close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Puharenko Opredel prochn

код для вставкиСкачать
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Строительный факультет
Кафедра технологии строительных
материалов и метрологии
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ФИБРОБЕТОНА
Санкт-Петербург
2017
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Строительный факультет
Кафедра технологии строительных
материалов и метрологии
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ФИБРОБЕТОНА
Методические указания
Санкт-Петербург
2017
ВВЕДЕНИЕ
УДК 693.554-486; 691.328
Рецензент канд. техн. наук, доцент В. Д. Староверов (СПбГАСУ)
Определение прочностных и энергетических характеристик фибробетона: метод. указания / сост. Ю. В. Пухаренко,
Д. А. Пантелеев, М. И. Жаворонков; СПбГАСУ. – СПб., 2017. – 28 c.
Представлены общие сведения о фибробетонах. Описана последовательность проектирования состава фибробетонов с заданными свойствами
расчетно-экспериментальным методом. Приведены методики определения основных характеристик фибробетона: прочности, трещиностойкости
и вязкости разрушения.
Предназначены для выполнения лабораторных учебно-исследовательских работ по курсу «Современные строительные композиты» для студентов строительных специальностей.
Табл. 12. Ил. 5. Библиогр.: 8 назв.
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2017
Методические указания разработаны с целью углубления
профессиональной подготовки студентов в области современного строительного материаловедения, формирования у будущих специалистов полного представления об основных видах
композиционных материалов для современного строительства,
о сложных процессах, обусловливающих формирование их
структуры, а также прочностных и энергетических характеристик, о взаимосвязи их с состоянием исходных материалов,
составами и технологическим процессом получения изделий
и конструкций, о критериях выбора и эффективного использования различных композитов в зависимости от конкретных условий их эксплуатации. Наиболее яркими представителями в ряду
строительных композитов являются фибробетоны, в которых
собраны воедино лучшие качества исходных составляющих –
армирующих волокон и бетона.
Фибробетон представляет собой композиционный материал, состоящий из цементной матрицы (плотной или поризованной, с заполнителем или без него) с равномерным или заданным
распределением по ее объему ориентированных или хаотично
расположенных дискретных волокон (фибр) различного происхождения, размеров и формы.
Волокна могут быть высокомодульными (модуль упругости
волокна выше модуля упругости тяжелого бетона) и низкомодульными (модуль упругости волокна ниже модуля упругости
тяжелого бетона).
Путем дисперсного армирования можно добиться улучшения физико-механических и деформативных характеристик бетона, таких как прочность, трещиностойкость, ударная вязкость,
износостойкость и др.
Область применения фибробетонов достаточно обширна:
 несущие и ограждающие конструкции общестроительного назначения (забивные сваи; плиты покрытий и перекрытий,
кровельные панели; колонны и балки с зонным дисперсным армированием; дорожные и аэродромные покрытия, полы; тонкостенные плоские, профилированные и пространственные конструкции ограждений; стеновые и облицовочные панели; про3
странственные конструкции; лотки и каналы; формы и несъемная опалубка для бетонирования традиционных конструкций);
 инженерные сооружения (очистные сооружения; резервуары для воды, нефти и нефтепродуктов; подпорные стены);
 сооружения специального назначения (гидротехнические сооружения, тоннели; контейнеры для радиоактивных отходов; банковские хранилища).
4
ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Композиционными материалами (композитами) называют
гетерогенные тела, образованные объемным сочетанием разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними.
Композит характеризуется свойствами, которыми не обладает ни
один из компонентов, взятый в отдельности.
Матрица – структурная составляющая материала, которая
объединяет многочисленные волокна в единый композит, придает изделию из него форму и обеспечивает восприятие усилий,
действующих перпендикулярно волокнам.
Фибра – рыхлый материал в виде совокупности дискретных
волокон разного происхождения и типоразмеров, который предназначен для дисперсного армирования бетонов и служит в качестве упрочнителя и модификатора структуры композита.
Условный критический коэффициент интенсивности напряжений – показатель трещиностойкости, характеризующий
способность бетона сопротивляться возникновению трещины
при механических и других воздействиях. Условное критическое
состояние материала при динамическом начале движения магистральной трещины.
Критерий хрупкости – показатель вязкости разрушения, характеризующий способность бетона сопротивляться развитию
движения магистральной трещины при механических и других
воздействиях.
Модуль упругости (модуль Юнга) – характеристика сопротивления материала растяжению/сжатию при упругой деформации, или свойство объекта деформироваться вдоль оси при
воздействии силы вдоль этой оси; определяется как отношение
напряжения к деформации.
