О влиянии физико-механических характеристик бетонов на прочность сцепления слоев в многослойных конструкциях при климатических воздействиях

ВЕСТНИК 3/2010

О ВЛИЯНИИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕТОНОВ НА ПРОЧНОСТЬ СЦЕПЛЕНИЯ СЛОЕВ В МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ПРИ КЛИМАТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Ю. А. Харькин

ABOUT EFFECT OF PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF CONCRETE ON THE BOND STRENGTH OF LAYERS IN THE SANDWICH STRUCTURES AT CLIMATE

EXPOSURES

Y. A. Kharkin

МГСУ

В данной статье представлены результаты экспериментальных исследований прочности зоны контакта слоев бетонов в многослойной конструкции с использованием бетонов низкой теплопроводности в ходе климатических испытаний. Определен характер изменения прочности контактной зоны в зависимости от характеристик применяемых бетонов.

This article presents the results of experimental studies of strength of the contact zone of concrete layers in a sandwich structure with low thermal conductivity of concrete during the climatic tests. We have estimated the type of changes in the strength of the contact zone, depending on the characteristics of concrete used.

Долговечность и энергоэффективность многослойных ограждающих конструкций во многом определяется выбором конструктивно-технологического решения. Одним из перспективных решений являются многослойные ограждающие конструкции с использованием в качестве утеплителя бетонов низкой прочности и теплопроводности. Однако на сегодняшний день существуют не до конца решенные вопросы технологии производства таких конструкций. Кроме того, практически отсутствует информация об их надежности. Создание нормативной базы для проектирования многослойных ограждающих конструкций, с применением в качестве теплоизоляционного слоя легких бетонов низкой теплопроводности, требует дальнейших исследований, в первую очередь направленных на изучение контактной зоны бетонов различной прочности при климатических воздействиях.

В ранее проведенных исследованиях ведущих ученых в области теплофизики и долговечности ограждающих конструкций [1,2,3] установлено, что при отрицательных температурах во влажном бетоне происходят криогенные фазовые превращения -часть жидкой влаги, содержащейся в порах, переходит в лед. Объем льда превышает объем замерзшей воды примерно на 9%, что приводит к возрастанию давления на стенки капилляров в теле бетона. В материале возникают растягивающие напряжения, приводящие к деструкции материала, образованию микротрещин, накоплению остаточных деформаций. Многократное повторение замораживания и оттаивания ведет, в конечном счете, к разрушению пористого увлажненного материала.

3/2010 мв.ВЕСТНИК

В трехслойной ограждающей конструкции с монолитной связью бетонных слоев, при климатических испытаниях происходит одновременное промерзание наружного и части среднего слоя, а также зоны их контакта. Различие физико-механических характеристик материалов слоев приводят к различным значениям деформаций материалов под давлением от растущих кристаллов льда и незамерз-шей влаги в порах. При этом в зоне контакта будут проявляться неравномерные деформации, способствующие ее разрушению и, как следствие, возможному последующему отделению наружного слоя.

Очевидно, что для обеспечения надежной совместной работы бетонных слоев, необходимо определить допустимый диапазон соотношений физико-механических характеристик бетонов, используемых в наружном и среднем теплоизоляционном слоях.

Для определения прочности сцепления наружного и среднего слоев конструкции из бетонов различной прочности, были проведены исследования опытных образцов. Наружные слои образцов были выполнены из керамзитобетона средней прочностью на сжатие 4,6; 9,8; 19,6 МПа, средний слой - из полистиролбетона средней прочностью на сжатие 0,5; 1,09; 1,45 МПа. Образцы были подвергнуты попеременному замораживанию-оттаиванию в течение 35 циклов в диапазоне температур от -35 до +70°С, с периодическим увлажнением наружного слоя. В ходе исследований проводились испытания бетона слоев на отрыв, для чего в опытных образцах высверливались керны диаметром 60 мм. Керны выдергивались при помощи испытательного прибора HP 1000 PTSube GmbH, определялась разрушающая нагрузка при отрыве керна. По результатам данных испытаний определен характер снижения прочности контактной зоны на растяжение для трехслойных образцов со слоями из бетонов различной прочности (рис. 1-3).

