Расчетная оценка прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования фибробетонов с агрегированным распределением волокон

Аннотация

Л.Р. Маилян, А.Л. Маилян, Э.С. Айвазян

Дата поступления статьи: 26.07.2013

Для возможности практического внедрения фибробетонов с агрегированным распределением волокн, изготовленных по челночной и конвейерной технологии, и железобетонных конструкций из них, рассматриваются нормативные и расчетные характеристики, предложения по расчетной оценке прочностных и деформативных характеристик.

Ключевые слова: нормативные, расчетные характеристики,диаграмма деформирования, сжатие,растяжение.

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Для возможности практического внедрения фибробетонов с агрегированным распределением волокон, изготовленных по челночной и по конвейерной технологии [1], и железобетонных конструкций из них необходимо располагать расчетными величинами основных прочностных, деформативных и конструктивных характеристик, а также расчетными диаграммами деформирования фибробетонов, разработка теоретических предложений по которым и осуществлена в настоящей статье.
Ранее [1] нами было установлено практически одинаковое изменение прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования фибробетонов с агрегированным распределением волокон независимо от технологии – как челночной, так и конвейерной.
Поэтому все расчетные предложения ниже носят обобщенный характер и делаются для фибробетонов, изготовленных по любой из этих новых технологий.
Нормативные и расчетные характеристики фибробетонов с  агрегированным распределением волокон. После установления изменения характеристик фибробетонов с агрегированным распределением волокон, изготовленных по челночной или конвейерной технологии в первую очередь необходима разработка рекомендаций по расчетному определению их нормативных и расчетных сопротивлений для нормированного расчета по предельным состояниям I и II групп.
Для этого необходима определенная статистика, основанная на большом количестве экспериментальных данных.
С этой целью были проведены дополнительные экспериментальные исследования – изготовлено и испытано 80 кубов размером 10×10×10см из фибробетона, приготовленного по челночной и конвейерной технологиям, из которых по 40 испытывались на осевое сжатие и растяжение при раскалывании.
По результатам статистической обработки опытных данных были определены нормативные сопротивления сжатию и растяжению при надежности 0,95. Их значения, являющиеся одновременно расчетными сопротивлениями для предельных состояний второй группы R_b,ser  и R_bt,ser для фибробетонов класса В 30 с процентом фибрового армирования µ=4% (примером является таблица 1).
Расчетные сопротивления фибробетонов для предельных состояний первой группы R_b и R_bt получали как частное от деления нормативных сопротивлений сжатию и растяжению на соответствующие коэффициенты надежности по бетону при сжатии γ_bc = 1,3 и при растяжении γ_bt = 1,5.
При расчете и проектировании фибробетонных элементов необходимо учитывать также деформативность тяжелых фибробетонов. 
При обычной технологии изготовления фибробетонов с произвольной ориентацией волокон при µ=4% их предельную сжимаемость можно принимать при кратковременном нагружении равной 260 · 10^-5 , а предельную  растяжимость – 30 · 10^-5. Другими словами, предельная сжимаемость увеличивается в 1,3 раза, а предельная растяжимость – в 1,5 раза по сравнению с нормированными значениями для бетона без фибр.
Для фибробетонов же с агрегированным распределением волокон, изготовленных по челночной и конвейерной технологиям, при µ=4%, предельную сжимаемость можно принимать при кратковременном нагружении равной 235 . 10-5 , а предельную  растяжимость – 27 . 10-5. Другими словами, предельная сжимаемость и растяжимость фибробетонов при челночной или конвейерной технологии снижается на 10% по сравнению с обычной технологией.
Таблица  № 1
Рекомендуемые значения нормативных и расчетных характеристик фибробетона класса В 30 с процентом фибрового армирования µ=4%
с агрегированным распределением волокон

Предложения по расчетной оценке прочностных и деформативных характеристик фибробетонов с агрегированным распределением волокон, изготовленных по челночной и конвейерной технологиям,
в различные сроки твердения. Разработанные нами расчетные предложения сводятся к рекомендациям по аналитическому описанию коэффициентов изменения прочностных и деформативных характеристик фибробетонов в зависимости от возраста бетона ввиде:
K = f (t),                                                      (1)
где f – соответствующая функция; t – возраст фибробетонов.
За единую базовую функцию f (t) в формуле (1) примем зависимость П. Сарджина, рекомендованную ЕКБ-ФИП [2] для описания диаграмм деформирования бетона:
,                                   (2)
где X_R, Y_R  – координаты максимума графика функции (2) в абсолютных показателях; К – управляющий параметр, влияющий на форму графика функции (2), трансформирующегося в прямую (К=1), квадратичную параболу (К=2) и действительную ветвь квадратичной гиперболы (1<K<2 и K>2).
В качестве функции Y/Y_R в выбранной нами функции (2) выступают приращения D прочностныхR_b, R_bt и деформативных ε_bR, ε_btR характеристик, а также начального модуля упругости E_b=E_bt фибробетонов, приготовленных по челночной технологии, а в качестве аргумента Х/X_R – относительный возраст фибробетона  t/28 , то есть возраст в сутках, отнесенный к базовому – 28 суток.
Статистическая обработка полученных результатов позволила определить значения значений управляющих параметров К для прочностных Rb, Rbt , деформативных ε_bR, ε_btR характеристик и начального модуля упругости E_b=E_bt фибробетонов, изготовленных по челночной и конвейерной технологиям и проанализировать их.