Трещина – полость, образованная без удаления материала
двумя соединенными внутри тела поверхностями, которые при
отсутствии в нем напряжений удалены друг от друга на расстояния во много раз меньше протяженности самой полости.
Магистральная трещина – трещина, протяженность которой превосходит размеры структурных составляющих материалов и областей самоуравновешенных напряжений и по поверхностям которой произойдет деление образца на части.
5
Равновесные испытания на стадии локального деформирования образца характеризуются обеспечением адекватности изменения внешних сил внутренним усилиям сопротивляемости
материала с соответствующим статическим развитием магистральной трещины.
Неравновесные испытания характеризуются потерей устойчивости процесса деформирования образца в момент локализации деформации по достижении максимальной нагрузки с соответствующим динамическим развитием магистральной трещины.
и заполняют приготовленной смесью приблизительно на 1 см,
после чего включают виброплощадку, и в течение двух минут
все три гнезда формы равномерно небольшими порциями
заполняются цементным тестом. По истечении трех минут от
начала вибрации отключают виброплощадку, срезают излишки,
выравнивают поверхность образцов и производят их маркировку.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Лабораторная работа № 1
Определение механических характеристик фибры
Сущность методики заключается в нахождении опытным
путем такого минимального содержания фибры, до которого
вводимые волокна практически не проявляют армирующего эффекта, но после которого наблюдается устойчивый рост прочности композита. Согласно предлагаемой методике для проведения
эксперимента в качестве исходной смеси используется цементное тесто нормальной густоты, определяемое в соответствии
с ГОСТ 310.3 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема».
В соответствии с методикой лабораторная работа выполняется следующим образом:
1. Подготовленную навеску портландцемента засыпают
в предварительно протертую влажной тканью сферическую
чашу. В цементе делают углубление и вливают заранее определенное количество воды, необходимое для получения цементного
теста нормальной густоты. После затворения водой углубление
засыпают цементом и через 30 секунд начинают перемешивание
компонентов металлическим мастерком, которое продолжают
в течение 5 минут.
2. Изготавливают три образца-балочки контрольного состава
(неармированные) размером 40×40×160 мм. Для этого используют
трехгнездную стальную форму (рис. 1), предварительно смазанную
машинным маслом. Форму устанавливают на виброплощадке
6
Рис. 1. Форма для образцов-балочек
3. Подобным образом изготавливают фибробетонные образцы
с различным содержанием волокон. При этом в процессе перемешивания в цементное тесто добавляют фибру и обеспечивают ее
равномерное распределение по всему объему замеса.
4. Образцы хранятся в ванне с гидравлическим затвором на
протяжении 24 часов (рис. 2), после чего их освобождают от форм
и помещают в шкаф нормального твердения со стандартными условиями среды: температура 20±2 °C, относительная влажность 95±5 %.
Рис. 2. Ванна с гидравлическим затвором:
1 – ванна; 2 – герметичная крышка; 3 – столик
7
5. Через 28 суток нормального твердения контрольные
(неармированные) и фиброцементные образцы взвешивают
и подвергают испытаниям в соответствии с ГОСТ 10180 «Бетоны.
Методы определения прочности по контрольным образцам».
По формуле (1) вычисляют предел прочности при трехточечном
изгибе:
3Pl
,
(1)
Rизг 
2bh 2
волокон» (рис. 4), по которому определяют положение точки,
характеризующей минимальный процент армирования, после
которого наблюдается устойчивый рост прочности.
где P – разрушающая нагрузка, МН; l – расстояние между
опорами, мм; b – ширина образца, мм; h – высота образца, мм.
Схема испытания фиброцементных образцов приведена
на рис. 3.
Рис. 4. Зависимость прочности фиброцемента от концентрации волокон
Рис. 3. Схема испытания образца на растяжение при трехточечном изгибе:
b, h, L – ширина, высота и длина образца; P – нагрузка; l – расстояние
между опорами
6. Результаты определения прочности заносят в табл. 1.
Таблица 1
Результаты испытаний фиброцементных образцов
Объемное содержание
волокон μ, %
Прочность на растяжение при изгибе Rизг,
МПа
7. По полученным данным строят график зависимости
«прочность на растяжение при изгибе – объемное содержание
8
8. Визуально определяют характер разрушения образцов
и рассчитывают прочностную характеристику фибры.
