Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса
1.1 История развития фибробетона как конструкционного материала 10
1.2 Области исследования и применения фибробетона на основе стальной и неметаллической фибры в различных областях строительства 23
Выводы по первой главе 33
2. Теоретические и экспериментальные исследования сталефибробетона как конструкционного материала
2.1 Классификация фибры по жесткостным и прочностным характеристикам 35
2.2 Испытания образцов стальной фибры на растяжение на разрывной машине 47
2.3 Исследование свойств и уточнение механизма разрушения фибробетона при нагружении с учетом физико-механических и геометрических характеристик фибры и прочности бетона матрицы. Классификация стальной фибры 49
2.4 Исследование механизма упрочнения фибробетона на сжатие 55
2.5 Вклад расчетных сопротивлений сталефибробетона на растяжение и сжатие в формирование несущей способности элемента 56
2.6 Исследование влияния толщины сечения элемента на расчетное сопротивление сталефибробетона на растяжение 56
2.7 Экспериментальные исследования работы фибробетона на растяжение при изгибе и сжатие 59
Выводы по второй главе 64
3. Исследование возможности применения сталефибробетона в тонкостенных изделиях кольцевой конфигурации
3.1 Методика расчета несущей способности труб 66
3.1.1 Чистый изгиб 66
3.1.2 Внецентренное сжатие 67
3.2 Методика расчета звеньев железобетонных труб на действие нагрузок по СНиП 2.05.03.84* «Мосты и трубы» 68
3.3 Анализ силового состояния водопропускных труб с использованием ПК «Plaxis 8.2» и «Scad 7.31» 70
3.4 Расчет и проектирование тонкостенных изделий кольцевой конфигурации армированных стальной фиброй 76
3.4.1 Несущая способность тонкостенных изделий по продольной силе. Вклад продольной силы в разгрузку сталефибробетонных сечений 76
3.4.2 Влияние дисперсного армирования на несущую способность тонкостенных изделий по поперечной силе 84
3.4.3 Исследование влияния дисперсного армирования на повышение трещиностойкости изделий 84
Выводы по третьей главе 87
4. Технология производства сталефибробетонных водопропускных труб 88
Выводы по четвертой главе 99
5. Силовые испытания сталефибробетонных водопропускных труб
5.1 Натурные испытания сталефибробетонных водопропускных труб на эквивалентную нагрузку 100
5.2 Силовые испытания сталефибробетонных водопропускных и коллекторных труб на стенде ГУП «БашНИИстрой» 102
6. Анализ экономической эффективности производства водопропускных труб на основе сталефибробетона 106
Общие выводы 110
Список использованных 111
- История развития фибробетона как конструкционного материала
- Классификация фибры по жесткостным и прочностным характеристикам
- Анализ силового состояния водопропускных труб с использованием ПК «Plaxis 8.2» и «Scad 7.31»
- Силовые испытания сталефибробетонных водопропускных и коллекторных труб на стенде ГУП «БашНИИстрой»
Введение к работе
В производстве сборных железобетонных изделий существует номенклатура тонкостенных изделий кольцевой конфигурации, имеющая большие технологические сложности при изготовлении в силу трудностей изготовления и установки в проектное положение кольцевого пространственного арматурного каркаса.
Эту номенклатуру изделий представляют кольца водопропускных труб под автодороги, трубы и кольца колодцев для городских сетей. Силовое состояние водопропускной трубы в составе насыпи дороги от действия массы грунта и подвижной автомобильной нагрузки определяется знакопеременной эпюрой изгибающих моментов с максимальным положительным моментом в коньковом и лотковом сечениях и максимальным отрицательным моментом в боковых сечениях, что обусловливает необходимость двойного стержневого армирования кольца [29, 91].
Низкая эффективность армирования тонкостенных изделий двойным стержневым каркасом обусловлена тем обстоятельством, что в этом случае мала относительная рабочая высота сечения в силу необходимости обеспечения требований по толщине защитного слоя бетона для рабочей арматуры. При двойном стержневом армировании тонкостенных изделий трудно обеспечить проектную толщину защитного слоя бетона, при этом смещение кольцевой рабочей арматуры в сторону уменьшения защитного слоя снижает эксплуатационную надежность конструкции по долговечности; с увеличением толщины защитного слоя снижается несущая способность сечения.
