А.А.ВОРОБЬЕВ, канд. техн. наук, А.С.КАЗАКОВ, инж. (РУДН), Выносливость железобетонных элементов, пропитанных нефтепродуктами

Многие бетонные и железобетонные конструкции в процессе эксплуатации довольно часто подвергаются силовым циклическим воздействиям. К их числу относятся, например, железобетонные шпалы, подкрановые балки, станины различных прессов и прокатных станов, некоторые участки железобетонных перекрытий в промзданиях. на которых установлено вызывающее циклические силовые воздействия оборудование. К тому же для смазки последнего, как известно. применяются различные минеральные масла, охлаждающие масляные эмульсии и керосин, которые, попадая на железобетонные конструкции, пропитывают их. Вследствие этого снижается их несущая способность и в том числе выносливость. Однако выносливость пропитанного нефтепродуктами железобетона при силовых циклических воздействиях изучена еще недостаточно полно, поскольку некоторые исследователи [1] утверждают, что воздействие минерального масла И-20 на бетон, подверженный указанным выше воздействиям, примерно такое же, как и воды.

Для выявления истинных последствий от таких воздействий нами были проведены эксперименты Для этого из бетона состава 12,4:3,7 изготавливались железобетонные призмы размером 7x7x28 см и железобетонные балки размером 6x12x120 см, которые после месячного твердения в нормальновлажностных условиях разделялись на 3 партии. Одна из них хранилась в лабораторных условиях, а две другие после трёхмесячного высушивания в воздушных условиях пропитывались соответственно минеральным маслом И-30 и топочным мазутом до полного насыщения. После этого их вынимали из ванн, протирали ветошью и вместе с контрольными образцами хранили в воздушно-сухих условиях до испытания.

Железобетонные призмы армировали пространственным каркасом, состоящим из четырех продольных стержней диаметром 5 мм из арматуры класса А-I и хомутов из проволоки диаметром 3 мм того же класса. Помимо этого, в торцах образцов устанавливали по одной сетке с размером ячеек 10x10 мм, изготовленных из проволоки диаметром 3 мм.

Армирование балок также проводилось пространственным каркасом, содержащим два рабочих стержня из арматуры периодического профиля диаметром 8 мм, два конструктивных стержня из гладкой арматуры диаметром 4 мм и хомутов из проволоки диаметром 3 мм.

Испытания рабочих стержней арматуры показали, что пределы прочности их при растяжении, текучести и упругости составляли соответственно 746, 478 и 434 МПа, относительное удлинение 13,8%, а модуль упругости 21104 МПа.

Призменная прочность контрольных и пропитанных нефтепродуктами в течение 5 мес образцов была одинаковой и равнялась 38,4 МПа.

Усталостные испытания призм проводили в ЦНИИСКе им. В.А. Кучеренко на трехсекционной гидропульсационной установке [2].

Перед началом испытаний каждый образец центрировали по геометрической оси и только после этого проводили его нагружение осевым сжатием до максимального уровня напряжений. После этого нагрузка сбрасывалась, включался гидропульсатор, и при помощи стабилизатора образцы подвергались циклическим силовым воздействиям до разрушения.

Испытания проводили на частотах 300 цик/мин, поскольку при такой частоте силовых воздействий погрешность в определении действующей на образец силы составляет 5-7%, тогда как при частоте нагружения 500 цик/мин и выше она, по результатам динамической градуировки указанной выше установки, выполненной сотрудниками отдела “Исследование и внедрение новых видов конструкций” ЦНИИСКа, составляет более 20%. Согласно же нормативно-техническим требованиям испытания можно проводить, если указанная погрешность не превышает 15% [31.

Коэффициент асимметрии в исследованиях был принят 0,3, так как, по ряду публикаций [4, 5], полученные при таких его значениях данные более объективно отражают условия эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций при циклических воздействиях.

Характеристикой прочности бетона при циклических силовых воздействиях является выносливость (Ry), под которой понимают максимальное напряжение в цикле, которое вызывает разрушение бетона при определенных количестве циклов, характеристике цикла и частоте нагружения. Отношение предела выносливости бетона к пределу прочности является относительным пределом выносливости, т.е. Ky=Ry:RcT.

Из результатов испытаний призм (табл.1, рис.1) следует, что на выносливость железобетона при циклических силовых воздействиях значительное влияние оказывает уровень напряжения в цикле. Причем чем он выше, тем быстрее происходит разрушение образцов. Однако разрушение армированных и неармированных призм, изготовленных из бетона одного и того же состава (одного замеса), хранившихся в одних и тех же условиях и испытанных примерно в одном и том же возрасте, происходит после разного количества циклов нагружения. Если неармированные контрольные призмы при относительном пределе выносливости, равном 0,6, выдерживают свыше 220 тыс. циклов, то армированные -около 7 тыс. циклов, или примерно в 30 раз меньше. Небезынтересно, что аналогичная закономерность характерна и для пропитанных нефтепродуктами бетонных и железобетонных образцов. Однако разница между ними лишь в том, что, по сравнению с контрольными (не пропитанными нефтепродуктами) образцами, они до разрушения выдерживают значительно меньшее количество циклов силовых воздействий. Причем у пропитанных нефтепродуктами армированных образцов разрушение наступает значительно раньше, чем у аналогичных бетонных. Так, при указанном выше уровне напряжений пропитанные минеральным маслом бетонные образцы выдержали до разрушения 8100 циклов, а пропитанные этим же маслом железобетонные образцы даже при относительном пределе выносливости, равном 0,4, выдержали лишь 6150 циклов (см. табл. 1), или на 25% меньше. Следовательно, относительный предел выносливости у пропитанного минеральным маслом бетона выше, чем у пропитанного им железобетона.