В случае разрушения композита за счет разрыва волокон
вычисляют прочность фибры по формуле (2). Если разрушение
фиброцемента происходит в результате вытягивания волокон из
матрицы, то определяют характеристику сцепления по формуле (3):
Rф 
τ  
Rфц  3,5  Rк.з  μ min  1  4,5  μ min   Rц.к
;
(2)
Rфц  3,5  Rк.з  μ min  1  4,5  μ min   Rц.к
,
l
2   μ min
d
(3)
μ min
где Rф, Rфц, Rц.к и Rк.з = 1,4Rц.к – прочность фибры, фиброцемента,
цементного камня и контактной зоны, МПа; min – коэффициент
армирования (содержание волокон в объемных долях); l и d –
длина и диаметр фибры, мм.
9. По результатам выполненных исследований оформляют
отчет, итогом которого является определение значений механических характеристик волокон, которые записывают в табл. 2.
9
Таблица 2
Механические характеристики волокон
Механические
характеристики
волокна
В случае, когда волокна вытягиваются из
бетонной матрицы
(lф < lкр)
Прочность Rф, МПа
–
Характеристика
сцепления τсц, МПа
В случае, когда волокна разрываются
(lф > lкр)
–
Лабораторная работа № 2
Проектирование состава мелкозернистого фибробетона
Отличительной особенностью дисперсно армированных
бетонов является наличие в их составе дискретных волокон,
влияние которых на изменения, происходящие в структуре
и свойствах материала, необходимо учитывать при назначении
его состава. При этом структурообразующая роль армирующих
волокон (фибры) заключается в следующем:
 фибра является наиболее активной частью заполнителя,
которая, взаимодействуя с цементной матрицей, служит в качестве подложки для формирования контактных зон на границе
раздела фаз;
 за счет своей развитой поверхности дисперсная арматура
создает поверхностный потенциал и оказывает определенное
влияние на величину адгезии цементных зерен;
 дисперсная арматура при определенном объемном
армировании образует пространственный каркас, тем самым
формирует минимальную пустотность и сокращает расход
вяжущего;
 за счет высокой степени дисперсности и создания непрерывного пространственного каркаса дисперсная арматура создает
препятствия для возникновения и распространения трещин;
 тесное взаимодействие дисперсной арматуры с матрицей
на границе раздела фаз обеспечивает высокое сцепление между
компонентами.
10
С учетом этого задача проектирования составов фибробетонов сводится к рациональному выбору дисперсной арматуры,
в наибольшей степени соответствующей назначению и условиям
работы конструкции.
Таким образом, при формулировании задания на проектирование состава фибробетона необходимы следующие сведения:
 размеры и вид изделия (конструкции);
 предел прочности фибробетона на растяжение при изгибе,
предел прочности при сжатии, трещиностойкость и вязкость
разрушения;
 в определенных случаях – морозостойкость, истираемость,
водонепроницаемость и другие характеристики композита.
При проектировании состава любого бетона необходимо
стремиться к минимизации расхода цементного теста, поэтому
определение оптимального состава мелкозернистого фибробетона целесообразно начинать с определения модуля эффективности, который показывает количество цементного теста, необходимое для заполнения пустот песка и создания контактных зон
в виде тонких пленок на поверхности его зерен.
С учетом этого процедура проектирования состава мелкозернистого фибробетона выглядит следующим образом:
1. Рассчитывают значение модуля эффективности по формуле
α
M эф 
 δS ,
(4)
ρ упл
где α – пустотность песка в уплотненном состоянии; ρупл – насыпная плотность песка в уплотненном состоянии, кг/дм3;
δ – толщина пленки цементного теста на поверхности зерен песка; S – удельная поверхность песка, дм2/кг.
Для получения численных значений α и ρупл используется
стандартная лабораторная виброплощадка.
2. Определяют удельную поверхность мелкого заполнителя
по формуле А. С. Ладинского
S
16,5  K ф
1000
a  2b  4c  8d  16e  32 f  ,
11
(5)
где Kф – поправочный коэффициент (табл. 3), учитывающий форму зерен заполнителя; а, b, с, d, e, f – частные остатки на ситах
с размером отверстий 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,14 и менее 0,14 мм
соответственно, %.
Таблица 3
Коэффициент формы зерен для разных песков
Вид песка
Горный
Речной
и морской
Речной и морской
(сильно окатанный)
Kф
2,1
1,7
1,3
A  Rц
,
Rб  0,8  A  Rц
где A – коэффициент, равный 0,8 для высококачественных материалов, 0,75 для материалов среднего качества и 0,65 – для цемента низких марок и мелкого песка; Rц – активность цемента,
МПа; Rб – заданная прочность мелкозернистого бетона, МПа.