В тонкостенных изделиях кольцевой конфигурации возможно армирование одинарным кольцевым^ арматурным каркасом с его размещением посередине толщины стенки, что обеспечит несущую способность сечений кольца на действие знакопеременного изгибающего момента, однако в этом случае рабочая высота сечения составит лишь половину полной высоты
сечения. В этом варианте армирования в процессе изготовления также достаточно сложна установка одинарного арматурного каркаса в проектное положение.
Водопропускные трубы работают в контакте с водой при её переменном уровне, подвергается жестким сезонным климатическим воздействиям, а также динамическим нагрузкам как во время транспортировки и укладки в насыпь дорожного полотна, так и при эксплуатации. Анализ опыта эксплуатации и данных по долговечности водопропускных железобетонных труб дорожного назначения в различных климатических условиях, показывает, что на настоящий момент нерешенной остается задача обеспечения их надежности и долговечности в условиях средней полосы и севера России с обеспечением эксплуатационного ресурса до 30-50 лет.
В связи с названными проблемами представляет интерес исследование возможностей использования в.производстве тонкостенных изделий кольцевой конфигурации сталефибробетона и фибробетона на основе высокомодульной неметаллической фибры с отказом от стержневого армирования, создающего проблемы технологического характера, а также обеспечения качества и долговечности изделий [5, 9, 17, 40, 43, 60, 77].
Цель работы.
Целью работы является исследование возможностей использования фибробетона на основе стальной и неметаллической высокомодульной фибры в производстве тонкостенных изделий кольцевого очертания (водопропускные трубы под автомобильные дороги, коллекторные раструбные трубы, кольца колодцев для городского хозяйства).
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Усовершенствование классификации стальной и неметаллической фибры по основным параметрам и по возможности ее использования в производстве фибробетона для тонкостенных изделий различного назначения.
Исследование свойств и уточнение механизма разрушения фибробетона при нагружении с учетом физико-механических, геометрических характеристик фибры и прочности бетона-матрицы.
Исследование напряженно-деформированного состояния водопропускных труб, воспринимающих в составе насыпи нагрузки от воздействия веса грунта и подвижной автомобильной нагрузки, с использованием современных программных комплексов Plaxis 8.2. и Scad 7.31.
Разработка конструктивных решений водопропускных труб различного назначения, производимых на основе сталефибробетона, с полным отказом от традиционного стержневого армирования.
Оценка возможности применения высокомодульной неметаллической фибры на основе базальтового волокна в тонкостенных изделиях кольцевого очертания.
Отработка технологических процессов и применяемого оборудования для получения фибробетонной смеси с целью обеспечения необходимой равномерности распределения фибры в объеме бетона и исключения её агрегации (комкования).
Разработка нормативно-технической документации на производство и применение сталефибробетонных труб различного назначения для дорожного и коммунального комплекса Республики Башкортостан.
Научная новизна.
Разработана усовершенствованная классификация фибры по её жесткостным, прочностным и геометрическим характеристикам, позволяющая оценить эффективность использования стальной и неметаллической фибры для решения задач производства изделий на основе фибробетона.
Установлена степень эффективности сочетания основных типов стальной и базальтовой фибры, различающихся по прочностным и геометрическим характеристикам, с бетоном-матрицей в диапазоне классов прочности В20-В60.
3. Исследована и обоснована рациональная область применения фибробетона, на основе стальной и неметаллической высокомодульной фибры как самостоятельного конструкционного материала. Этой областью являются тонкостенные изделия кольцевой конфигурации (трубы различного назначения), обеспечивающие возможности полного исключения стержневого армирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты исследований работы сталефибробетона при нагружении с учетом геометрических и упруго-деформативных характеристик стальной фибры и бетона-матрицы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния водопропускных труб с использованием программного комплекса «Plaxis 8.2», позволяющего моделировать физико-механические характеристики грунтов основания и насыпи и реализовать совместную работу трубы с грунтом под действием подвижных автомобильных нагрузок и собственного веса грунта.
Обоснование и результаты экспериментального подтверждения возможности получения сталефибробетонных смесей высокого качества с использованием всей номенклатуры выпускаемой фибры, в том числе фибры повышенной длины, на основе использования двухвальных смесителей принудительного действия.
