределу текучести стальной арматуры класса А400. После достижения указанных значений в арматуре растянутой зоны отмечался интенсивный прирост деформаций по всем установленным приборам на каждом шаге приращения нагрузки, что характерно для пластического характера разрушения изгибаемых элементов. В результате экспериментальных исследований балок двух вариантов армирования получены данные, свидетельствующие о снижении прочности балок и повышении их деформативности при использовании экспериментального бетона в сравнении с параметрами, установленными в балках из бетона классического состава (табл. 2). Прочность балок Б10э и Б8э меньше на 3 и 12 %, чем в балках Б10к и Б8к соответственно. Прогибы балок при достижении деформациями в арматуре растянутой зоны физического предела текучести отличаются несущественно - на 2-3 %, деформации бетона сжатой зоны практически не отличаются в балках с разным составом бетона. При сопоставлении деформативных свойств балок при условном эксплуатационном уровне нагружения, назначенном в исследовании как 0,6·Mult, получены данные, свидетельствующие о более существенном расхождении прогибов, деформаций бетона и арматуры. В балках серии Б10э прогиб превысил на 11 % прогибы в балках серии Б10к, деформации бетона и арматуры оказались больше на 9 и 7 %. При меньшем проценте армирования балок получены более существенные снижения жесткости изгибаемых элементов: в балках серии Б8э прогиб составил 122 % по сравнению с балкой Б8к, деформации бетона и арматуры - 106 и 130 % соответственно. Таблица 2 Экспериментальные данные о деформациях опытных балок Шифр образца Изгибающий момент М Прогиб f Деформации бетона в сжатой зоне εb·105 Деформации арматуры в растянутой зоне εs·105 кН·м % мм % без размерности % без размерности % При М = Мult (εs=200·105) Б10к 6,07 100 6,13 100 107,0 100 200,0 100 Б10э 5,88 97 6,26 102 103,8 97 200,0 100 Б8к 4,82 100 6,16 100 86,6 100 200,0 100 Б8э 4,22 88 6,33 103 85,9 99 200,0 100 При М = 0,6·Мult, Мult принят для балок из классического бетона Б10к 3,64 2,79 100 98,0 100 54,1 100 Б10э 3,64 3,09 111 106,7 109 58,0 107 Б8к 2,89 2,19 100 79,3 100 41,1 100 Б8э 2,89 2,67 122 83,8 106 53,5 130 Выводы. 1. При более высокой прочности в бетоне экспериментального состава получен модуль упругости на 5 % ниже, чем в классическом составе, что характеризует бетон экспериментального состава как более деформативный. 2. Прочность и жесткость балок из бетона экспериментального состава оказалась ниже, чем прочность и жесткость балок из бетона классического состава. 3. При уровне нагружения М=0,6·Мult отмечено увеличение прогибов балок на 11 и 22 % для серий Б10э и Б8э по сравнению с сериями Б10к и Б8к соответственно. 4. При оптимизации составов бетонной смеси необходимо контролировать не только прочностные показатели по контрольным образцам-кубам, но и модуль упругости. 5. Испытания доказали обоснованность применения комплексных многофакторных экспериментальных исследований на бетонных и железобетонных образцах при внесении изменений в состав бетонных смесей, применяемых при изготовлении железобетонных конструкций.

About the authors

Dmitrii S. TOSHIN

Togliatti State University

Ekaterina E. KHUTOVA

Togliatti State University

Yulia V. ASTAEVA

Togliatti State University

References

Supplementary files