Исследование прочности и деформативности керамзитобетонов классов 10/12,5 и 16/20 по экспериментальным данным

УДК 691.32-033.33

С. Д. Семенюк, И. И. Мельянцова, М. Г. Мамочкина, Г. А. Дивакова

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ

КЕРАМЗИТОБЕТОНОВ КЛАССОВ 10/12,5 И 16/20 ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

UDC 691.32-033.33

S. D. Semeniuk, 1.1. Melyantsova, M. G. Mamochkina, G. А. Divakova

STUDIES OF STRENGTH AND DEFORMABILITY OF EXPANDED CLAY LIGHTWEIGHT CONCRETE OF 10/12,5 AND 16/20 GRADES BY EXPERIMENTAL FACTS

Аннотация

Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований прочностных и дефор-мативных свойств лёгких бетонов на основе керамзитового гравия при кратковременном центральном сжатии. Определены кубиковая и призменная прочности, найдены модули продольных и поперечных деформаций, модуль сдвига, пределы микротрещинообразования бетонов.

Ключевые слова:

класс бетона, керамзитобетон, модуль упругости, призма, продольные и поперечные деформации, модуль сдвига, коэффициент Пуассона, линейная корреляция, статистика, пределы микротрещинообра-зования бетонов.

Abstract

The article presents the results of experimental and theoretical studies of the strength and deformation properties of expanded clay lightweight concrete at short central compression. According to tests of four series of samples were determined block and prism strength, was found modules of longitudinal and transverse deformations, and the limits of concrete microcracking formation.

Key words:

grade concrete, expanded clay lightweight concreteб modulus, prism, longitudinal and transverse deformations, Poisson's ratio, the linear correlation, statistics, the limits of concrete microcracking formation.

Введение

Легкие бетоны на основе керамзитового гравия широко применяются в промышленном и гражданском строительстве. Керамзитобетонные конструкции позволяют улучшить теплотехнические и акустические свойства зданий, значительно снизить их массу. Комплексное использование легких бетонов дает возможность решить проблемы энергоресурсосбережения при строительстве и техническом обслуживании зданий и инженерных сооруже-

ний, повысить их надежность, долговечность и безопасность при эксплуатации. Однако для соответствия белорусских нормативных документов с Евро-кодом необходимо уточнить некоторые прочностные и деформативные характеристики легких бетонов, что для Республики Беларусь является актуальным. С этой целью были проведены экспериментальные исследования прочности и деформативности образцов из легкого бетона классов 10/12,5 и 16/20 в виде кубов, цилиндров и призм на кратко-

© Семенюк С. Д., Мельянцова И. И., Мамочкина М. Г., Дивакова Г. А., 2014

временное центральное сжатие в соответствии с ГОСТ 24452-80*.

Характеристики опытных образцов и методика экспериментальных исследований

Для определения прочностных и деформативных характеристик легких бетонов на основе керамзитового гравия были исследованы две серии опытных образцов из бетона классов 10/12,5 и 16/20. В каждой серии экспериментальных исследований было заформовано и испытано 12 кубов с размерами ребра 150 мм, восемь кубов с размерами ребра 100 мм, 12 цилиндров диаметром 150 мм и высотой 300 мм и 12 призм размерами 150*150*600 мм. Испытания проводились в возрасте 7, 14, 28 и 60 сут. В каждом возрасте испытыва-лось по три куба с размерами ребра 150 мм, два куба с размерами ребра 100 мм, три призмы размерами 150*150*600 мм и три цилиндра диаметром 150 мм и высотой 300 мм.

В качестве крупного заполнителя для бетона класса 16/20 использовался керамзитовый гравий фракций 5...10 и 10.. .20 мм с относительной прочностью в цилиндре 2,68 и 1,86 МПа соответственно. Для изготовления легкого бетона класса 10/12,5 применялся только керамзит фракции 10.20 мм. Для обеих серий в качестве мелкого заполнителя служил песок кварцевый с модулем крупности Мкр = 1,8, вяжущим - портландцемент ОАО «Белорусский цементный завод» марки М 500.

Состав керамзитобетонной смеси для бетона класса 16/20: Ц:П:Г = = 1:1,84:0,79 при водоцементном отношении В/Ц = 0,46. Плотность легкого бетона в возрасте 28 сут оказалась равной 1545 кг/м3.

Состав керамзитобетонной смеси для бетона класса 10/12,5: Ц:П:Г = = 1:2,41:1,37 при водоцементном отношении В/Ц = 0,51. Плотность легкого бетона в возрасте 28 сут оказалась равной 1390 кг/м3.