Анализ показал, что значения управляющих параметров К для прочностных R_b, R_bt, деформативных ε_bR, ε_btRхарактеристик и начального модуля упругостиE_b=E_bt фибробетонов, изготовленных как по челночной, так и по конвейерной технологиям, достаточно близки между собой.
Это дало основания рекомендовать единые обобщенные значения управляющих параметров К для фибробетонов с агрегированным распределением волокон, независимо от технологии их производства.
Таблица 2
Функции, аргументы и значения параметров зависимости (2) для определения прочностных и деформативных характеристик фибробетонов при челночной технологии изготовления и в разные сроки твердения

Анализ показал хорошую сходимость разработанных теоретических рекомендаций с нашими экспериментальными результатами.
Аналитическое описание диаграмм деформирования "напряжения-деформации" при сжатии и растяжении фибропенобетонов, с агрегированным распределением волокон, изготовленных по челночной и конвейерной технологиям, в различные сроки твердения и их взаимосвязь. Одной из наиболее удобных и распространенных в мире зависимостей для описания диаграмм деформирования бетона как при сжатии, так и при растяжении, является функция, предложенная П. Сарджином, и рекомендованная ЕКБ-ФИП для расчетов железобетонных конструкций:
,                                     (3)
где R и ε_R – максимальная прочность и соответствующие ей деформации на сжатие или растяжение; К=ε_R Е/R – численный параметр, равный отношению начального Е (касательного) модуля упругости к предельному (секущему) модулю упругости R/ε_R в момент достижения максимума функции (3) с координатами R иε_R .
В тех же рекомендациях предлагалось принимать диаграммы деформирования бетона при сжатии «σ_b-ε_b »  и при растяжении «σ_bt-ε_bt» подобными, имеющими одинаковый начальный Е_b=Е_bt и секущий модуль упругости R_b/ε_bR= R_bt/ε_btR, как и параметр К.
В целях единообразия предлагаемых расчетных зависимостей, применим единые функции (2) – (3) как для оценки изменения прочностных и деформативных характеристик, так и для описания диаграмм деформирования фибробетонов в различные сроки твердения и как при сжатии, так и при растяжении.
В целом, порядок расчетной оценки характеристик и диаграмм деформирования фибробетонов с агрегированным распределением волокон как при челночной, так и при конвейерной технологии их изготовления имеет следующий вид.

На первом этапе определяется изменение прочностных ΔR_b и ΔR_bt и деформативных ΔR_bt , Δε_btR, ΔЕ_b, DΔ_bt  характеристик при необходимых сроках твердения при сжатии и растяжении – по зависимости (2) или таблице 2.

