Экспериментальные исследования влияния климатических воздействий на монолитную связь бетонных слоев различной прочности в многослойных конструкциях

ВЕСТНИК 3/2010

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА МОНОЛИТНУЮ СВЯЗЬ БЕТОННЫХ СЛОЕВ РАЗЛИЧНОЙ ПРОЧНОСТИ В МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Е.А. Король, Ю.А. Харькин, Е.Н. Быков

EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE EFFECT OF CLIMATIC INFLUENCES ON THE SOLID JOINT OF CONCRETE LAYERS WITH DIFFERENT STRENGTH IN SANDWICH STRUCTURES

E.A. Korol, Y.A. Kharkin, E.N. Bykov

МГСУ

В данной статье представлены результаты исследования совместной работы слоев многослойной ограждающей конструкции из легких бетонов с различными физико-механическими характеристиками. Проведены климатические испытания моделей многослойных ограждающих конструкций монолитного сечения. Сопоставлены прочности бетона среднего слоя и зоны контакта слоев. Определено снижение прочности слоев после климатического воздействия.

This article presents the results of the research ofjoint work of layers in sandwich enclosure of lightweight concrete with different physical and mechanical characteristics. We have conducted climatic tests for models of a sandwich enclosure with monolithic section. The strength of concrete in the middle layer and the strength of the contact zone of layers are compared. The decrease of the strength of layers after the climatic effects is studied.

Повышение долговечности и надежности многослойных ограждающих конструкций является актуальной задачей в связи с появлением большого разнообразия их конструктивно-технологических решений, соответствующим высоким теплотехническим требованиям за счет применения различных видов теплоизоляционных материалов, срок службы которых значительно меньше традиционных конструкционных [1]. Одним из перспективных решений являются многослойные конструкции с использованием в качестве теплоизоляции легких бетонов низкой теплопроводности [2]. Особенностью таких конструкций является монолитная связь между конструкционными и теплоизоляционным слоями, образуемая в процессе их изготовления. В этой связи возникает задача оценки прочности зоны контакта бетонов и возможности разрушения конструкции по этой зоне.

Проведенными ранее исследованиями установлено, что прочность сцепления слоев в зоне контакта выше, чем прочность бетона среднего слоя. При испытании на растяжение трехслойных образцов с наружными слоями из керамзитобетона класса по прочности на сжатие В 12,5 и теплоизоляционным слоем из полистиролбетона низкой прочности - В 0,35, В 0,75, В 1 разрушение происходило по среднему теплоизоляционному слою [3]. Однако испытания образцов проводились после набора прочности и хранении их в нормальных условиях.

С учетом того, что в процессе эксплуатации ограждающая конструкция подвергается сезонным и суточным колебаниям температуры, необходимо иметь также подтвержденные экспериментально данные о сохранении монолитной связи слоев при климатических воздействиях.

Для изучения влияния климатических воздействий на монолитную связь бетонных слоев в конструкции, были запроектированы и изготовлены модели элементов трехслойной ограждающей конструкции толщиной 400 мм с наружными слоями из керамзитобетона и теплоизоляционным слоем из полистиролбетона, толщиной соответственно 50 мм и 300 мм. Проектный класс керамзитобетона выбран В 3,5, полистиролбетона - В 0,35, соответственно средняя плотность - 1000 кг/м3 и 300 кг/м3. Керам-зитобетон наружных слоев был выбран более низкого класса, по сравнению с ранее проведенными исследованиями [3], и, как следствие, более низким коэффициентом теплопроводности (0,21 Вт/м0С) с целью изучения возможностей повышения термического сопротивления многослойной конструкции в целом и одновременно оценки долговечности. Размеры фрагментов панелей составляли 1200x1000x400 мм, размеры блоков - 200x200x400 мм.

Для проведения экспериментальных исследований, модели были помещены в климатическую камеру, в которой конструкция подвергалась попеременному замораживанию и оттаиванию в течение 35 циклов. Диапазон температур в цикле составил от -350С до +700С, влажность воздуха составляла 100%. Для дополнительного увлажнения наружного слоя конструкции, производилось периодическое опрыскивание из дождевальной установки.

После завершения испытаний в климатической камере, при визуальном обследовании конструкции не было выявлено расслоений по контакту слоев.

Для определения прочностных характеристик слоев были проведены испытания прочности бетона конструкции на отрыв. Данные испытания позволили проследить изменение прочностных характеристик бетонов конструкции на растяжение до и после климатического воздействия, а также определить соотношение прочностей на растяжение слоя из бетона низкой прочности и зоны контакта слоев.

Для проведения испытаний высверливались керны диаметром 60 мм и глубиной 50 и 70 мм (рисунок 1). Глубина 50 мм выбрана для обеспечения разрушения по зоне контакта слоев при передаче нагрузки. Глубина 70 мм давала возможность сопоставить прочности слоя бетона низкой прочности и сцепления бетонов в зоне контакта слоев.

К кернам крепились анкера с помощью быстротвердеющего клеевого состава. Выдергивание анкеров происходило при помощи испытательного прибора HP 1000 PTSube GmbH, фиксирующего нагрузку при отрыве (рисунок 2). Данный прибор позволяет передавать нагрузку на образец в диапазоне 0,6 до 9 кН. Нормальная скорость возрастания растягивающего усилия составляет 200 Н/с.

Для испытанных образцов определялась длина, характер отрыва (рисунок 3), нагрузка при отрыве. Для образцов длиной 70 мм разрушение происходило всегда по слою полистиролбетона. Длина для образцов длиной 50 мм - по контактной зоне слоев. От нагрузки при отрыве осуществлялся переход к прочности бетонов на растяжение (таблица 1).

ВЕСТНИК МГСУ

3/2010

ан»

I 1КИ1

Рисунок 1 - Расположение испытываемых образцов в опытной конструкции

Рисунок 2 - Проведение испытаний на отрыв

Рисунок 3 - Вид образцов после испытания. а) разрушение по контактной зоне, разрушающая нагрузка 0,72 кН, б) разрушение по среднему слою, разрушающая нагрузка 0,4 кН.

Таблица 1 - Результаты испытаний на отрыв

Количество циклов попеременного замо-ражи-вания-оттаивания № образца Задан-данная длина образца, см Длина образца после разрушения, см Разрушающая нагрузка, кН Площадь сечения, см2 Прочность на отрыв, МПа Средняя прочность на отрыв, МПа Размах значений прочности, %

0 Р 1.1 7,0 6,0 0,33 27,33 0,121 0,144 22

Р 2.1 7,0 6,5 0,38 27,33 0,139

Р 3.1 7,0 6,1 0,42 27,33 0,154

Р 4.1 7,0 6,3 0,40 27,33 0,148

В 1 7,0 6,0 0,42 27,33 0,154

В 3 7,0 6,4 0,40 27,33 0,147

Р 1.2 5,0 5,0 1,04 27,33 0,381 0,389 19

Р 2.2 5,0 4,8 1,19 27,33 0,435

Р 3.2 5,0 4,5 0,96 27,33 0,351

Р 4.2 5,0 5,3 1,11 27,33 0,408

В 2 5,0 4,6 0,99 27,33 0,364

В 4 5,0 5,1 1,08 27,33 0,396

35 Р 1.3 7,0 6,7 0,33 27,33 0,121 0,131 21

Р 2.3 7,0 6,0 0,40 27,33 0,148

Р 3.3 7,0 5,9 0,32 27,33 0,117

Р 4.3 7,0 6,8 0,34 27,33 0,124

В 5 7,0 6,9 0,39 27,33 0,142

В 8 7,0 6,5 0,37 27,33 0,135

Р 1.4 5,0 5,2 0,72 27,33 0,263 0,257 22

Р 2.4 5,0 4,9 0,66 27,33 0,240

Р 3.4 5,0 5,0 0,71 27,33 0,259

Р 4.4 5,0 5,3 0,81 27,33 0,298

В 6 5,0 4,8 0,63 27,33 0,232

В 7 5,0 5,2 0,67 27,33 0,247

Из таблицы 1 видно, что при выдерживании конструкцией 35 циклов попеременного замораживания и оттаивания, прочность контактного слоя выше, чем прочность полистиролбетона как до, так и после испытаний. Отношение прочности контактной зоны к прочности теплоизоляционного слоя кЬопа = Яы,Ьо^/Кьит составляет до и после климатического воздействия соответственно 2,70 и 1,96. Для легкого бетона, подверженного воздействию попеременного замораживания и оттаивания, график

ВЕСТНИК 3/2010

снижения прочности носит изначально линейный характер, переходящий в нелинейный после значительного снижения прочности [1]. На рисунках 5 и 6 представлены графики изменения относительной прочности исследуемых слоев Яы^/Яы и отношения их прочностей кЬопа в ходе испытаний в климатической камере.

Рисунок 5 - Графики изменения относительной прочности исследуемых слоев Яы/Кы,0 в ходе

испытаний в климатической камере

Рисунок 6 - График изменения отношения прочностей кЬош1 рассматриваемых слоев конструкции в ходе испытаний в климатической камере

Таким образом, в результате климатического испытания модели многослойной ограждающей конструкции установлено, что монолитная связь бетонных слоев сохраняется и обеспечивает монолитность многослойной конструкции из легких бетонов различной прочности и теплопроводности в процессе ее эксплуатации. Однако снижение прочности зоны контакта слоев происходит быстрее, чем прочности среднего слоя из полистролбетона. По-видимому, это обусловлено различными факторами, наиболее существенными из которых представляются физико-механические характеристики используемого в наружном слое бетона, соотношение прочностей бетонов, используемых в конструктивном и теплоизоляционном слоях, и др. и требует в дальнейшем проведения целенаправленных исследований.

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

3. Король Е.А., Пугач Е.М., Николаев А.Е. Экспериментальные исследования сцепления бетонов различной прочности в многослойных железобетонных элементах// Технологии бетонов. 2006. №4, с. 54-55

4. МИ 2016-03. Прочность бетона в конструкциях и изделиях. Методика выполнения измерений при натурных испытаниях методом анкера. М., НИИЖБ, 2003

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: к.т.н., профессор Хлыстунов M.C.

E-mail авторов: korol@mgsu.ru