Результаты производственной апробации и внедрения предлагаемых технических решений в производстве широкой номенклатуры фибробетонных изделий кольцевого очертания для транспортного строительства и коммунального хозяйства.
Практическое значение.
Перевод производства автодорожных водопропускных труб и труб для коммунального хозяйства с традиционного стержневого армирования на дисперсное армирование стальной фиброй позволяет в значительной степени
уменьшить негативные факторы, связанные с низкой технологичностью, трудоемкостью и высоким удельным расходом стали в традиционных решениях труб.
С участием автора для продукции ГУП «Башкиравтодор» разработаны Рекомендации по изготовлению и применению звеньев водопропускных труб, армированных стальной фиброй, разработаны Технические условия ТУ 5859-002-03433484-2005 «Блоки водопропускных труб сталефибробетонные круглые сборные»; для сталефибробетонной продукции ОАО «ГлавБашСтрой» разработаны Технические условия ТУ 5862-001-73763349-2009 «Трубы безнапорные раструбные сталефибробетонные круглые сборные», ТУ 5855-002-73763349-2009 «Кольца колодцев сталефибробетонные круглые сборные».
Разработаны Рекомендации по оптимизации армирования звеньев водопропускных труб для ЗАО ЗЖБИ «Эколог» Башспецнефтестроя.
Реализация работы. На ЗЖБИ ГУП «Башкиравтодор» и ЗЖБИ ОАО «ГлавБашСтрой» по разработанным конструктивным решениям освоено производство звеньев водопропускных труб на основе сталефибробетона.
В период с 2005 по 2009 гг на ЗЖБИ ГУП «Башкиравтодор» произведено
и применено ДРСУ этого объединения около 6000 м сталефибробетонных водопропускных труб отверстиями 1,0 и 1,5 м с плоским опиранием при строительстве и реконструкции автомобильных дорог в Республике Башкортостан.
С 2008 года ЗЖБИ ОАО «ГлавБашСтрой» по разработанной с участием автора технической документации с применением технологии объемного вибропрессования выпускает сталефибробетонные коллекторные безнапорные раструбные трубы отверстиями 0,5, 1,0 и 1,4 м и колодцевые кольца для городского хозяйства.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и представлялись на научно-технических конференциях УТНТУ (г.Уфа, 2005-2009 гг.); на научно-техническом семинаре при XV Международной выставке
«Уралстройиндустрия-2005» (г.Уфа, 2005 г.); на Международных научно-технических конференциях при X, XI, XII, XIII Международных специализированных выставках «Строительство. Коммунальное хозяйство -2006, 2007, 2008, 2009», (г.Уфа, 2006, 2007, 2008, 2009 г.).
По результатам исследований опубликовано 18 статей и тезисов докладов. Технические разработки по внедрению сталефибробетонных конструкций в дорожном строительстве Республики Башкортостан отмечены дипломами X и XIII Международных выставок «Строительство. Коммунальное хозяйство - 2006, 2009», (г.Уфа, 2006, 2009 г.).
С участием автора разработаны трое Технических условий на стелефибробетонную продукцию для дорожного строительства и коммунального хозяйства.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованных источников, приложений. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, включает 7 приложений, содержит 48 иллюстраций и 15 таблиц. Список использованных источников включает 118 наименований.
История развития фибробетона как конструкционного материала
Одним из перспективных конструкционных материалов являются дисперсно-армированные бетоны. Такие бетоны представляют собой одну из разновидностей обширного класса композиционных (композитных) материалов, которые в настоящее время все более широко применяются в различных отраслях промышленности. Дисперсное армирование осуществляется волокнами-фибрами, равномерно рассредоточиваемыми в объеме бетонной матрицы. Для этого используются различные виды металлических и неметаллических волокон минерального или органического происхождения. Отсюда следует широко распространенное в технической литературе название — фиброармированный бетон или в зависимости от вида используемых волокон — сталефибробетон, базальтофибробетон и т. д. [70, 80]:
Как известно, характерными свойствами бетона, снижающими его конструктивную эффективность, являются относительно низкая прочность на растяжение и хрупкость разрушения [5, 15, 35, 47, 52].
