Экспериментально-теоретические исследования НДС опилкобетонных и гипсоопилочных кладок

УДК 693

С.Ю. Лихачева, О.Б. Кондрашкин, М.А. Лебедев

ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НДС ОПИЛКОБЕТОННЫХ И ГИПСООПИЛОЧНЫХ КЛАДОК

Приведен теоретический анализ полученных экспериментально диаграмм деформирования столбов, выполненных из опилкобетонной и гипсоопилочной кладок, под действием одноосного сжатия.

Ключевые слова: кладки на естественных заполнителях, испытания, опилкобетонный камень, гипсоопилочный камень, опилкобетонный кирпич, напряженно-деформированное состояние, структурные изменения, неполная упругость.

Применение древесных опилок в качестве заполнителя для бетонов позволяет решить комплекс проблем, связанных с экологическими, энергетическими и экономическими вопросами современного малоэтажного строительства. Органический заполнитель может заполнять до 60 % объема готового опилкобетонного или гипсо-опилочного изделия в зависимости от требуемой области применения.

Необходимость утилизации древесных отходов обусловлена целым рядом экологических причин (которые эта утилизация устраняет): нарушением структур естественных биологических сообществ (биоценозов), экологического равновесия в экосистеме и снижением ее устойчивости, снижением уровня разнообразия видов растений, животных и микроорганизмов. С точки зрения охраны окружающей среды повышение тепловой защиты зданий и сооружений приводит к рациональному использованию невозобновляемых природных ресурсов, уменьшению влияния «парникового» эффекта и сокращению выделений двуокиси углерода и других вредных веществ в атмосферу.

Нельзя обойти стороной и экономический эффект применения отходов дерево-добывающей промышленности в строительстве домов этажностью менее трех. Это уменьшение давления на фундамент, улучшение теплоизоляционных и звукоизоляционных свойств по сравнению с традиционными строительными материалами и т.д.

На данный момент авторами подробно изучены кладки из опилкобетонных камней и кирпичей, гипсоопилочных камней (сплошных и пустотных) [1—3]. Несмотря на разный состав и размер составляющих кладок, были выявлены общие закономерности определяющих прочностных и деформационных характеристик, как при кратковременном, так и при длительном сжатии.

Но для соответствия современному уровню науки и правильного представления об истинной работе конструкций из деревобетонных кладок необходимо было получить точное представление о напряженно-деформированном состоянии кладок на разных этапах нагружения.

Наиболее близким по поведению аналогом был выбран древесный бетон, подробно изученный профессором В. А. Цепаевым [4].

Были проведены испытания опытных образцов столбов из кладок всех четырех видов с периодической разгрузкой. Величина одной ступени нагружения принималась равной 5 % от ожидаемой разрушающей нагрузки, экспериментальные значения которой определялись ранее из эксперимента серии соответствующих столбов (в каждой не менее 4).

© Лихачева С.Ю., Кондрашкин О.Б., Лебедев М.А., 2012

61

ВЕСТНИК

МГСУ.

12/2012

Образцы-столбы кладки испытывались на одноосное сжатие на прессе марки УИМ-100 (рис. 1), на прессе марки ПГ-125 (рис. 2) и на прессе марки П-500 (рис. 3).

Рис. 1. Испытание образцов кладки из опилкобетонных кирпичей на прессе марки УИМ-100

Замер деформаций производился с помощью тензометров с размером базы, зависящим от высоты изучаемого столба, и индикаторов часового типа. Деформации (продольные и поперечные 82) измерялись в моменты нагружения и разгрузки (начало разгрузки есть конец нагружения). Такой подход позволил разделить полную относительную продольную деформацию сжатия кладки на составляющие: упругую и остаточную, а также проследить закономерность их развития [5].

Диаграммы зависимостей, построенные для четырех видов кладок, выявили общий характер их НДС при кратковременном сжатии [5]. Было установлено, что для всех кладок на естественных заполнителях существует две области деформирования: неполной упругости и интенсивного развития деформаций [5]. В первой области упругая деформация линейно зависит от напряжений, а во второй — эта зависимость нелинейна. Остаточная деформация появляется с самого начала загружения и непропорциональна напряжениям на всем протяжении деформирования. Однако в первой области остаточные деформации настолько незначительны, что принята линейная зависимость упругой деформации от напряжения. Было решено по аналогии с деревобетонами считать эту область «областью неполной упругости».

'1

Т" *

Рис. 2. Испытание образцов кладки из опилкобетонных камней на прессе марки ПГ-125

Рис. 3. Испытание образцов кладки из гипсоопилочных камней на прессе марки П-500

62

КБИ 1997-0935. Vestnik Мвви. 2012. № 12

Точку перелома кривой, определенную по диаграмме упругих деформаций ст(еу), разности полных деформаций ст(деи) и остаточных деформаций в функции упругих е0(еу), логично было назвать «пределом неполной упругости» яву. Для кладок из разных камней его величина варьировалась, но при замене напряжения при построении диаграмм на отношение величины ступени нагружения к текущему значению напряжения оказалось, что в среднем для всех четырех видов кладки значение Яну составило 65 % от предела прочности кладки кратковременному сжатию.