Испытание призм на кратковременное центральное сжатие проводилось в полном соответствии с требованиями [1]. При испытании продольные деформации измерялись индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм на базе 370.375 мм, установленными вдоль оси по четырем граням призм. Поперечные деформации измерялись индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм на базе 110...115 мм. Продольные и поперечные деформации по каждой отдельной призме (по показаниям четырех приборов механического действия) усреднялись. При отдельных отсчетах, резко отличавшихся от среднего, эти отсчеты и соответствующие им деформации по отдельным приборам из обработки опытных деформаций исключались.

Средняя кубиковая прочность образцов в возрасте 7 сут составила 16,04 МПа; 14 сут - 18,1 МПа; 28 сут -20,56 МПа; 60 сут - 21,47 МПа.

Средняя призменная прочность исследуемых образцов в возрасте 7 сут составила 13,11 МПа; 14 сут -14,68 МПа; 28 сут - 16,21 МПа; 60 сут -17,56 МПа, а коэффициенты призмен-ной прочности - 0,82; 0,81; 0,79; 0,82 соответственно.

Экспериментально-статистическая оценка деформативных характеристик бетона исследуемых классов

В [2, 3] показано, что зависимость «секущий модуль продольных деформаций - напряжение или уровень напряжений» (Ес - о), (Ес - п) при кратковременном центральном сжатии бетонных призм до разрушения с постоянной скоростью роста напряжений с большой достоверностью описывается линейной опытно-корреляционной зависимостью (1), а непосредственно вытекающая из неё зависимость «напряжение - деформация» -корреляционной зависимостью (2) гиперболического вида:

^с(о) -

'с —)

- Ес(0) [1—Vп];

8с

О

Е

/с Е

'с

1 —

' /с

О

где щ - уровень напряжений, щ = —;

/с

Ес(0) - истинный модуль упругости бетона (секущий модуль деформаций при о = 0); - предельное значение коэффициента пластичности бетона при

о = и

Приведенная статистическая обработка результатов испытаний бетонных призм показала, что линейные корреляционные зависимости «секущие модули деформаций - напряжения или уровень напряжений» имеют место для поперечных и сдвиговых деформаций:

Е —-

V —

'у

Еу

(/с) П

8у

О

Ек—) Е 1-Х  —

^(0) 1 Лу(/с) /с

ОО —

О

'О

— оп

2 [

О

£с(о) + £у — )_

1 — Х —

1 Л0(/с) ' /с

О

'о

оО

оп

1 - ^/с) и

стические поперечные деформации и деформации сдвига при сжатии; Ег(0),

о0 - испытанные значения модулей упругих поперечных и сдвиговых деформаций; Аг( /с), А0( /с) - коэффициенты

пластичности по поперечным и сдвиговым деформациям при напряжении

о = и

Е — Е

Х _У(0) /с) .

ЛУ(/с) Е '

00 — Ос

Х — 0 /с •

О (/с)- о '

'о

2 ^с

Численные значения параметров линейных корреляционных зависимостей (1), (3), (5) устанавливаются статистически методами линейной корреляции [4].

Наиболее простым способом первичного определения связи между двумя свойствами является способ графи-че с к о го изображения результатов вычислений. Откладывая по оси абсцисс данные одного свойства (напряжения), а по оси ординат соответствующие им значения другого свойства (относительные деформации е и Е'), получаем группу точек (рис. 1 и 2).

Величиной, выражающей прямолинейную зависимость между двумя свойствами, является коэффициент корреляции. Чем ближе коэффициент корреляции к единице, тем больше связь между изучаемыми свойствами.

Коэффициент корреляции г вычисляют по формуле

где ЕУ(О), ОО - секущие модули поперечных упругопластичных деформаций и деформаций сдвига; еу—), е{

—) > оО

- со-

ответствующие вышеуказанным секущим модулям деформаций упругопла-

I

Г — •

1

I хс2 г с 1

2 тл2

с

1

^ вующих им средних арифметических Мх

где X(^с • П) - сумма отклонений от- и МУ; п - число наблюдений.