Ориентировочные предельные значения В/Ц приведены
в табл. 4.
Таблица 4
Предельные значения В/Ц
Без добавок
С суперпластификатором
1:1
1:2
1:3
0,29–0,5
0,36–0,57
0,43–0,64
0,24–0,41
0,3–0,47
0,36–0,53
4. Устанавливают действительную среднюю плотность свежеприготовленной бетонной смеси и коэффициент уплотнения,
равный соотношению между значениями действительной и расчетной плотности материала.
5. Определяют соотношение между цементом и песком по
формуле, которая учитывает полученное ранее значение Мэф:
12
(7)
1000  ρ пи
,
1  M эф  ρ пи
(8)
где ρ пи – истинная плотность песка, г/см3;
(6)
Состав бетона
1  В/Ц
,
M эф  ρ ц.т
где ρц.т – плотность цементного теста, кг/дм3; Mэф – модуль эффективности; В/Ц – водоцементное отношение.
6. Рассчитывают расход компонентов на 1 м3 бетонной смеси по формулам (8) – для песка, (9) – для цемента, (10) – для
воды:
mп 
3. Определяют водоцементное отношение по формуле
В/Ц 
n  1:
mц 
mп
,
n
(9)
где n – цементно-песчаное отношение;
mв  mц  В Ц .
(10)
7. Рассчитывают объемную долю волокон, необходимую
для получения заданной прочности фибробетона на растяжение
при изгибе. При прочной связи фибры с бетонной матрицей коэффициент армирования определяется по формуле
μ
Rфб  Rб
Rф  3,5Rк.з  4,5Rб
.
(11)
При недостаточном сцеплении фибры с матрицей композита
коэффициент армирования определяют по формуле
Rфб  Rб
,
(12)
l
 3,5Rк.з  4,5Rб
d
где Rфб, Rф, Rк.з, Rб – прочность фибробетона, фибры, контактной
зоны (Rк.з = 1,4Rц.к) и бетона, МПа; l, d – длина и диаметр фибры, мм;
τсц – прочность сцепления фибры с матрицей, МПа.
μ
2τ сц
13
8. Рассчитывают объемную долю волокон, обеспечивающую заданную вязкость разрушения фибробетона. Если разрушение композита происходит в результате разрыва волокон
(при l > lкр), для расчета применяется формула
μ
12  Wфб  l
lкр2  σ ф
.
(13)
В случае разрушения фибробетона в результате нарушения
сцепления и вытягивания волокон из бетонной матрицы (при l < lкр)
используется формула
6  d  Wфб
μ
,
(14)
100  τ сц  l 2
где Wфб – энергия, затрачиваемая на разрушение фибробетона, Дж; σф – максимальное нормальное напряжение в фибре,
 l 
МПа, σ ф  Rф 1  кр  , где lкр – критическая длина фибры, мм,
 2l 
d
lкр  σ ф
2τ сц .
Для обеспечения заданных характеристик фибробетона принимают наибольшее значение μ, полученное в результате выполненных расчетов.
9. Определяют расчетную среднюю плотность фибробетонной смеси
m
расч
ρфб.с

,
(15)
V
где m и V – масса и объем компонентов фибробетонной смеси,
кг и м3.
Путем сравнения расчетной средней плотности с действительной, измеренной после формовании образцов, устанавливают коэффициент уплотнения kупл по формуле
k упл 
14
действ
ρфб.с
расч
ρфб.с
.
(16)
10. С учетом полученного коэффициента уплотнения устанавливают окончательный расход материалов на 1 м3 мелкозернистой фибробетонной смеси по формуле
mц (mп, mв, mф) = mцрасч (mпрасч, mврасч, mфрасч) ∙ kупл ,
(17)
где mц (mп, mв, mф) – действительный расход цемента, песка, воды
и фибры, учитывающий коэффициент уплотнения, кг; mцрасч
(mпрасч, mврасч, mфрасч) – расчетный расход цемента, песка, воды
и фибры, кг; kупл – коэффициент уплотнения.
11. Результаты выполненной лабораторной работы заносят
в табл. 5.