Дисперсное фибровое армирование бетона позволяет в значительной степени компенсировать эти недостатки. Получаемый при этом фибробетон выгодно отличается от традиционного бетона, имея в несколько раз более высокие по сравнению с ним прочность на растяжение и срез, ударную прочность, трещиностойкость, истирание, морозостойкость, водонепроницаемость, сопротивление кавитации, усталостную прочность, жаропрочность, пожаростойкость, вязкость разрушения. Исследования выявили, что наиболее показательными характеристиками фибробетона являются прочность, вязкость и работа разрушения при осевом растяжении и изгибе. По последнему показателю фибробетон может в 15-20 раз превосходить обычный бетон [1,4,5,6,30,39,42]. Сопоставление некоторых основных физико механических характеристик тяжелого бетона и фибробетонов приведено в таблице 1.1.
Основной принцип работы фибробетона как композита состоит в том,. что вводимые в бетонную смесь фибры после твердения бетона оказываются надежно связанными с ним за счет сил адгезии, шпоночного зацепления по поверхности криволинейной формы или анкеров на концах фибр. В дальнейшем при воздействии растягивающих или сжимающих напряжений фибра- и бетон работают совместно, сопротивляясь им значительно лучше, чем неармированный бетон [20, 33, 70]. Искусственные каменные материалы, называемые бетонами, известны человечеству не одно тысячелетие. Характеризуясь высокой прочностью на сжатие, они, тем не менее, всегда имели одинаковую проблему - низкое сопротивление на разрыв и образование усадочных трещин при застывании [3]. Большинство строителей часто сталкиваются с многочисленными проблемами при работе с бетоном, такими, как пыль, пластическая усадка и оседание, действие мороза (на раннем этапе). А при дальнейшей эксплуатации проявляются такие свойства, как низкая устойчивость к замерзанию, оттаиванию, слабое сопротивление удару, подверженность истиранию, высокое проникновение воды и химических веществ. Еще древние строители боролись с этим, вводя материалы, имеющие более высокую прочность и гибкость и повышающие однородность застывающего раствора. Египтологи утверждают, что сложный по составу бетон со следами шерсти, меда и других компонентов использовался еще при возведении пирамид, а спустя несколько тысячелетий, в раствор для кладки Пятницкой церкви под Черниговым добавляли яичный белок, молоко и рубленую шерсть [70].
Идея усиления хрупкого бетона «железным волосом» или «соломой», пользуясь современной терминологией - стальным волокном - фиброй не нова. Время ее возникновения относят к концу 19 - началу 20 века. Однако после ее появления прошло более 50 лет, по прошествии которых интерес к ней возобновился уже на новом уровне. Введение фибр в бетон и их дисперсное расположение в объеме материала позволило сформулировать понятие композиционного материала на основе бетонной (цементной) матрицы.
Сталефибробетон предложен в России профессором В.П. Некрасовым в 1907 г. Большой вклад в развитие науки и практики в этой области внесли Ю.М. Баженов, Г.И. Бердичевский, А.С. Бочарников, И.В Шолков Ф.А. Гофштейн, К.М. Королев, Б.А. Крылов, Л.Г. Курбатов, Е.Г. Кутухтин, И. А. Лобанов, Л.А.Малинина, К.В. Михайлов, А.С. Носков, И.Г. Овчинников, Ю.В. Пухаренко, Ф.Н. Рабинович, В.П. Романов, B.C. Стерин, К.В. Талантова, Г.К. Хайдуков, В.Г. Хозин, Ю.Н. Хромец, Г.А. Шикунов, Ф.Ц. Янкелевич и др.
Номенклатура искусственных волокон весьма обширна: от чрезвычайно дефицитных, например из карбида или нитрида кремния, бора, углерода, сапфира, вольфрама, до сравнительно доступных для применения в массовом строительстве — стальных, стеклянных, базальтовых, полимерных.
