Л.Б.АРУОВА, канд. техн. наук, доц. (Кызылординский ун-т), Гелиотехнология при производстве железобетонных изделий в Республике Казахстан
Республика Казахстан обладает значительными запасами сырьевых ресурсов. Однако все виды органических топлив, используемых в промышленности, справедливо относят к невозобновляемым источникам энергии, так как они имеют ограниченные запасы. Увеличение или сохранение темпов отрицательного воздействия на природу в результате промышленной деятельности и энергопроизводства вынуждают искать способы использования чистых видов энергии и прежде всего солнечной. Южный Казахстан имеет 154-210 солнечных дней в году с температурой воздуха от 20 до 45 °С, что создало благоприятные условия для развития исследований в данном направлении.
Автором разработаны и внедрены эффективные малоэнергоемкие способы интенсификации твердения бетона на полигонах с применением традиционных источников энергии при недостаточном поступлении солнечной энергии. Первый предполагал использование плоских электронагревателей (ТЭНов), которые устанавливались в поддоне гелиокамеры под формой изделий. При этом осуществлялась гелиотермообработка с использованием солнечной энергии и электрообогрев бетона, покрытого пленкообразующим составом. По второму способу греющий нагревательный элемент устанавливали непосредственно на форму с бетоном, покрытым ВПС, через который подводилось дополнительное тепло, и одновременно использовалась солнечная энергия. Третий способ также прост в реализации: свежеуложенный бетон, покрытый пленкообразующим составом, укладывали в гелиокамеру, снабженную термоэлектронагревателями, расположенными в нижней части камеры, а сверху размещали греющие нагревательные элементы (шнуры).
Особое место среди физических процессов, происходящих в свежеуложенном бетоне при гелиотермообработке, занимает его обезвоживание. При нарушении технологии гелиотермообработки или при неправильном уходе бетон в жаркую сухую погоду теряет в течение первых суток 50-70% воды затворения, при этом основная ее часть удаляется в течение первых суток.
Исследования пластической усадки тяжелого бетона в зависимости от температурно-влажностных условий твердения подтвердили эффективность методов гелиотермообработки в светопрозрачных камерах с использованием пленкообразующих составов по сравнению с бетонами, твердевшими без ухода в условиях сухого жаркого климата при t=35-38 °С и ф = 25-30 %. При этом максимальная пластическая усадка бетона, твердевшего в светопрозрачной камере, через 6 ч твердения находилась в пределах 0,4-0,6 мм/м, тогда как усадка образцов бетона, твердевших без ухода, в условиях сухого жаркого климата составила 5 мм/м.
Кинетика роста прочности цемента и бетона в значительной степени зависит от температурно-влажностных условий. Гепиотермообработку проводили по мягкому режиму, при котором скорость подъема температуры бетона составляет 5- 7°С/ч, длительность изотермической выдержки при максимальной температуре 50-70 °С - 5-7 ч, остывание до температуры 35-50°С со скоростью 1,5-2,5°С/ч до достижения бетоном в суточном возрасте 50- 70% R28 Исследования показали, что при гелиотермообработке прочность бетонов, изготовленных по второму способу, когда тепло подводится сверху на изделие, на 20% превышает прочность бетонов, твердевших по первому способу, с использованием ТЭНов в нижней части камеры под формой изделий. Прочность бетона, изготовленного по третьему способу, когда дополнительное тепло подводится и сверху, и снизу, на 20-30% выше по сравнению с прочностями бетонов, прогреваемых по первому и второму способам. Если рассматривать прочности этих бетонов с точки зрения покрытия пленкообразующим составом, то можно сделать вывод, что при использовании ВПС при всех трех способах прочность повышается до 30%.
Так как все три вида гелиотермообработки были проведены по мягким режимам, то по основным структурным характеристикам бетоны нормального твердения и подвергнутые гелиотермоообработке схожи. Поэтому проведенные исследования на морозостойкость подтвердили данные предположения, и все образцы выдержали 300 циклов попеременного замораживания оттаивания с К=1,05-1,2.