Таблица 5
Состав фибробетонной смеси
Используемые материалы
Расход материалов, кг/м3
Цемент
Песок
Фибра
Вода
Лабораторная работа № 3
Проектирование состава тяжелого фибробетона
Для определения состава тяжелого бетона существует ряд
расчетно-экспериментальных методов, наиболее распространенным из которых является метод абсолютных объемов,
согласно которому сумма объемов всех компонентов рационально
подобранной, хорошо перемешанной и тщательно уплотненной
бетонной смеси (без пор и пустот) составляет 1 м3 (1000 л):
mц mп mщ


 mв  1 ,
ρ иц ρ ип ρ ищ
(18)
где mц, mп, mщ, mв – расход цемента, песка, щебня и воды на 1 м3
и
и
и
бетонной смеси, кг; ρ ц , ρ п , ρ щ – истинная плотность цемента,
песка и щебня, кг/м3.
15
Рассчитывают состав бетона по методу абсолютных объемов
в следующей последовательности:
1. Определяют водоцементное отношение (В/Ц) исходя из
требуемой прочности бетона (Rб) по формулам (19) и (20), после
чего применяют выполненное неравенство:
ARц
при В/Ц ≥ 0,4;
Rб  0,5 ARц
(19)
A1Rц
В/Ц 
при В/Ц < 0,4,
Rб  0,5 A1Rц
(20)
В/Ц 
где Rб – прочность бетона при сжатии, кгс/см2; Rц – активность
портландцемента, кгс/см2; А и A1 – коэффициенты, зависящие от
качества заполнителей, принимаемые по табл. 6.
Таблица 6
Значение коэффициента качества заполнителей бетона
А
A1
0,65
0,60
0,55
0,43
0,40
0,37
Качество заполнителей
Высококачественные
Рядовые
Пониженного качества
2. Определяют ориентировочный расход воды (табл. 7)
в зависимости от принятой подвижности или жесткости бетонной
смеси и наибольшего размера зерен крупного заполнителя.
Таблица 7
Ориентировочный расход воды на 1 м3 бетонной смеси
Удобоукладываемость
бетонной смеси
Расход воды, л/м3, при наибольшей
крупности зерен, мм
Подвижность, см
Жесткость, с
10
20
40
80
–
–
–
–
36–50
26–35
16–25
0–15
160
170
175
185
150
160
165
175
135
145
150
160
130
140
145
155
16
Окончание табл. 7
2–4
5–7
8–10
11–12
13–16
17–21
–
–
–
–
–
–
200
210
215
225
230
240
190
200
205
215
220
230
175
185
190
200
205
215
170
180
185
190
195
205
Примечания: 1. Расход воды приведен для смеси на портландцементе с нормальной густотой цементного теста 26–28 % и на песке с Мк = 2.
2. При изменении нормальной густоты цементного теста на каждый процент
в меньшую сторону расход воды уменьшается на 3–5 л, в большую сторону – увеличивается на 3–5 л/м3.
3. При изменении модуля крупности песка на каждые 0,5 в меньшую сторону
расход воды увеличивается на 3–5 л, в большую сторону – уменьшается на 3–5 л/м3.
3. Вычисляют расход цемента на 1 м3 бетонной смеси по
формуле
m
mц  в , кг,
(21)
В/Ц
где mв – расход воды на 1 м3 бетонной смеси, л; В/Ц – водоцементное отношение, доли.
4. Расход щебня и песка на 1 м3 бетонной смеси вычисляют
по формулам (22) и (23):
1
mщ 
, кг;
(22)
1 Vп  k р

ρ ищ
ρ нщ
 m
 
m
mп  1   иц  ищ  mв  ρ ип  , кг,
 
  ρ ц ρ щ
(23)
где mц, mп, mщ, mв – расход цемента, песка, щебня и воды на
1 м3 бетонной смеси, кг; Vп – пустотность щебня, доли; kр –
и
и
коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя; ρ щ , ρ п ,
н
ρ иц – истинная плотность щебня, песка и цемента, кг/м3; ρ щ –
насыпная плотность щебня, кг/м3.
17
Значение коэффициента раздвижки зерен kр для умеренно
жестких бетонных смесей принимают 1,15–1,2, а для жестких
бетонных смесей – 1,0–1,1. Для подвижных бетонных смесей
значения зависят от расхода цемента и принимают их согласно
данным табл. 8.
Таблица 8
Значение коэффициента раздвижки зерен kр заполнителя
для подвижных смесей
Водоцементное отношение
Расход цемента на 1 м3
бетонной смеси, кг
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
250
300
350
400
500
600
–
–
–
1,31
1,44
1,52
–
–
1,32
1,4
1,52
1,56
–
1,3
1,38
1,46
1,56
–
1,26
1,36
1,44
–
–
–
1,32
1,42
–
–
–
–
1,38
–
–
–
–
–
Примечания: 1. При других значениях Ц и В/Ц коэффициент α находят интерполяцией.