Также необходимо было проверить действие ряда гипотез, выдвинутых для объяснения снижения прочности бетонов при длительном загружении. Одна из них, развитая О.Я. Бергом [6], основывается на структурных изменениях, происходящих в бетоне при действии нагрузки, и предполагает связь предела длительной прочности материала при сжатии с уровнем напряжения, соответствующим верхней условной границе микроразрушений Щ (верхняя параметрическая точка).

О степени развития деструктивных процессов в бетоне в этом случае судят по изменению дифференциального коэффициента поперечной деформации

Л Д52 Ду =—

Де1 '

а также коэффициенту дифференциального изменения объема

Л8 = Де1 - 2е2.

В результате проведенных испытаний установлено, что при напряжениях ст = (0,65...0,72) Яэи появлялись первые трещины в отдельных камнях над вертикальными швами. Значения опять же варьировались в зависимости от состава и размеров составляющих кладку камней.

Обратимся к анализу кривых ст(Ду) и ст(Д8) (рис. 4). Согласно рекомендациям [6], верхняя граница микроразрушения Щ определяется величиной напряжения сжатия, при котором дифференциальный коэффициент поперечной деформации Ду достигает наибольшего теоретически возможного для сплошного тела значения, равного 0,5. Этому моменту соответствует наибольшее сокращение внешнего объема, т.е. Д8 = 0. В наших исследованиях такие значения Ду и Д8 соответствуют в зависимости от изучаемой кладки приблизительно 0,95ЯЫ. Известно, что при таком уровне длительно действующего напряжения разрушение деревобетонов происходит уже в течение первых суток с начала загружения. Следовательно, использование рекомендаций [6] по определению верхней параметрической точки Щ неприемлемо для изучаемых кладок.

ст, % ст, %

80 60 40 20 0

80 60 40 20 0

А6 • 104

0,2 0,3 0,4 0,5

Рис. 4. Графики зависимостей ct

100

0

в

Предлагается, как и в [7], определять уровень напряжения, соответствующий Щ , по точке перелома кривой ст(Д8), т.е. точке, в которой касательная к кривой параллельна оси ординат. В этом случае ЯТ = 0,65Яи. При этом значении наблюдается и характерный излом кривой ст(Ду). Таким образом, величина напряжения ст = Щ = 0,65Яи полностью совпадает с величиной напряжения ст на границе двух областей деформи-

рования кладки, про которую было рассказано выше. Характер изменения всех кривых на рис. 4 указывает на то, что при ст > 0,65Яи происходит интенсивный процесс разрушения любой кладки из изученных четырех.

Проведенные исследования позволили определить новый критический параметр кладки из камней и кирпичей на естественных заполнителях — момент начала необратимо-прогрессирующего развития микроразрушений, который по аналогии с работами В. А. Цепаева [4] назовем пределом конструктивной прочности кладки

Этот параметр определяет начало нового этапа в развитии процесса микроразрушений, характеризует момент начала разрушения кладки и отождествляется с пределом ее длительного сопротивления.

1. Цепаев В.А., Лебедев М.А., Лихачева С.Ю. Ползучесть кладки из опилкобетона // Жилищное строительство. 2010. № 3. С. 25—27.

2. Цепаев В.А., Лихачева С.Ю., Кондрашкин О.Б. Длительная прочность кладки из гипсо-опилочных камней // Приволжский научный журнал. 2009. № 3. С. 39—42.

3. Цепаев В.А., Лихачева С.Ю., Шурышев И.Н. Кратковременная прочность кладки из опил-кобетонных камней при одноосном сжатии // Приволжский научный журнал. 2009. № 4. С. 13—18.

4. Цепаев В.А. Длительная прочность и деформативность конструкционных древес-но-цементных материалов и несущих элементов на их основе : дисс. ... д-ра техн. наук. Н. Новгород, 2001. 480 с.

5. Лихачева С.Ю., Кондрашкин О.Б. Исследования процессов деформирования кладок на древесных заполнителях при одноосном кратковременном сжатии // Приволжский научный журнал. 2011. № 1. С. 21—25.

6. Берг О.Я. Некоторые вопросы теории деформаций и прочности бетона // Изв. вузов. Стр-во и архитектура. 1967. № 10. С. 41—55.

7. Мельниченко О.В. Экспериментальное исследование длительной прочности бетонов высоких марок // Изв. вузов. Стр-во и архитектура. 1976. № 5. С. 85—88.

Поступила в редакцию в октябре 2012 г.

Об авторах: Лихачева Светлана Юрьевна — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры сопротивления материалов и теории упругости, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»), 603950, г. Н. Новгород, ул. Ильинская, д. 65, lihsvetlana@yandex.ru;

Кондрашкин Олег Борисович — кандидат технических наук, доцент кафедры конструкций из дерева, древесных композитов и пластмасс, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»), 603950, г. Н. Новгород, ул. Ильинская, д. 65, 89036072668@mail.ru;

Лебедев Михаил Александрович — младший научный сотрудник, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»), 603950, г. Н. Новгород, ул. Ильинская, д. 65, alomir@mail.ru.