R*/R*o, %

Рисунок 1 - Графики изменения относительной прочности контактной зоны КЬ4/КМ>0,% в зависимости от количества циклов испытаний для соответствующих прочностей бетона среднего слоя при прочности на сжатие бетона наружного слоя Кы,ех1=19,6 МПа.

ВЕСТНИК МГСУ

3/2010

Рисунок 2 - Графики изменения относительной прочности контактной зоны Км/Км>0,% в зависимости от количества циклов испытаний для соответствующих прочностей бетона среднего слоя при прочности на сжатие бетона наружного слоя Км>ех4=9,8 МПа

Рисунок 3 - Графики изменения относительной прочности контактной зоны Км/Км>0,% в зависимости от количества циклов испытаний для соответствующих прочностей бетона среднего слоя при прочности на сжатие бетона наружного слоя Км>ех1=4,6 МПа

Анализ полученных экспериментальных данных, а также данных других авторов [1] свидетельствует о том, что снижение прочности бетона под действием попеременного замораживания и оттаивания носит линейный характер. Проведенными экспериментальными исследованиями установлено, что подобный же характер носит снижение прочности зоны контакта слоев. При использовании в наружном слое бетона прочностью на сжатие 19,6 МПа, после 35 циклов испытаний снижение прочности контактной зоны составило не более 12%. При вдвое меньшей прочности бетона наружного слоя, снижение прочности контактного слоя составляет 20%.

Характер снижения относительной прочности на растяжение контактной зоны в этом случае может быть записан в виде:

= 1 _ аЬопйП (1),

где п - число циклов замораживания-оттаивания, аЬопа - коэффициент, определяемый в зависимости от применяемых классов бетона по рис. 4.

3/2010

ВЕСТНИК .МГСУ

Hl.....а

am

(UKW

а,ooit

0,007 D.OOÔ (1,005 0,004 ft 003 O.OIG o.ooi о

- КыЧб Hfb Rtai-y.8 \[Ли

Ml Ut

fl.J 0.5 0.6 0,7 0.8 0.0 I M U IJ l.j 1.5 M Рисунок 4 - эмпирические значения коэффициента abond в зависимости от прочности на сжатие полистиролбетона для различных классов керамзитобетона

При применении в наружном слое керамзитобетона прочностью на сжатие 4,6 МПа после 25 циклов испытаний интенсивность снижения прочности возрастает, график меняет характер на нелинейный (рис.3). По-видимому, увеличение интенсивности снижения прочности контактной зоны после 25 циклов испытаний говорит о чрезмерном накоплении остаточных деформаций под действием криогенных переходов в структуре бетона и деструкции материала. За период испытаний в 35 циклов, прочность контактной зоны снизилась более чем на 30 %. Проведенными исследованиями установлено, что для обеспечения долговечности многослойных ограждающих конструкций из легких бетонов, в конструкционном наружном слое следует применять керамзитобетон, класса не ниже, чем B 7,5. При этом прочность сцепления слоев бетонов снижается не более, чем прочность наружного промерзающего слоя в реальных условиях эксплуатации ограждающей конструкции.

Исследовательские работы были выполнены по государственному контракту в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Литература

1. Александровский C.B. Долговечность наружных ограждающих конструкций. М., НИИСФ, 2004

2. Ананьев А.И., Ананьев A.A., Долговечность и энергоэффективность наружных стен из облегченной кирпичной кладки/ZAcademia, 2010, №3, с. 352-356

3. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М., Высшая школа, 1982

4. Король Е.А. Трехслойные ограждающие железобетонные конструкции из легких бетонов и особенности их расчета. M., АСВ, 2001

Ключевые слова: энергоэффективность, легкие бетоны, многослойные конструкции, климатические испытания, бетоны низкой теплопроводности, прочность, полистиролбетон.

Energy efficiency, lightweight concrete, sandwich structures, climatic tests, concrete with low transcalency, strength, polystyrene aggregate concrete.

Рецензент: Пугач Е.М, к.т.н., доцент.

E-mail автора: y.kharkin@gmail.com