Введение к работе
Актуальность работы. Одним из перспективных направлений обеспечения надежной и долговечной работы конструкций транспортных сооружений, испытывающих постоянное воздействие знакопеременных атмосферных и эксплуатационных нагрузок, является использование в них сталефибробетона (СФБ).
Вопросами теории расчета конструкций из СФБ занимались такие ученые, как И. В. Волков, В. П. Вылегжанин, Ф. А. Гофштейн, А. А. Калнайс, О. В. Коротышев-ский, Д. Н. Коротких, В. К. Кравинскис, В. М. Косарев, Б. А. Крылов, Л. Г. Курбатов, Г. Е. Лагутина, И. А. Лобанов, Д. Р. Маилян, Л. А. Малинина, Л. В. Моргун, В. П. Некрасов, В. И. Павленко, 10. В. Пухаренко, А. П. Павлов, Ф. Н. Рабинович, В. П. Романов, Г. С. Родов, В. П. Рыбасов, В. С. Стерин, Г. Г. Степанова, И. К. Сурова, В. П. Трамбовецкий, Г. К. Хайдуков, В. И. Харчевников, Ф. Ц. Янкелович и др.
Применение СФБ в элементах конструкций транспортных сооружений обусловлено его высокими прочностными характеристиками, значительной трещино-стойкостью, повышенным сопротивлением динамическим и вибрационным воздействиям, малой истираемостью, а также относительно простой технологией изготовления.
Несмотря на неоспоримые достоинства СФБ, использование конструкций из него в транспортном строительстве сдерживается отсутствием массового производства в стране дискретной стальной (фибровой) арматуры и ее высокой стоимостью. Актуальным направлением в связи с этим является использование в качестве дискретной арматуры не только типовой фибры, но и фибры, полученной из отработавших свой производственный ресурс тросов и канатов грузоподъемных механизмов, а также изготовление фибры из отходов производства стального прокатного листа.
Вместо дорогостоящих заполнителей бетонной матрицы СФБ можно использовать вторичные отходы металлургического производства - отсевы дробления литого шлакового щебня. Использование вторичных отходов-отсевов позволит ликвидировать шлаковые отвалы, снизить загрязненность природной среды, уменьшить затраты на производство и использование сталефиброшлакобетона (СФШБ) в транспортном строительстве.
Целью работы является определение прочности и деформативности элементов конструкций транспортных сооружений из мелкозернистого СФШБ на мелком пористом заполнителе — вторичных отходах (отсевах) дробления литого шлакового щебня - с дисперсной арматурой (фиброй) из отходов местных производств.
Задачи исследования:
проведение испытаний на прочность образцов из мелкозернистого СФШБ для элементов конструкций транспортных сооружений;
получение новых аналитических зависимостей на основе экспериментальных данных для определения основных прочностных характеристик СФШБ;
исследование на моделях и малых образцах прочностных и деформатив-ных свойств элементов конструкций транспортных сооружений из мелкозернистого СФШБ;
установление аналитических зависимостей изменения прочностных и де-формативных характеристик элементов конструкций транспортных сооружений
из мелкозернистого СФШБ в зависимости от вида напряженно-деформированного состояния и условия эксплуатации;
- проведение испытаний натурных конструкций плит и кольцевых элемен
тов безнапорных водопропускных труб из мелкозернистого СФШБ с целью апро
бации экспериментально полученных аналитических зависимостей прочностных
и деформативных характеристик мелкозернистого СФШБ.
Научная новизна работы:
предложена формула для практического определения усадочных деформаций бетона-матрицы СФШБ в конструкциях прямоугольной конфигурации независимо от их размеров и формы;
получены новые зависимости, позволяющие прогнозировать долговечность конструкций транспортных сооружений из бетона-матрицы СФШБ на любой срок эксплуатации;
получены аналитические зависимости определения предела прочности при сжатии и растяжении СФШБ, разработанные для использования в элементах конструкций транспортных сооружений на основе известных аналитических зависимостей для СФБ; отличие разработанных аналитических зависимостей заключается в учете особенностей анкерующей способности стальной фибры в бетоне-матрице на мелком пористом заполнителе;
получены аналитические зависимости для СФШБ: набор прочности при сжатии и изгибе во времени, длительная прочность при сжатии, малоцикловая усталость при растяжении;
предложена аналитическая зависимость истираемости СФШБ, учитывающая истираемость бетона-матрицы и процент фибрового армирования;
уточнены методики расчета прочности элементов конструкций из СФШБ на действие нагрузок продавливания и изгибающих моментов с использованием новых, полученных по результатам экспериментов, зависимостей прочности при растяжении и сжатии;
уточнена методика расчета прогибов изгибаемых элементов конструкций из СФШБ с использованием новых, полученных по результатам экспериментов, зависимостей жесткостей элементов из СФШБ до образования и после образования трещин;
предложена методика расчета прогибов элементов конструкций на ветвях разгрузок, основанная на диаграммах деформирования СФШБ.