2. При использовании мелкого песка с водопотребностью более 7 % коэффициент α уменьшают на 0,03 на каждый процент увеличения водопотребности песка.
Если применить крупный песок с водопотребностью менее 7 %, коэффициент α увеличивают на 0,03 на каждый процент уменьшения водопотребности песка.
5. По формулам (11) и (12) рассчитывают объемную долю
волокон, необходимую для обеспечения заданной прочности на
растяжение при изгибе.
6. По формулам (13) и (14) рассчитывают объемную долю
волокон, обеспечивающую получение фибробетона заданной
вязкости разрушения.
Для обеспечения заданных характеристик фибробетона выбирают наибольшее значение μ, полученное в ходе вышеизложенных расчетов.
7. Определяют расчетную плотность уплотненной бетонной
смеси ρб.с по формуле
ρ б.с  mц  mп  mщ  mв .
18
(24)
8. Сравнивают расчетную среднюю плотность с действительной, измеренной при проведении формования, и при надобности проводят корректировку состава.
9. По окончании лабораторной работы в табл. 9 студенты записывают спроектированный ими состав фибробетонной смеси.
Таблица 9
Состав фибробетонной смеси
Используемые материалы
Цемент
Песок
Щебень
Фибра
Вода
Расход материалов, кг/м3
Лабораторная работа № 4
Определение прочностных и энергетических характеристик
фибробетона
Прочностные и энергетические характеристики используют
для сравнения различных вариантов составов, технологических
процессов, изготовления и контроля качества бетонов, сопоставления бетонов при обосновании их выбора для конструкций, расчетов конструкций с учетом их дефектности и условий эксплуатации и анализа причин разрушений конструкций.
Определение прочностных и энергетических характеристик
бетона при равновесных и неравновесных механических испытаниях производят в соответствии с требованиями ГОСТ 29167
«Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении», в котором приводится методика испытаний и обработки результатов
эксперимента.
В данной лабораторной работе испытания фибробетонных
образцов производят по неравновесной схеме. По результатам
испытаний определяют следующие основные характеристики:
Rизг – прочность на растяжение при трехточечном изгибе, МПа;
K*c – условный критический коэффициент интенсивности напря19
жений (показатель трещиностойкости), МПа·м0,5; χcF – критерий
хрупкости (показатель вязкости разрушения), м.
Лабораторная работа выполняется следующим образом:
1. Изготавливают образцы для испытаний в соответствии
с ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» сериями не менее чем из четырех штук
каждая. Перед проведением испытаний при помощи режущего
инструмента выполняют начальные надрезы, ширина которых
должна не превышать 0,5dзап и быть не более 2 мм. Размеры образцов и начальных надрезов следует подбирать исходя из максимальной крупности применяемого заполнителя (табл. 10).
Таблица 10
Размеры образцов и начальных надрезов
Максимальный размер
зерна заполнителя dзап, мм
Менее 1,25
1,25–5
5–10
10–20
20–40
40–60
60–80
В процессе испытания образцы нагружают непрерывно до
их разделения на части с фиксацией полной диаграммы состояния материала F–V. Погрешность перемещения не должна превышать 0,01 мм, а усилия, действующего на образец, – 1 % от
измеряемого максимального усилия, при этом время испытания
должно составлять не менее 1 минуты.
Пример дополнительного построения диаграммы фибробетонного образца, армированного стальной фиброй в количестве
1 % по объему, и определения энергозатрат на отдельных этапах
деформирования и разрушения образца приведен в приложении.
3. По формуле (25) определяют условные удельные энергозатраты на статическое разрушение (энергозатраты на деформирование образца до начала движения магистральной трещины):
Gi* 
Размеры образцов
Ширина, м
40
70
100
150
200
300
400
Начальный надрез a0, м
10
25
35
50
70
100
140
2. Определяют энергетические характеристики материала, для чего образцы подвергают испытаниям на прочность при
трехточечном изгибе (рис. 5).
Wm  We
,
t b  a0  a0t 
(25)
где t и b – ширина и высота образца, м; a0 и a0t – глубина начального надреза на нижней (растянутой) и верхней (сжатой) гранях
образца, м; Wm – энергозатраты на процессы развития и слияния микротрещин до формирования магистральной трещины
статического разрушения, МДж; We – энергозатраты на упругое
деформирование до начала движения магистральной трещины
статического разрушения, МДж.