Модуль упругости бетонов, подвергнутых рассмотренными способами гелиотермообработки, на 10- 15% выше, чем аналогичный показатель у бетонов, прошедших тепловую обработку пропариванием, что можно объяснить мягкими режимами гелиотермообработки.
Гелиотермообработка в светопрозрачных камерах под пленкообразующим составом может применяться при агрегатно-поточном, стендовом технологических способах производства. Нужно отметить, что гелиотехнология сегодня находит широкое распространение в Республике Казахстан, особенно в южных районах. Применение гелиотехнологии гарантирует высокое качество изделий и конструкций, поскольку в бетоне не происходят характерные для других видов тепловой обработки деструктивные процессы, и физико-механические свойства этих бетонов аналогичны свойствам бетонов нормального твердения.
Разработанные методы гелиотермообработки железобетонных изделий и конструкций были внедрены на ряде заводов, а также в условиях открытых цехов и полигонов в Республике Казахстан.
Плоские безбалочные безкапительные плиты перекрытия (ПББПП) являются в настоящее время одними из самых распространенных конструкций. Между тем вопросы, связанные с определением их несущей способности и деформативности, изучены недостаточно. Одним из таких вопросов является определение несущей способности ПББПП на продавливание. Это связано с тем, что экспериментальные исследования проводились на моделях, не точно воспроизводящих действительную работу узлов.
Изучению этого вопроса посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных исследователей начиная с 20 гг. прошлого века [1]. Но и в настоящее время нет единого мнения о работе плиты при продавливании и механизме разрушения. Результаты экспериментов по продавливанию плит при разной прочности бетона (Rb), с разным процентом продольной арматуры плиты (т), отношения толщины плиты к размеру сечения колонны (h/c) показывают, что изменяется не только несущая способность плиты, но и характер разрушения — от хрупкого до пластического. Граница между двумя видами весьма условна. Как показывают экспериментальные данные, хрупкий характер разрушения отмечается у плит с невысоким процентом армирования, а также при высокой прочности бетона плиты. Заметное влияние на характер разрушения и величину силы продавливания оказывают форма колонны, а также наличие отверстия вблизи узла, причем расположение отверстий (у короткой грани, длинной или угла) влияет по-разному.
Роль каждого фактора в несущей способности еще не достаточно проработана в отечественных нормах. Как показал проведенный ранее сравнительный анализ отечественных норм [3] и экспериментальных данных [2], необходима их корректировка. В частности, не оправданно завышена несущая способность при невысоких процентах армирования (ц<1.0%), а также при применении в плите бетона прочностью выше 35-40МПа (В40-В45). Формулы [3] схожи с формулами американских норм [4]. Подробный анализ американских и австралийских норм был выполнен в работе [5], в которой авторы пришли к тем же выводам.
Большинство формул для расчета на продавливание, в том числе и в отечественных нормах, построены на принципе моделирования работы плиты в предельной стадии. Можно выделить два основных подхода в соответствии с представлениями о сопротивлении плиты продавливанию. Часть исследователей считает, что плита сопротивляется за счет прочности бетона на растяжение. Исходя из этого, определяют условную пирамиду продавливания и суммируют растягивающие напряжения по ее поверхности, которые по условию прочности не должны превосходить некоторой величины прочности бетона на растяжение (для отечественных норм Rw). Другой подход основывается на предположении, что плита сопротивляется за счет работы сжатой зоны вблизи колонны, которая находится в условиях сложного напряженного состояния сжатия. При этом прочностью бетона на растяжение пренебрегают. Оба подхода требуют определения поправочных эмпирических коэффициентов.
На наш взгляд, работу плиты на продавливание нельзя определить ни одной из перечисленных механических моделей. Механизм разрушения плиты при продавливании имеет переходные формы, и в том случае, когда прочность бетона высокая либо невысокий процент армирования, несущая способность определяется главным образом работой бетона на растяжение. В то же время, когда плита имеет средний и высокий процент армирования или среднюю прочность бетона, несущая способность определяется прочностью сжатой зоны. На это указывает характер разрушения: как известно, разрушение при растяжении носит хрупкий характер, в то время как работа бетона в условиях трехосного сжатия характеризуется значительными пластическими деформациями.