Армирование бетонов приводит к соответствующему повышению энергоемкости материала. Так как применение армированных сталью бетонов осуществляется в широких масштабах, становится существенной проблема максимального сокращения расхода металла и наиболее рационального его использования в бетоне. Например, во многих случаях армирование бетонов стальной арматурой осуществляется только исходя из действующих на конструкцию усилий во время транспортирования или монтажа. При этом толщина конструктивных элементов устанавливается, как правило, не менее 60 - 80 мм (поскольку необходимо предусматривать достаточную толщину бетонного защитного слоя для предохранения арматуры от коррозии). Вполне очевидно, что указанная толщина элементов с точки зрения прочности может оказаться неоправданной. Это приводит к неизбежному перерасходу конструкционных материалов, в том числе арматуры, которая при эксплуатации конструкций практически не выполняет своего прямого назначения. Кроме того, значительное количество стали в железобетонных конструкциях расходуется на монтажную, поперечную и распределительную арматуру. Коэффициент использования арматуры колеблется от 1,3 до 4,5. Как видно, имеются потенциальные возможности снижения расхода арматуры в конструкциях. Поэтому дальнейшее совершенствование бетонных материалов должно предусматривать не только улучшение их механических характеристик, но и изыскание, путей наиболее рационального использования металлической арматуры, а также создание новых эффективных армирующих материалов [9, 17].
Классификация фибры по жесткостным и прочностным характеристикам
Эффективность фиброармирования для изделий и конструкций, работающих на действие статических нагрузок, зависит от прочности бетона-матрицы, характеристик и объемной концентрации фибры ц. . Главные параметры фибры, оказывающие влияние на физико-механические характеристики фибробетона - абсолютная длина If, диаметр df, относительная длина фибры lf/df, прочность фибры на растяжение Rfu, анкерующие способности фибры.
Не все волокна отвечают требованиям, которые предъявляются к арматуре бетонов. Здесь, прежде всего, необходимо учитывать такие показатели, как прочность, деформативность, химическая стойкость армирующего материала, его адгезия к бетону, коэффициент линейного расширения и т. д. Важное значение, имеют также вопросы стоимости армирующих материалов и объемы их производства, которые в ряде случаев играют решающую роль. Например, известны идеальные волокна в виде нитевидных монокристаллов (так называемые "усы"), характеризующиеся чрезвычайно высокими прочностью на разрыв и модулем упругости, большой устойчивостью к различным средам. Однако производство этих волокон даже в промышленно развитых странах пока ограничено. В то же время такие распространенные и освоенные промышленностью многих стран волокна, как, капрон, найлон и др., не могут быть эффективно использованы и качестве несущей арматуры, главным образом из-за более низких (по сравнению с бетоном) значений модуля деформации [70].
В настоящее время используются в основном три вида армирующих волокнистых материалов: волокна (фибры) в виде коротких отрезков тонкой стальной проволоки [55, 64, 74], стеклянные волокна [70, 98], базальтовые волокна [32, 51, 52, 53, 79, ] и волокна на основе полипропилена. Эти материалы различаются по своим свойствам, поэтому к решению вопросов их применения в качестве арматуры необходимо подходить дифференцированно. Наиболее эффективной в конструкционном отношении является стальная фибровая арматура, модуль упругости которой примерно в 6 раз превышает модуль упругости бетона. Элементарные стеклянные волокна диаметром 8-10 мкм по прочности соответствуют высокоуглеродистой холоднотянутой проволоке (1800-2500 МПа), а по плотности в 3,5 раза легче. Модуль упругости стекловолокнистых материалов ниже, чем стали, но примерно втрое превышает модуль упругости бетона и в среднем в 6 раз больше модуля упругости гипсового камня. Это предопределяет реальные возможности применения стеклянных волокон в качестве эффективного армирующего материала.
Синтетические волокна. Синтетические волокна относятся к обширному классу волокон органического происхождения [70]. Несмотря на более низкие значения упругих характеристик органических волокон (по сравнению со стальными и стеклянными), интерес к их исследованиям и применению в качестве армирующей добавки для бетонов сохраняется до сих пор.
Попытки использовать в качестве арматуры органические волокна растительного или животного происхождения были известны с давних времен. Исследовались возможности применения джутовых, сизалевых, кокосовых, целлюлозных и других волокнистых материалов. Однако волокна этого типа из-за большого водопоглощения требуют существенного повышения водоцементного отношения для обеспечения необходимой подвижности бетонной смеси, что, в свою очередь, приводит к заметному снижению прочности композиций. Проблематичны также вопросы долговечности армированных такими волокнами композиционных материалов.