4. Рассчитывают условные удельные эффективные энергозатраты на статическое разрушение по формуле
GF* 
We  Wl
,
t b  a0  a0t 
(26)
где Wl – энергозатраты на локальное статическое деформирование в зоне магистральной трещины, МДж.
5. Вычисляют условный критический коэффициент интенсивности напряжений (трещиностойкость) по формуле
K c* 
Рис. 5. Схема проведения испытаний и размеры образца
20
3Fcl0
2tb
1
2


ba0 1,93  3,07λ  14,53λ 2  25,11λ 3  25,8λ 4 , (27)
21
где b – полная высота образца, м; Fc* – прилагаемая нагрузка,
соответствующая точке С, МН; t – ширина образца, м; l0 – база
испытаний, м; a0 – глубина начального надреза, м; λ – относиa
тельная длина начального надреза ( λ  0 ).
b
6. Определяют прочность на осевое растяжение по формуле
Rbt 
0,77 K с
2,6π  d зап
.
(28)
7. Производят расчет критерия хрупкости (вязкости разрушения) по формуле
 cF 
GF Eb
,
Rbt2
(29)
где Rbt2 – прочность на осевое растяжение, МПа; Eb – модуль
упругости, МПа.
8. По формуле (1) рассчитывают прочность на растяжение
при трехточечном изгибе. Полученные расчетно-экспериментальные данные записывают в табл. 11.
Таблица 11
Результаты проведенных испытаний
из матрицы, а экспериментальные – критерием хрупкости χcF,
определяемым по графику зависимости прогиба от прилагаемых
нагрузок. Учитывая это, для сопоставления указанных величин
введен коэффициент пропорциональности, равный kпр = 0,1:
 cF  Wфб  kпр .
10. Сравнивают расчетные характеристики прочности на
растяжение при изгибе и вязкости разрушения, которыми студенты задавались при проектировании состава фибробетона,
с экспериментальными, полученными в процессе выполнения
лабораторной работы, записывают в табл. 12, после чего формулируют выводы.
Таблица 12
Силовые и энергетические характеристики фибробетона
Прочность на
растяжение при изгибе
Объемное
содержание
волокон μ, %
Теор.
теор
,
Rизг
МПа
Эксп.
эксп
,
Rизг
Численные значения
показателей при объемном
содержании волокон μ, %
Наименование
показателя
0
…
…
Условный ККИН
(показатель трещиностойкости) K*c,
МПа ∙ м0,5
Критерий хрупкости
(показатель вязкости разрушения)
χcF, м
Прочность на растяжение при изгибе
Rизг, МПа
9. Теоретические значения вязкости характеризуются энергией разрушения (Wфб), необходимой для вытягивания волокон
22
(30)
23
Вязкость разрушения
Теор.
Энергия
разрушения
МПа
Wфб, Дж
Эксп.
Критерий
хрупкости
χcF, м
Рекомендуемая литература
1. Баженов Ю. М. Технология бетона : учебник / Ю. М. Баженов – М. :
АСВ, 2002. – 500 с.
2. Николаева Е. А. Основы механики разрушения / Е. А. Николаева. –
Пермь : Пермский гос. техн. ун-т, 2010. – 103 с.
3. Железобетонные изделия и конструкции : научно-технический
справочник / под ред. Ю. В. Пухаренко, Ю. М. Баженова, В. Т. Ерофеева. –
СПб. : НПО «Профессионал», 2013. – 1045 c.
4. Рабинович Ф. Н. Дисперсно-армированные бетоны. – М. : Стройиздат, 1989. – 176 с.
5. Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно армированных
бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. – М. :
АСВ, 2011. – 646 c.
6. ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».
7. ГОСТ 310.3 «Цементы. Методы определения нормальной густоты,
сроков схватывания и равномерности изменения объема».
8. ГОСТ 29167 «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении».
Приложение
Пример определения энергозатрат на отдельных этапах
деформирования и разрушения фибробетонного образца
На рис. П1 показан характер разрушения фибробетонного образца,
армированного стальной фиброй в количестве 1 % по объему.
Рис. П1. Полная диаграмма состояния фибробетона F–V
Полная диаграмма состояния трансформируется в расчетную путем
дополнительных построений, которые выполняются следующим образом:
1. Из точки D нисходящей ветви диаграммы, обозначающей выполнение условия F/V = const, опускают перпендикуляр DK на ось OV.
2. Из точки С, характеризующей максимальную нагрузку, опускают
перпендикуляр СН к оси ОV и проводят линию СА, параллельную упругой
зоне ОТ (рис. П2).