Практическая значимость работы заключатся в возможности использования полученных результатов для проектирования элементов конструкций транспортных сооружений с применением мелкозернистого СФШБ с бетонной матрицей на основе отходов дробления литого шлакового щебня, а также дисперсной арматурой из отходов листопрокатного производства и отработавших свой ресурс стальных проволок и тросов.
Предложенная полная замена плотного мелкого заполнителя в бетоне-матрице на мелкий пористый заполнитель в виде отсевов дробления литого доменного шлакового щебня позволит существенно снизить себестоимость элемен-
тов конструкций транспортных сооружений из СФШБ и решить проблемы с утилизацией отходов металлургической промышленности.
Результаты диссертационных исследований использованы при устройстве в департаменте ЖКХ г. Липецка ливневой канализации из безнапорных водопропускных труб и колец смотровых колодцев марки КЦ-15-9 на основе мелкозернистого СФШБ. Кроме того, конструкционный мелкозернистый СФШБ использован при строительстве дорожных объектов в открытой экономической зоне «Липецк» при устройстве оснований дорожных одежд из сталефибробетона.
Результаты диссертационных исследований также используются в преподавании дисциплин «Строительные материалы и изделия» и «Долговечность строительных материалов» на инженерно-строительном факультете Липецкого государственного технического университета.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных средств измерений и сопоставлением данных, полученных разными методами, а также применением вероятностно-статистических методов обработки результатов экспериментов. Достоверность теоретических решений проверялась их сравнением с экспериментальными результатами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях аспирантов и студентов инженерно-строительного факультета Липецкого государственного технического университета (г. Липецк, 2001, 2005, 2009 гг.); международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (г. Белгород, 2003 г.); международных научно-технических конференциях «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (г. Пенза, 2003, 2004, 2006 гг.); международных научно-технических конференциях «Композитные строительные материалы. Теория и практика» (г. Пенза, 2005, 2006 гг.); научно-практических конференциях «Эффективные конструкции. Материалы и технологии в строительстве и архитектуре» (г. Липецк, 2006, 2007 гг.); V международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (г. Волгоград, 2009 г.); международной научно-технической конференции «Строительство-2009» (г. Ростов, 2009 г.); международной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов «Образование, наука, производство и управление» (г. Старый Оскол, 2009 г.).
На защиту выносятся:
аналитические зависимости изменения усадочных деформаций и изменения прочности бетона-матрицы СФШБ на основе мелкозернистого пористого заполнителя - отходов дробления литого шлакового щебня после попеременного воздействия агрессивной среды (5% р-р NaCl) и циклов замораживания-оттаивания;
аналитические зависимости для определения предела прочности при сжатии и растяжении мелкозернистого СФШБ в зависимости от класса бетонной матрицы при сжатии, вида и процентного содержания фибровой арматуры;
зависимости изменения роста прочности СФШБ во времени, аналитические прогнозы изменения длительной прочности при сжатии и малоцикловой
усталости при растяжении элементов конструкций из СФШБ для различного процентного содержания фибровой арматуры;
- результаты экспериментальных исследований истираемости, продавлива-ния, прочности и деформативности изгибаемых элементов конструкций из СФШБ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 научных статей общим объемом 107 страниц, из них лично автору принадлежит 41 страница. Восемь статей опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура», «Научный вестник ВолгГАСУ. Строительство и архитектура», «Строительство и реконструкция», «Промышленное и гражданское строительство», «Транспортное строительство», «Бетон и железобетон». Также получено положительное решение на изобретение по заявке № 2009145375/28(064656).
В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] предложена методика определения модуля упругости и прочности при растяжении СФБ методом расклинивания; в [2] приведены исследования и аналитические зависимости продавливания моделей опорных и дорожных плит колодцев; в работе [3] получены зависимости истираемости жестких дорожных одежд из СФШБ от процентного содержания фибрового армирования и истираемости бетона-матрицы; в [4] получены аналитические зависимости, позволяющие прогнозировать длительную прочность СФШБ в конструкциях транспортных сооружений; в [5] отражены результаты малоцикловой усталости при растяжении СФШБ и приводится прогноз работы конструкций транспортных сооружений для любой базы циклов; в [6] по результатам экспериментов на малых образцах определены аналитические зависимости для моделирования усадки шлакобетонных дорожных покрытий; в [7] представлен прогноз изменения прочности СФШБ дорожных покрытий во времени; в [8] представлены экспериментальные исследования работы изгибаемых элементов из СФШБ на примере балок размером 1500x90x120.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 134 наименований, одного приложения. Общий объем работы составляет 182 страницы машинописного текста, включая 93 рисунка и 52 таблиц.