В настоящее время развивается направление в разработке моделей для расчета плит на продавливание, основанное на аппарате теории упругости и МКЭ. Сравнительные расчеты показывают хорошую сходимость с экспериментальными данными, что позволяет использовать этот метод в качестве инструмента для изучения узлов в различных условиях их работы, смоделировать которые экспериментально оказывается практически невозможным.
Основная часть экспериментальных данных по продавливанию получена на образцах, представляющих собой фрагменты перекрытия, нагруженных сосредоточенной нагрузкой либо через металлический штамп, либо через фрагмент колонны, т.е., по сути, это работа плиты покрытия. Часть образцов испытана на пружинном стенде или на грунтовом основании, моделирующих работу фундамента. Таким образом, при установлении расчетных зависимостей использованы данные, которые не в полной мере учитывают работу междуэтажных перекрытий.
В лаборатории железобетонных конструкций и контроля качества НИИЖБ были проведены экспериментальные исследования по изучению влияния на несущую способность при продавливании сжимающего усилия со стороны верхней колонны. Для этого была изготовлена установка, позволяющая создавать одновременно усилие на верхнюю и нижнюю колонны образца.
Всего было испытано 3 образца узла, все они имели одинаковые размеры и армирование, прочность бетона изменялась в пределах статистической изменчивости (Rb = 44- 47МПа). Все образцы были без поперечной арматуры в плите. Образцы отличались величиной нагрузки на верхней колонне; первый образец был испытан без нагрузки на верхней колонне, второй - с нагрузкой 70 тс и третий - с нагрузкой 35 тс.
Первые трещины возникали на верхней, растянутой при испытании поверхности плиты, в радиальном направлении от колонны. В образце 1 образование трещин отмечалось при нагрузке 10 тс, тогда как у образцов 2 и 3 - при нагрузке 18 тс и 9 тс соответственно. Затем на расстоянии 2-3 см от грани колонны возникали кольцевые трещины.
Разрушению образцов предшествовали пластические деформации. При этом усилие нижнего домкрата долго не удавалось довести до нагрузки следующей ступени, а на верхней поверхности плиты образовывалась выпуклая зона. После этого происходил резкий хлопок с выделением из плиты замкнутого тела в виде усеченного конуса.
О значительных пластических деформациях сжатой зоны образцов свидетельствуют замеренные в процессе нагружения относительные деформации сжатия бетона на нижней поверхности (рис. 1-3).
Из графиков на рис. 1 -3 видно, что деформации бетона сжатой зоны в тангенциальном направлении значительно превосходят деформации в радиальном направлении, а на последних стадиях работы образца деформации радиального направления даже начинают уменьшаться. Причем у образца 2 значения показаний отдельных датчиков радиального направления фиксировали, что сжимающие деформации переходят в растягивающие. Таким образом, характер изменения деформаций указывает на развитие больших пластических деформаций сжатой зоны плиты.
Все образцы были разрушены от продавливания с характерным для этого вида разрушения признаками. Разрушающая нагрузка для образцов составила 25,2,36 и 29,7 тс соответственно для 1,2 и 3 образцов (рис. 4).
Из графика (рис. 4) видно, что несущая способность, определенная по формулам СНиП, оказывается завышенной.
В настоящее время в лаборатории проводятся исследования по КЭ моделированию работы узлов ПББПП с колоннами, в том числе узлов с колоннами из высокопрочного бетона.
Выводы
1. Разрушения ПББПП при продавливании имеет несколько механизмов, при которых роль прочности бетона на растяжение и сжатой зоны плиты изменяется в зависимости от физических и геометрических параметров конструкции.
2. Несущая способность и работа междуэтажных плит перекрытия на продавливание отличается от работы фундаментных плит и плит покрытия.
3. Величина усилия на верхней колонне повышает несущую способность плиты на продавливание, а также оказывает положительное влияние на жесткость плиты.
4. Формулы норм для определения несущей способности на продавливание плит перекрытия и покрытия из бетона классов В40-В45 завышают фактическую несущую способность и не учитывают влияния сжатия верхней колонны на величину несущей способности.
Бетон и железобетон, 2005 №3