Что касается выносливости пропитанного топочным мазутом железобетона, то. как видно из табл.1, при пропитке им армированных призм относительный предел выносливости значительно ниже, чем у аналогичных образцов, пропитанных минеральным маслом. Например, если при уровне напряжений 0,6 пропитанные минеральным маслом армированные образцы выдерживали до разрушения 1350 циклов, то пропитанные топочным мазутом только 800 циклов, или на 40% меньше. Причем с уменьшением величины относительно предела выносливости указанная разность увеличивается.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что пропитка бетона топочным мазутом оказывает на выносливость примерно такое же воздействие, как и осветительный керосин. Видимо, причиной отмеченного выше является их более высокая смачивающая и проникающая способность в материал, чем минерального масла.

Что касается разной величины выносливости пропитанных маслом бетона и железобетона, то это, видимо, объясняется тем, что модуль упругости первого в 5,3 раза ниже модуля упругости арматуры. Вследствие этого при переходе напряжений в циклах от максимального значения к минимальному продольные стержни арматурного каркаса призмы более стремительно стремятся возвратиться в исходное положение. Видимо, в результате этого в контактной зоне бетона с металлом и возникают микродефекты, которые по мере увеличения циклических воздействий переходят в макродефекты и приводят к разрушению бетона в местах расположения арматурных стержней. На последнее указывает и тот факт, что во время проведения таких испытаний разрушение образцов всегда начиналось с возникновения и развития продольных трещин в местах расположения в них арматурных стержней.

Ниже приведены результаты усталостных испытаний изгибаемых железобетонных элементов. Испытания (Проводили в ЦНИИСКе на двухместной установке, принцип действия которой аналогичен трехсекционной гидропульсационной установке.


Перед проведением усталостных испытаний железобетонных балок определяли разрушающую статическую нагрузку. Для этого было испытано по 4 контрольных и пропитанных минеральным маслом балок. Результаты показали, что усредненные разрушающие нагрузки пропитанных маслом и контрольных балок практически одинаковы.

Испытания проводились при частоте 100 цик/мин. Вызвано это было тем, что начиная с частот 120-130 цик/мин испытательная установка иногда выходила из заданного режима работы и увеличивала уровень нагружения испытуемых образцов. Однако при такой низкой частоте загружения длительность проведения эксперимента очень сильно возрастала. Поэтому для сокращения продолжительности испытания коэффициент асимметрии цикла был принят равным 0,2.

Результаты усталостных испытаний железобетонных балок на изгиб (табл.2) показывают, что с понижением относительного предела выносливости количество выдержанных образцами до разрушения циклов увеличивается. Если при Ку=0,85 контрольные и пропитанные минеральным маслом балки выдержали до разрушения соответственно 21 тыс. и 15 тыс. циклических воздействий, то при Ку=0,4 контрольные образцы даже после 5 млн. циклических воздействий не разрушились. Из-за длительности эксперимента испытания их прекращали, так же как и пропитанных минеральным маслом, но только при относительном пределе выносливости, равном 0,3 (это количество циклов в табл.2 равно 5-106).

Для большей наглядности приведенные выше данные представлены на графиках рис.2. Из левой до перегиба частей графиков видно, что с увеличением количества циклических нагружений относительный предел выносливости как контрольных, так и пропитанных минеральным маслом образцов снижается. Причем более интенсивно в последнем случае. Кроме того, наименьшая удаленность его примерно вертикальной части от оси ординат указывает на то, что выносливость такого материала на исследуемом участке значительно ниже контрольного. При дальнейшем понижении уровня нагружения график выносливости пропитанных минеральным маслом балок резко изгибается, а затем асимптотически переходит в прямую линию.

При циклических нагружениях контрольных балок график выносливости (рис. 2) хотя и выглядит примерно так же, как и в первом случае, но проходит значительно выше его, поскольку до разрушения они выдерживают значительно большее количество циклов. Например, для усталостного разрушения контрольных балок при уровне нагружения 0,7 требуется столько же циклических воздействий, как и для разрушения пропитанных минеральным маслом балок, но уже при уровне нагружения, равном 0,5.


Таким образом, на основании проведенных исследований установлено, что:

1. Выносливость пропитанных нефтепродуктами железобетонных элементов при циклических сжимающих воздействиях примерно на 40% ниже, чем у не пропитанных ими. При этом усталостная долговечность их на низких уровнях напряжений на один - два порядка ниже, чем у последних.

2. Долговечность пропитанных нефтепродуктами железобетонных элементов, по сравнению с такими же бетонными, на порядок ниже.

3. Выносливость пропитанных нефтепродуктами изгибаемых железобетонных балок, по сравнению с непропитанными, на 10-12% ниже, а усталостная долговечность на порядок ниже.

4. На усталостные свойства бетона и железобетона все нефтепродукты, независимо от их марок и вида, оказывают примерно одинаковое воздействие.

Бетон и железобетон, 2006 №6