дельных вариант Ух, Уу от соответст-

Рис. 1. Опытные и теоретические зависимости «секущий модуль деформаций - уровень нагруже-ния» для образцов из бетона класса 16/20

0,0 ОД 0,2 0,3 0,4 0.5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Уровень нагружения

Рис. 2. Опытные и теоретические зависимости «секущий модуль деформаций - уровень нагруже-ния» для образцов из бетона класса 10/12,5

Средняя ошибка коэффициента корреляции определяется по формуле

1 - г2

mr =±—т~ • yjn

Достоверность коэффициента корреляции (линейного корреляционного уравнения или связи) оценивается отношением коэффициента корреляции г к его средней ошибке тг. Если это отношение равно 4 или больше, то коэффициент корреляции считается достоверным и наличие связи между двумя свойствами доказано, в противном случае - нельзя сделать заключение о достоверности связи между изучаемыми свойствами.

Линейное корреляционное уравнение представлено следующей формулой:

7 = му + rа

где ox, Oy - средние квадратические отклонения.

Статистика линейных корреляционных зависимостей по усреднённым показателям для испытанных призм показала, что достоверность линейности корреляционных зависимостей довольно высока (коэффициент корреляции rx близок к единице, а его достоверность r/mr значительно больше четырёх).

Результаты проведенных исследований отражены в табл. 1 и 2.

При нагружении бетонного образца длительным напряжением, меньшим либо равным нижней границе микротрещинообразования, в бетоне не возникает микроразрушения. При действии напряжений в пределах границ нижнего и верхнего микротрещинооб-разования в бетоне возникают микроразрушения, но их количество не приводит к разрушению материала.

а

Табл. 1. Характеристика бетона испытанных образцов и статистика их линейных корреляционных зависимостей для класса 16/20

Класс бетона Воз- f G fch МПа f rc f0 crc

раст, сут 1 c, cube? МПа п МПа п МПа Зависимость Уравнение r r/mr

Ec(o) - п 1,795(1 - 0,023o) -0,9883 147,5

7 16,04 13,11 0,857 11,24 0,538 7,06 Evoo) - П 17,580(1 - 0,073o) -0,7921 7,36

Gc - п 0,808 (1 - 0,034o) -0,9756 70,18

Ec(o) - п 2,4884(1 - 0,035o) -0,9523 42,16

14 18,1 14,68 0,812 11,92 0,531 7,8 Evoo) - п 14,474(1 - 0,048o) -0,9482 37,71

16/20 Gc - п 1,066(1 - 0,038o) -0,9602 50,77

Ec(o) - п 1,687 (1 - 0,014o) -0,9397 43,77

28 20,56 16,21 0,776 12,58 0,505 8,18 Ev(o) - п 16,224(1 - 0,05o) -0,9357 60,2

Gc - п 0,843(1 - 0,026o) -0,9874 162,3

Eco- п 1,749(1 - 0,014o) -0,9458 39,11

60 21,47 17,56 0,755 13,25 0,459 8,06 Ev(o) - п 13,264(1 - 0,041o) -0,8479 13,15

Gc - п 1,205(1 - 0,022o) -0,9751 84,26

Табл. 2. Характеристика бетона испытанных образцов и статистика их линейных корреляционных зависимостей для класса 10/12,5

Класс бетона Воз- го У с,сиЬе> МПа МПа г V гс го .! сгс

раст, сут п МПа п МПа Зависимость Уравнение г г/тГ

Ес(а) - п 0,964(1 - 0,055ст) -0,8647 16,069

7 8,92 7,12 0,75 5,34 0,495 3,52 Еу(а) - п 7,026(1 - 0,115ст) -0,9632 62,588

Ос - п 0,430(1 - 0,07ст) -0,9167 26,961

Ес(о) - п 1,315(1 - 0,051о) -0,9570 128,11

14 10,11 8,27 0,789 6,53 0,492 4,07 Еу(а) - п 13,420(1 - 0,099ст) -0,9242 26,77

10/12,5 Ос - п 0,604(1 - 0,062о) -0,9804 52,46

Ес(о) - п 1,251(1 - 0,043ст) -0,9757 81,418

28 11,82 9,89 0,779 7,70 0,477 4,72 Е^ - п 9,180(1 - 0,087ст) -0,9572 45,76

Ос - п 0,560(1 - 0,055о) -0,9835 120,45

Ес(о) - п 1,643(1 - 0,051ст) -0,9146 23,72

60 13,61 11,17 0,791 8,84 0,514 5,74 Е^ - п 16,63(1 - 0,079о) -0,9860 150,08

Ос - п 0,762(1 - 0,056ст) -0,9600 52,00

Если длительное напряжение больше верхней границы микротрещи-нообразования, в бетоне происходит накопление и развитие микроразрушений вплоть до его полного разрушения. Поэтому за предел прочности при длительном сжатии принимают напряжение несколько ниже верхней границы микротрещинообразования (рис. 3).

Верхний предел микротрещинооб-разования / усгс (так называемая «критическая» граница, при достижении которой наблюдается активный прирост пластических деформаций) находился графическим методом по усреднённым экспериментальным данным для двух призм, испытанных кратковременным нагружением по стандартной методике -путём построения зависимости «уровень нагружения - объёмная деформация». Объёмные деформации при этом определялись по формуле

8с (а) 2ег(а) ,

деформации; 8у{а) - поперечные относительные деформации.

По пиковой точке диаграммы еу - п находился верхний предел микротре-щинообразования бетона - / Усгс.

Определение нижнего предела микротрещинообразования / 0сгс также производилось графическим методом по экспериментальным данным. Сначала по опытным данным была построена зависимость «уровень нагружения п -коэффициент Пуассона V», при этом коэффициент Пуассона определялся как отношение поперечных относительных деформаций к продольным или как отношение поперечного модуля деформаций к продольному для каждой ступени нагружения (рис. 4).

Путём нахождения первой и

йц

второй

йи2

производных был графиче-

где 8

с

продольные относительные

ски определён предел нижнего микро-трещинообразования бетона (рис. 5 и 6).

Рис. 3. Корреляционные зависимости «уровень нагружения - объемные деформации» для образцов из бетона класса 16/20 в возрасте 60 сут

я г

о о и я

с

н =

о

Л"

3

-е--е-

т £

0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10

С ,362

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Уровень нагружения

0,8

0,9

1,0

Рис. 4. Корреляционные зависимости «уровень нагружения - коэффициент Пуассона» для образцов из бетона класса 16/20 в возрасте 60 сут

¿У а*,

0,5

0,4

0,2

0,1

0,0

0,31-:

п с -0,755 с=13д2 5МПа

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Уровень нагружения

Рис. 5. Корреляционные зависимости (первая производная) для образцов из бетона класса 16/20 в возрасте 60 сут

л V

1,0

0,9

0,7

0,6

0,5

0,4

0,2

0,1

0,0

0,3 14

1 ( =0,45 < =8,061 ) УШа

0,0

0,1

0,2

0,4

0,5

0,6

0,7

Уровень нагружения

0,8

0,9

1,0

Рис. 6. Корреляционные зависимости (вторая производная) для образцов из бетона класса 16/20 в возрасте 60 сут

Выводы

сов 16/20 и 10/12,5 были определены следующие характеристики: кубиковая и призменная прочности, модули продольных и поперечных деформаций, модуль сдвига, объемные деформации, коэффициент Пуассона, пределы верхнего и нижнего микротрещинообразо-вания.

Полученные данные можно использовать при прогнозировании работы ке-рамзитожелезобетонных конструкций, зданий и сооружений, работающих в условиях как элементарного, так и сложного деформирования. В этой связи для образцов из керамзитобетона клас-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 24452-80. Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона. - М. : Госкомитет СССР по делам строительства, 1981. - 20 с.

2. Семенюк, С. Д. К определению модуля упругости и упругопластических характеристик бетона при кратковременном центральном сжатии / С. Д. Семенюк // Вестн. БГТУ. Строительство и архитектура. - 2001. - № 1. - С. 40-44.

3. Семенюк, С. Д. Железобетонные пространственные фундаменты жилых и гражданских зданий на неравномерно деформируемом основании: монография / С. Д. Семенюк. - Могилёв : Белорус.-Рос. ун-т, 2003. - 269 с.

4. Гмурман, В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика / В. Е. Гмурман. - М. : Высш. шк., 1977. - 479 с.

Славик Денисович Семенюк, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-222-27-37-43.

Ирина Игоревна Мельянцова, аспирант, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-297-48-07-07. Мария Геннадьевна Мамочкина, студент, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-447-45-54-00. Галина Анатольевна Дивакова, студент, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-297-43-35-37.

Slavik Denisovich Semeniuk, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. Phone: +375-222-27-37-43.

Irina Igorevna Melyantsova, PhD student, Belarusian-Russian University. Phone: +375-297-48-07-07. Mariya Gennadyevna Mamochkina, student, Belarusian-Russian University. Phone: +375-447-45-54-00. Galina Anatolyevna Divakova, student, Belarusian-Russian University. Phone: +375-297-43-35-37.

Статья сдана в редакцию 17 июня 2014 года