Таким образом, как и при традиционном армировании эффективность работы волокон в конструкциях в значительной мере должна определяться степенью их деформативности. Поэтому предложено разделять волокна на два типа [70]: низкомодульные (нейлоновые, полиэтиленовые, полипропиленовые) с характерным для них большим относительным удлинением при разрыве и высокомодульные (стальные, стеклянные, углеродные, базальтовые). В первом случае при армировании следует ожидать в основном повышения ударной вязкости бетона, во втором - может быть достигнуто также увеличение прочности бетона при растяжении, жесткости и сопротивления динамическим воздействиям.
В большей мере предъявляемым требованиям отвечают синтетические волокна: наилоновые, полиэтиленовые, полипропиленовые и др., которые, как установлено многими исследованиями, не поддаются коррозии под воздействием среды гидратирующихся цементов.
Синтетические волокна на основе полипропилена характеризуются повышенной деформативностью. Модуль упругости таких волокон составляет не более 1/4 модуля упругости обычных бетонов. Поэтому волокна из полипропилена вряд ли могут выполнять роль эффективной несущей арматуры для бетонов. Их применение даёт возможность решить вопросы, связанные, прежде всего с дополнительным (конструктивным) армированием: предотвращения повреждений и выколов в бетоне при транспортировании и монтаже изделий, частичного повышения ударной прочности, сопротивления истиранию и т. д.
Объемные волокна из полипропилена для армирования бетонов были впервые использованы в Англии. Волокна диаметром от 0,02 до 0,038 мм получали из пленки путем ее продольной резки, вытягивания и скручивания. В бетонной смеси такие фибриллированные волокна раскрываются, и цементное тесто проникает между ячейками сетчатой структуры, образуемой волокнами. Испытания показали, что указанные волокна имеют более надежное сцепление с бетоном и дешевле, чем наилоновые.
Анализ силового состояния водопропускных труб с использованием ПК «Plaxis 8.2» и «Scad 7.31»
Дисперсное армирование приводит в ряде случаев к снижению материалоемкости конструкций, стоимости и трудоемкости изготовления по сравнению с традиционными решениями. Это достигается в значительной мере за счет частичного или полного отказа от необходимости применения в конструкциях традиционных арматурных сеток и каркасов, а также в результате перевода во многих случаях комплекса производства арматурных работ в процессе изготовления армированной бетонной смеси непосредственно в бетоносмеситель [49, 70, 75, 76, 82, 97, 109].
Наряду с общими требованиями, предъявляемыми к качеству бетонных смесей, большое значение для фибробетонных смесей имеет равномерность распределения фибры в объеме смеси. Степень равномерности распределения фибры в объеме бетона, а следовательно, и прочностные характеристики материала и их однородность зависят от характеристик применяемой фибры (в том, числе фибрьг повышенной длины), процента, армирования; способа подачи фибры в бетоносмеситель и его типа [70,109].
Наиболее сложно в технологическом отношении введение волокон (фибр) в необходимых количествах в растворную или бетонную смесь с одновременным обеспечением соответствующей равномерности и дисперсности их распределения. При традиционных методах перемешивания в растворе и бетоне при введении волокнистого заполнителя наблюдается образование характерных скоплений волокон в виде комков и клубков, препятствующих дальнейшему равномерному их распределению в объеме материала. Это наблюдается при использовании практически всех видов волокон независимо от применяемого вяжущего. Поэтому могут возникнуть ситуации, при которых содержание волокон и степень их рассредоточения в растворе (бетоне) будут неодинаковыми и недостаточными для создания оптимального (критического) уровня. Это может привести к тому, что статические испытания на растяжение или изгиб не покажут увеличения прочности материала. Возможности равномерного распределения волокон в бетоне обусловливаются рядом факторов и зависят в значительной мере от отношения длины волокон к диаметру, их объемного содержания, размера частиц заполнителя, его количества, а также способов перемешивания [70, 109].
Особенно большое влияние на технологический процесс оказывает длина используемых волокон. Увеличение длины волокон обеспечивает повышение их анкерующей способности в бетоне, но одновременно снижает возможности их качественного перемешивания с бетонной смесью в бетоносмесителе. С уменьшением длины фибр обеспечение равноценного эффекта по прочности может быть достигнуто за счет увеличения содержания армирующих волокон (фибр) в бетоне и, напротив, с увеличением длины фибровой арматуры расход ее может быть соответственно уменьшен [70].
Важное значение, имеют вопросы введения фибр в бетонную смесь. Качественное получение фиброармированной бетонной смеси может быть достигнуто при условии обеспечения равномерной и постепенной подачи фибровой арматуры в бетоносмеситель во время перемешивания в нем компонентов бетонной смеси.
Известны несколько способов получения бетонов, армированных стальными фибрами. Например, сначала перемешивают всухую песок с заполнителем и затем вводят требуемое количество предварительно просеянных через сито фибр. После этого в смесь добавляют цемент и воду или сначала цемент, а затем воду с добавками и продолжают перемешивание до получения однородного состава бетона. В ряде случаев волокно добавляют к заполнителю, предварительно перемешанному с водой, и после этого вводят цемент и недостающую воду. Если изделия изготавливают на основе раствора (без крупного заполнителя), то волокна обычно вводят в последнюю очередь [70, 109].
Для приготовления фиброармированных бетонных смесей могут использоваться обычные смесители периодического действия, но более эффективными являются . смесители принудительного действия, а также специальные смесители, например спирально-вихревые, турбулентные и др. Важной проблемой, возникающей при армировании волокнами бетонных материалов, является также снижение удобоуюіадьіваемости бетонной смеси по мере увеличения в ней содержания волокнистого заполнителя. Установлено, что как с увеличением длины волокон, так и с уменьшением их диаметра снижение удобоуюіадьіваемости бетона при прочих равных условиях (например, при одном и том же содержании волокон) проявляется более заметно. Повышения уровня удобоуюіадьіваемости обычно достигают за счет увеличения водоцементного отношения и объема растворной части материала, а также благодаря применению различных пластифицирующих добавок.
Обычно содержание крупного заполнителя рекомендуется ограничивать до 20-25 процентов по объему, а максимальный размер его зерен должен составлять не более 10-15 мм. Присутствие крупного заполнителя в смеси влияет на возможности регулирования объемного содержания фибр в бетоне. Обычно с увеличением содержания крупного заполнителя объемное содержание фибровой арматуры, которое может быть введено в бетон без комкования, линейно уменьшается. При армировании бетона волокнами малых диаметров влияние крупного заполнителя на свойства композиции может оказаться негативным, поэтому в этих случаях применение крупного заполнителя вообще не рекомендуется, а композиция изготавливается на основе мелкозернистого бетона (раствора) состава Ц:П равное от 1:2 до 1:3. Чем больше диаметр волокон, тем соответственно меньше отрицательное влияние крупного заполнителя. При этом могут быть даже улучшены формовочные свойства армированного бетона и его прочностные показатели.
Оптимальный размер зерен заполнителя для сталефибробетона не должен превышать 1/3 длины фибры. При этом относительный расход крупного и мелкого заполнителя должен быть значительно ниже, чем для обычного бетона, и находиться в пределах от 0,4 до 0,8.
Силовые испытания сталефибробетонных водопропускных и коллекторных труб на стенде ГУП «БашНИИстрой»
Вся номенклатура сталефибробетонных водопропускных труб, выпускаемых на заводах железобетонных изделий ГУП «Башкиавтодор» и ОАО «ГлавБашСтрой», была подвергнута натурным испытаниям на силовом стенде ГУП «БашНИИстрой» эквивалентной равномерно распределенной полосовой нагрузкой по коньку звена (рисунок 5.3). В данном случае разрушение будет происходить в коньковом сечении от действия чистого изгибающего момента при нулевой продольной силе. Цель испытания - определение фактических значений прочности и трещиностойкости конструкции.
Нагружение производилось двумя 100-тонными домкратами. Рабочее сечение поршней домкратов равняется 615 см , что в сумме составляет общую площадь 1230см2. Таким образом при приращении давления в масляной системе на 1 кг/см , приращения рабочего давления домкратов в сумме составляет 1230кг. Исходя из указанных расчетов, составлялась программа приращения нагрузок на испытуемую конструкцию.