На втором этапе производится аналитическое описание диаграмм  «s-ε» фибробетона с агрегированным распределением волокон при сжатии и растяжении в различные сроки твердения – используется функция (3) с подстановкой в нее вместо R и εR соответственно (R_b + ΔR_bt ); (ε+ ΔR_bt ); ΔЕ_b, при сжатии и (R_bt + ΔR_bt ); (ε_btR + Δε_btR); ΔЕ_bt при растяжении, при этом параметр К:
                    (4)
Анализ показал хорошую сходимость опытных и расчетных результатов.
Взаимосвязь изменения диаграмм деформирования фибробетонов при сжатии и растяжении обычно наиболее просто и достоверно отражена в уже упоминавшихся рекомендациях ЕКБ – ФИП – в них принимается равенство начальных модулей упругости при сжатии и растяжении E_b = E_bt, то есть касательных к диаграммам «σ_b – ε_b» и «σ_bt – ε_bt» в начале координат и рекомендуется одинаковое значение параметра при сжатии и растяжении
                                  (5)
то есть секущих  в  точках  максимумов  диаграмм «σ_b – ε_b» и «σ_bt – ε_bt» , а также дается одинаковая функция “σ – ε” при сжатии и растяжении – формула (3).
Тем самым диаграммы при сжатии и растяжении предполагаются подобными.
Анализ полученных нами опытных данных выявил дополнительные факты взаимосвязи изменения диаграмм «σ – ε» при сжатии и растяжении фибробетонов с агрегированным распределением волокон, приготовленных как по челночной, так и по конвейерной технологии.
Это касается координат максимумов диаграмм «σ_b – ε_b» и «σ_bt – ε_bt» при любом определенном сроке твердения - оказалось, что они лежат при сжатии и растяжении на одной прямой, проходящей через начало координат графика.
То есть, подобие диаграмм «σ_b – ε_b» и «σ_bt – ε_bt» при сжатии и растяжении имеет место и для фибробетонов с агрегированным распределением волокон, приготовленных как по челночной, так и по конвейерной технологии, в любые сроки твердения.
Выводы
1. По результатам статистической обработки опытных данных при надежности 0,95 определены и рекомендованы для применения при проектировании значения нормативных сопротивлений на сжатие и растяжение R_bn и R_btn фибробетонов класса В 30 при проценте фибрового армирования 4% с агрегированным распределением волокон, изготовленных по предложенным челночной и конвейерной технологиям, а также расчетных сопротивлений для предельных состояний первойR_bn и R_btnи второй группыR_b,ser и R_bt,ser.
2. Предложены расчетные зависимости для определения прочностных и деформативных характеристик при осевом сжатии и растяжении фибробетонов с агрегированным распределением волокон, изготовленных по предложенным челночной и конвейерной технологиям, в любом возрасте от 7 до 365 суток, определены их параметры и коэффициенты.
3. Предложено использовать для расчетного описания диаграмм деформирования «напряжения-деформации»  в любом возрасте при осевом сжатии и растяжении фибробетонов с агрегированным распределением волокон, изготовленных по предложенным челночной и конвейерной технологиям, формулу ЕКБ – ФИП с учетом разработанных рекомендаций по оценке изменения их прочностных и деформативных характеристик.
4. Выявлена взаимосвязь изменений прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования при осевом сжатии и растяжении фибробетонов с агрегированным распределением волокон, изготовленных по предложенным челночной и конвейерной технологиям, в различном возрасте.
Предложена расчетная зависимость для описания этой взаимосвязи, имеющая в целях единообразия, одинаковый вид и структуру с расчетными рекомендациями, разработанными для определения характеристик фибробетона и его диаграмм деформирования.

Литература

1.  Маилян, Л.Р.,  Налимова, А.В.,  Маилян, А.Л.,  Айвазян, Э.С. Челночная технология изготовления фибробетона с агрегированный распределением фибр и его конструктивные свойства. [Электронный ресурс] //   «Инженерный вестник Дона», 2011, №4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/714 (доступ свободный)- Загл. с экрана.-Яз. рус.
2.  Кузнецова, О.В., Лазарева, Е.А., Тышлангян, Ю.С. Композиционные разработки в технологии производства. [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона»,  2013, №2. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1628 (доступ свободный) -Загл. с экрана.-Яз.рус.
3. Кодекс-образец ЕКБ – ФИП для норм по железобетонным конструкциям. [Текст] / Пер. с фр. Л.В. Еленской; под ред. А.А Гвоздева. – М.: НИИЖБ, 1984. – 284 с.
4. Аль Хаддад Абдуль Муаеин Хамид Влияние технологических параметров перемешивания на свойства сталефибробетона [Текст]:  автореф. дис. канд. техн. наук /Аль Хаддад Абдуль Муаеин Хамид. – Л., 1980. – 20 с.
5. Вылекжанин, В. П. О совместной работе стержневой и фибровой арматуры в изгибаемых сталефиброжелезобетонных элементах [Текст]: / В. П. Вылекжанин, В. И. Григорьев // Исследование и расчет новых типов пространственных конструкций гражданских зданий: сб. науч. тр. – Л.: ЛЕНЗНИИЭП, 1985. – С. 69 - 77.
6. Львовский, Е. Н. Ползучесть сталефибробетона при центральном растяжении [Текст]: / Е. Н. Львовский, Л. И. Ольховая; Кишинев. политехн. ин-т. – Кишинев, 1989– 17 с.  – Деп. в МолдНИИНТИ 24. 03. 89, № 1098-М 89.
7. ТУ 1276-001-40610949-95 Фибра стальная для дисперсного армирования бетона / Разработчик ЗАО «Фибробетон»-9 с.
8. Шабловский, Е. А. Стальные фибры для дисперсного армирования бетонных конструкций [Текст]: / Е. А. Шабловский. – М., 1990. – 61 с. – (Серия: Конструкции жилых и общественных зданий. Технология индустриального домостроения: обзор. информ. / ВНИИТАГ; вып. 4).
9. Браутман, Л., Крок, Р. Современные композиционные материалы [Текст]:   – М.: Мир, 1970. – 240 с.
10. Properties of fibre reinforced concrete for rigid pavement / T. F. Fwa, P. Paramasivam // Proc. Int. Symp. Fibre Reinforced Concr., Madras, Dec. 16-19, 1987:ISFRC-87. Vol. 2. – Rotterdam, 1987. – P. 5.17 - 5.27.
11. Use of conventional and high performance steel-fiber reinforced concrete for bridge deck overlays / N. Krstulovic – Opara [et al.] // ACI materials journal. –1995. – Vol. 92, № 6. – P. 669 – 671.