Для цитирования: Лихачева С.Ю., Кондрашкин О.Б., Лебедев М.А. Экспериментально-теоретические исследования НДС опилкобетонных и гипсоопилочных кладок // Вестник МГСУ 2012. № 12. С. 61—65.

S.Yu. Likhacheva, O.B. Kondrashkin, M.A. Lebedev

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL STUDIES OF THE STRESS-STRAIN STATE OF WOOD-

Results of the theoretical analysis of experimental diagrams of deformations of columns made of wood sawdust and concrete mixtures and of wood sawdust and gypsum mixtures exposed to uniaxial compression are provided in the paper.

R^K = °H.y = R = 0,65RU.

Библиографический список

CONCRETE AND WOOD-GYPSUM MASONRY

64

ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 12

The findings of the prototype testing include identification of the two areas of deformations: areas of elastic deformations and areas of intensive development of deformations. The first area of partial elastic deformations is characterized by the linear stress function, while the second area demonstrates that this relationship is nonlinear. Permanent deformations appear as of the startup of the loading process and disproportionate stress is demonstrated throughout the deformation process. However, in the first area (partial elastic deformations) residual deformations are so small that this area is considered as the area of "the area of incomplete elasticity".

Key words: masonry, tests, wood concrete blocks, wood-gypsum concrete masonry work, wood-concrete brick, stress-strain state, structural changes, partial elasticity.

References

1. Tsepaev V.A., Lebedev M.A., Likhacheva S.Yu. Polzuchest' kladki iz opilkobetona [Creep of the Wood Concrete Masonry Work]. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Residential Housing Construction]. 2010, no. 3, pp. 25—27.

2. Tsepaev V.A., Likhacheva S.Yu., Kondrashkin O.B. Dlitel'naya prochnost' kladki iz gipso-opiloch-nykh kamney [Durability of Wood-gypsum Concrete Block Work]. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal [Volga Region Scientific Journal]. 2009, no. 3, pp. 39—42.

3. Tsepaev V.A., Likhacheva S.Yu., Shuryshev I.N. Kratkovremennaya prochnost' kladki iz opilkobe-tonnykh kamney pri odnoosnom szhatii [ Short-term Strength of Sawdust Concrete Block Work Exposed to Uniaxial Compression]. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal [Volga Region Scientific Journal]. 2009, no. 4, pp. 13—18.

4. Tsepaev V.A. Dlitel'naya prochnost' i deformativnost' konstruktsionnykh drevesno-tsementnykh materialov i nesushchikh elementov na ikh osnove [Long-term Strength and Deformability of Structural Wood-concrete Materials and Bearing Elements Made on Their Basis]. Nizhniy Novgorod, NNGASU Publ., 2001, 480 p.

5. Likhacheva S.Yu., Kondrashkin O.B. Issledovaniya protsessov deformirovaniya kladok na drevesnykh zapolnitelyakh pri odnoosnom kratkovremennom szhatii [Studies of Processes of Deformation of Masonry Work That Incorporate Wood Fillers If Exposed to Short-term Uniaxial Compression]. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal [Volga Region Scientific Journal]. 2011, no. 1, pp. 21—25.

6. Berg O.Ya. Nekotorye voprosy teorii deformatsiy i prochnosti betona [Some Issues of the Theory of Deformation and Strength of Concrete]. Izv. vuzov. Str-vo i arkhitektura [News of Institutions of Higher Education. Construction and Architecture]. 1967, no. 10, pp. 41—55.

7. Mel'nichenko O.V. Eksperimental'noe issledovanie dlitel'noy prochnosti betonov vysokikh marok [Experimental Study of Long-term Strength of High-grade Concretes]. Izv. vuzov. Str-vo i arkhitektura [News of Institutions of Higher Education. Construction and Architecture]. 1976, no. 5, pp. 85—88.

About the authors: Likhacheva Svetlana Yur'evna — Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Department of Strength of Materials and Theory of Elasticity, Nizhniy Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU), 65 Il'inskaya Str., Nizh-ny Novgorod, 603950, Russian Federation; lihsvetlana@yandex.ru;

Kondrashkin Oleg Borisovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Strength of Materials and Theory of Elasticity, Nizhniy Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering" (NNGASU), 65 Il'inskaya Str., Nizhny Novgorod, 603950, Russian Federation; 89036072668@mail.ru;

Lebedev Mikhail Aleksandrovich — junior researcher, Nizhniy Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering" (NNGASU), 65 Il'inskaya Str., Nizhny Novgorod, 603950, Russian Federation; alomir@mail.ru.

For citation: Likhacheva S.Yu., Kondrashkin O.B., Lebedev M.A. Eksperimental'no-teoreticheskie issledovaniya NDS opilkobetonnykh i gipsoopilochnykh kladok [Experimental and Theoretical Studies of the Stress-Strain State of Wood-Concrete and Wood-Gypsum Masonry]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 12, pp. 61—65.