Нагрузка на конструкцию передавалась через систему двух распределительных балок и установленных между ними металлических прокладок, согласно схемы испытания показанной на рисунке 5.3. Загружение испытываемой конструкции до нагрузки равной 0,9Рнорм производилось долями нагрузки, составляющими 10%РНОрм- Далее, до разрушения, испытания проводились долями нагрузки, составляющими 5%Рнорм. При испытании конструкции на каждой ступени нагружения производилась 10 минутная выдержка, во время нагружения контрольной нагрузкой Ррасч - 30 минутная выдержка при которых вёлся осмотр внешней и внутренней поверхности конструкции, с целью обнаружения сколов и трещин. Контроль давления в масляной системе домкратов производился манометром поверенным на максимальное рабочее давление 40кг/см В ходе испытания в стадии нагружения, близкой к предельной, в зонах действия максимальных изгибающих моментов наступало развитие процесса трещинообразования. Этими зонами были внутренние поверхности трубы в коньковом и лотковом сечениях и наружные поверхности в боковых сечениях. В последующие 10-15 секунд наблюдалось формирование пластических шарниров в указанных сечениях и разрушение конструкций по механизму хрупкого разрушения (рисунок 5.6, 5.7). Визуальный осмотр фрагментов изделий после испытаний показал, что разрушение сталефибробетона на основе фибры типа 1 происходило преимущественно по механизму разрыва стальных фибр, что согласуется с достаточно высокой прочностью сцепления фибры с бетоном-матрицей класса В30 за счет волнистой и рифленой формы поверхности фибры, производимой НПО «Магфибрастрой». Из результатов испытаний сталефибробетонных водопропускных труб, следует, что фактическая разрушающая нагрузка превысила расчетную нагрузку в 1,6-1,7 раза для труб диаметров более 1,4 м; 1,8-2,2 раза для труб диаметров 0,5-1,0 м (таблица 5.1), что выше коэффициента безопасности, равного 1,6 для хрупкого типа разрушения (ГОСТ 8829-94, приложение Б) [22]. Уровень полученных коэффициентов безопасности позволил использовать сталефибробетон в производстве водопропускных труб без дополнительного стержневого армирования.
Из разрушенного сечения (рисунок 5.8) видно, что стальная арматура равномерно распределена в бетонной матрице, а значит, загрузка фибры в смесительную установку с помощью виброподачи эффективна и обеспечивает равномерное распределение фибры по всему объему. Выдергивания фибры из бетона практически не произошло, а разрушение произошло в результате обрыва фибр, что обуславливает хорошее сцепление бетона с фиброй. стальными волокнами
Результаты испытаний показали эффективность и работоспособность предложенной технологии производства водопропускных сталефибробетонных труб на заводе ЖБИ ГУП «Башкиравтодор» и позволили рекомендовать их к расширенному использованию при строительстве и ремонте дорог производимых подразделениями ГУП «Башкиравтодор» и другими дорожностроительными предприятиями.
Как показала практика, производство сталефибробетона является экономически выгодным. При изготовлении и возведении традиционных конструкций из железобетона наиболее трудоемкими являются арматурные работы. Изготовление сеток, каркасов, установка арматуры и ее закрепление в проектное положение, необходимость увеличения толщины конструкций для обеспечения толщины защитного слоя бетона, сложность соблюдения толщины защитного слоя при бетонировании приводят к значительным затратам труда. В ряде конструкций, со сложным геометрическим очертанием не всегда могут быть использованы стандартные сетки. Армирование подобных конструкций осуществляется, как правило, индивидуально и часто отдельными стержнями, что существенно повышает не только трудоемкость работ, но и приводит к перерасходу стали.
Экономический эффект при изготовлении тонкостенных изделий кольцевого очертания, к которым относятся водопропускные трубы, достигается за счет уменьшения требуемых производственных площадей; снижения трудозатрат на стадии изготовления до 25-30% (затраты, связанные с изготовлением пространственных арматурных каркасов и их установкой в проектное положение с соблюдением требуемой толщины защитного слоя бетона) и снижения удельного расхода стали по сравнению с традиционным стержневым армированием, а также за счет повышения долговечности изделий до 1,5 раз.