3. Расчетным путем или планиметрированием определяют энергозатраты на деформирование и разрушение образца (Wm – энергозатраты на
процессы развития и слияния микротрещин до формирования магистральной трещины статического разрушения; We – энергозатраты на упругое деформирование до начала движения магистральной трещины статического
разрушения; Wl – энергозатраты на локальное статическое деформирование
в зоне магистральной трещины), численно равные площадям фигур ОТСА,
АСН, НСDK.
Площади под отдельными участками диаграммы представляют в виде
суммы площадей более простых фигур – треугольников и прямоугольников, на которые разбиваются эти участки. Площади фигур рассчитывают по
координатам точек, образующих эти фигуры (рис. П3).
24
25
Wm  OA  AC  0,00017  0,0049  0,833 Дж .
(П1)
3.2. Определяют площадь фигуры АСН (We). Основание треугольника
представляет собой отрезок АН, его длину находят как разность длин отрезков ОА и ОН по формуле
AH  OH  OA  0,00137  0,00017  0,0012 м .
(П2)
Высота треугольника представляет собой отрезок СН, длина которого
определяется как абсцисса точки С. Энергозатраты на упругое деформирование до начала движения магистральной трещины статического разрушения находят по формуле
Wm 
Рис. П2. Расчетная диаграмма состояния фибробетона F–V
с дополнительными построениями
AH  CH 0,0012  0,0049

 2,94 Дж .
2
2
(П3)
3.3. Определяют площадь фигуры НСDK (Wl). Для этого данную фигуру делят на более простые – прямоугольники и треугольники.
Рассчитывают высоту первого прямоугольника, для чего находят абсциссу верхнего правого угла, равную 0,0041 МН. Ширину этого прямоугольника находят вычитанием двух ближайших рассматриваемых ординат
(0,0027 – 0,0014 = 0,0013 м). В результате площадь данной фигуры составляет 0,00000533 МДж или 5,33 Дж.
Рассчитывают высоту первого треугольника, для чего определяют разность
двух ближайших рассматриваемых абсцисс (0,0049 – 0,0041 = 0,0008 МН), а основание равно ширине рассмотренного прямоугольника (0,0013 м). В результате площадь данной фигуры составляет 0,00000052 МДж или 0,52 Дж.
Аналогичным способом определяют площадь оставшихся прямоугольников и треугольников. Энергозатраты на локальное статическое деформирование в зоне магистральной трещины рассчитываются по формуле
Wi  S тр1  S пр1  S тр2  S пр2  ...  S трn  S прn 
Рис. П3. Расчетная диаграмма состояния фибробетона F–V
с дополнительными построениями и расчетом площадей
3.1. Определяют площадь фигуры OTCA (Wm). Длины этих отрезков
соответствуют координатам точек А по оси прогибов для отрезка ОА и С –
по оси нагрузок для отрезка АС. Таким образом, длина отрезка ОА равна
0,00017, а длина отрезка АС – 0,0049. Энергозатраты на процессы развития
и слияния микротрещин до формирования магистральной трещины статического разрушения находятся по формуле
26
5,33  0,52  3,4  0,35  3,08  0,33  2,4  0,3  1,8 
 0,3  2,254  0,943  1,254  0,3  1,08  0,224  18,02 Дж ,
(П4)
где S тр1 , S тр2 , S трn – площадь треугольников; S пр1 , S пр2 , S прn – площадь
прямоугольников.
27
Оглавление
Введение .............................................................................................................3
Понятия и определения .....................................................................................5
Методика проведения лабораторных работ .....................................................6
Лабораторная работа № 1. Определение механических
характеристик фибры ............................................................................6
Лабораторная работа № 2. Проектирование состава
мелкозернистого фибробетона ...........................................................10
Лабораторная работа № 3. Проектирование состава тяжелого
фибробетона .........................................................................................15
Лабораторная работа № 4. Определение прочностных
и энергетических характеристик фибробетона .................................19
Рекомендуемая литература ..............................................................................24
Приложение ......................................................................................................25
Учебное издание
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ФИБРОБЕТОНА
Методические указания
Составители: Пухаренко Юрий Владимирович,
Пантелеев Дмитрий Андреевич,
Жаворонков Михаил Ильич
Редактор О. Д. Камнева
Корректор М. А. Молчанова
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 25.10.2017. Формат 6084 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 1,6. Тираж 100 экз. Заказ 107. «С» 75.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, ул. Егорова, д. 5/8, лит. А.
28
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
542 Кб
Теги
prochn, opredel, puharenko
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа