Исследование физико-механических и реологических свойств высокопрочного сталефибробетона

Исследование физико-механических и реологических свойств высокопрочного сталефибробетона

Н.И.Карпенко, В.И.Травуш, С.С.Каприелов, А.В.Мишина, А.А.Андрианов, И.М.Безгодов

В современном строительстве все большее применение начинают находить высотные и сверхвысотные здания, здания и сооружения под специальные виды тяжелых нагрузок, защитные оболочки АЭС и т.д. из монолитного железобетона, для возведения которых из традиционных бетонов требуются весьма масштабные конструкции с большим процентом армирования, уменьшающие полезную площадь сооружений. Сверхпрочные бетоны позволяют значительно сократить расход бетона и арматуры и снизить массивность конструкций. Однако созданию сверхпрочных бетонов препятствует ряд негативных факторов. Среди них повышенная хрупкость, приводящая к «взрывоопасному» характеру разрушения, и относительно низкое увеличение прочности на растяжение по сравнению с прочностью на сжатие. Добавление в состав бетона стальной фибры, то есть производство высокопрочного сталефибробетона, позволяет устранить указанные негативные факторы. С помощью экспериментальных и теоретических методов исследуются физико-механические и реологические свойства сверхвысокопрочного бетона, армированного стальной фиброй. Состав сверхпрочного фибробетона был разработан лабораторией химических добавок и модифицированных бетонов НИИЖБ, кратковременные экспериментальные исследования прово-

Таблица 1. Состав и свойства бетонной смеси

дились на базе НИИСФ РААСН, а исследования ползучести - на базе МГСУ.

В состав бетонной смеси входили цемент М500 ДО (г. Новороссийск) и песок кварцевый фракций 0,1-0,63 мм (ГОК Мураев Рязанской области). Компонентами модификатора бетона МБ3-50К являлись: микрокремнезем МКУ-85 (г. Новокузнецк), зола-уноса кислая (г. Рефта), суперпластификатор, фибра волновая 00,3 мм, ^ = 15 мм, высокоуглеродистая сталь с временным сопротивлением 1200Н/мм2 Белорусского металлургического завода (табл. 1).

Для получения основных физико-механических характеристик (кубиковая и призменная прочность на сжатие, модуль упругости, коэффициент Пуассона, прочность на растяжение и растяжение при изгибе) были проведены кратковременные испытания. Они состояли из испытаний на сжатие кубических и призменных образцов в возрасте 3, 7, 14, 28, 90 и 270 суток, испытаний на осевое растяжение и растяжение при изгибе в возрасте 28 суток.

Для исследования ползучести сталефибробетона была разработана программа испытания (рис. 1), которая включала загружение образцов-призм в возрасте 7, 14, 28 и 90 суток длительной нагрузкой уровня 0,3 и 0,6 от призменной прочности, определенной по кратковременным испытаниям в

Фактический состав бетонной смеси, кг/м3 Плотность бетонной смеси, кг/м3 Расплыв конуса, см В/Ц

Цемент М500 ДО Модификатор МБ3-50К Песок Стальная фибра Вода

850 350 830 180 180 2405 75 0,21

0,3 (о,б)Шэ7

“| Разгрузка 0,3 (0,6)Ш> 14

| Разгрузка 0,3 (0,6)КЬ28 1 Разгрузка 0,3(0,6)ЫЬ90 ' 1 Разгрузка

14 28 90 247 254 268 330 Возраст, сутки

Рис. 1. Программа длительных испытаний сталефибробетонных образцов в возрасте 7,14, 28 и 90 суток

106 1 2013

соответствующем возрасте. Группа образцов-призм загружалась до уровней 0,3 и 0,6 Яь (для соответствующего возраста) и выдерживалась в течение 240 суток. Далее производились разгрузка и регистрация деформаций обратной ползучести.

Перед проведением испытаний все образцы зачищались и шпаклевались поры. Для передачи нагрузки к торцам образцов эпоксидным клеем приклеивались металлические шлифованные пластины толщиной 30-40 мм, а к боковым поверхностям - маяки для крепления измерительных приборов. Затем образцы парафинировались для минимизации воздействия факторов окружающей среды. Продольные и поперечные деформации замерялись с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,001 мм. Испытания длительной нагрузкой проводились в помещении со стабильной температурой и высокой относительной влажностью воздуха (около 80%). Перед приложением нагрузки образцы центрировались по физической оси путем небольших пробных нагрузок (до 5% от 11ь) так, чтобы деформации, измеренные на всех четырех гранях образца к концу загружения, по возможности отклонялись от средних по оси не более чем на ±15%.

Все образцы загружались ступенями по 10% от предполагаемой разрушающей нагрузки с выдержками по 5 минут и замером деформаций в начале и в конце выдержки. Это позволило выделить упругие (мгновенные) деформации и определить по ним начальный модуль упругости. Замер деформаций после достижения необходимого уровня нагрузки производился в течение первых суток нагружения 4-5 раз, далее в соответствии с [1]. После разгрузки в течение 45-60 суток производился замер деформаций последействия.

Результаты кратковременных испытаний

С целью изучения физико-механических свойств сталефибробетона в лаборатории «Проблемы прочности и качества в строительстве» НИИСФ РААСН под руководством

Н.И.Карпенко производились испытания на сжатие в возрасте 3, 7, 14, 28, 90 и 270 суток согласно [2]. Для этого были изготовлены образцы-кубы размерами 7х7х7 и 10х10х10 см и образцы-призмы 7х7х28 и 10х10х40 см, по три образца каждого возраста.

Результаты испытаний на сжатие образцов сечением 7х7 см приведены в таблице 2. Там же в последней строке указаны результаты испытания образцов сечением 10х10 см.

По полученным значениям можно сделать вывод, что сталефибробетон при твердении очень быстро набирает прочность, так как уже в возрасте 3 суток его призменная прочность составляет 58% от прочности в 28 суток.

Для определения прочностных и деформативных характеристик сталефибробетона при осевом растяжении и растяжении при изгибе были изготовлены по два образца размером 10х10х40 см. Схемы установок и методика описаны в [3]. В формы, предназначенные для бетонирования образцов на осевое растяжение, были предварительно установлены анкерующие стержни с целью усиления мест приложения нагрузки. Испытания проводились в возрасте 28 суток (табл. 3).

Как известно, с увеличением класса бетона уменьшается отношение прочности бетона на растяжение к его прочности на сжатие. Например, это отношение составляет 6,4% для бетона класса В40, 5% для бетона класса В60 и 3,8% для бетона класса В120 [4]. В нашем случае для бетона класса В120 со

Таблица 2. Результаты испытаний на сжатие образцов сечением 7х7 и 10х10 см

Возраст бетона t, сут. Прочность, МПа Модуль упругости Ех103, МПа Условный класс бетона по ГОСТ Р 53231-2008 Коэффициент поперечной деформации V Коэффициент призменной прочности К= R/R ь Предельные относительные продольные деформации при сжатии е х10-5 и

Кубиковая прочность R, МПа Призменная прочность R,, МПа

3 90,5 75,3 38,2 72 0,206 0,83 -

7 130,1 110,1 43,4 104 0,257 0,85 300

14 143,5 121,4 44,4 115 0,265 0,85 310

28 150,2 128,6 46,1 120 0,247 0,86 350

90 151,3 138,8 48,2 121 0,249 0,92 330

270 170,0 136,7 45.6 137 0.255 0,80 326

28 (10х10х 40 см) 157,4 149,7 45,7 126 0,245 0,95 297

стальной фиброй при испытании на растяжение образцов было получено Rbt = 7 МПа, что соответствует отношению прочности бетона на растяжение к его прочности на сжатие 4,7%, то есть оно увеличилось на 25% по отношению к бетону без фибры.

Характеры диаграммы «с/Яь - е» при сжатии, «о^ - еЬ/» - растяжении при изгибе и «см - еи» - осевом растяжении образцов в возрасте 28 суток представлены на рисунках 2-4. Как видно из графиков, диаграмма «с/Яь - е» как для продольных, так и для поперечных деформаций до уровней 0,6-0,7Rb практически линейная, а затем происходит медленное проявление нелинейных деформаций. Особенно это касается поперечных деформаций. Разрушение происходило внезапно, но не взрывообразно, из чего можно сделать вывод о более пластичной работе материала в отличие от неарми-рованного высокопрочного бетона.

Особенно плавным был механизм деформирования и разрушения образцов при изгибе, где в момент разрушения относительные деформации на растянутой грани фибробетонных образцов более чем на порядок превышали аналогичные деформации при растяжении (рис. 3).

При испытании образцов на осевое растяжение (рис. 4) разрушение происходило приблизительно в том месте, где заканчивалась анкеровка стержней, установленных для зацепления образца. Процесс разрушения призмы при изгибе напоминает механизм разрушения железобетонной балки, когда до раскрытия трещины арматура работает совместно с

і

0.9

0,8

0,7

0.6

0.5

0,4

0.3

0.2

0,1

О

\ \ o/Rb' L

\ /

\

\

\

\

\

\

\

-150 -100 -50 Поперечные

Продольные

бетоном, а после ее образования основную роль в восприятии растягивающих напряжений берет на себя арматура. Характерен тот факт, что в балках возникала только одна трещина, которая развивалась в процессе нагружения.

По данным таблицы 2 были построены графики изменения призменной прочности и модуля упругости в зависимости от возраста (рис. 5, 6).

Аппроксимация полученных кривых проводилась по следующим формулам:

Rb

Eb

где Rb(t) - призменная прочность бетона на сжатие в возрасте Ь, МПа;

50 100 150 200

Относительные деформации, x1G'5

300

Рис. 3. Диаграмма «atf - є{» для растяжения сталефибробетона при изгибе

50 100 150 200 250 300 350 400

Относительные деформации, х10_:

1 : З -I 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2І

Относительные деформации, x1G-5

Рис. 2. Диаграмма «o/Rb - є» сталефибробетона при сжатии

Рис. 4. Диаграмма «cbt -сталефибробетона

єь.» для осевого растяжения

Таблица 3. Прочностные и деформативные характеристики сталефибробетона при осевом растяжении и растяжении при изгибе

Осевое растяжение Растяжение при изгибе

R, „ МПа bP E. x1G3, МПа bt ’ єр x1G-5 R , МПа г Etfx1G3, МПа є^ x1G-5

7,G 47,5 26 2G,S 44,6 >25G

Rb (28)- призменная прочность бетона на сжатие в возрасте 28 суток, МПа;

Е(Ь) - модуль упругости бетона в возрасте Ь, МПа;

Еь (28)- модуль упругости бетона, определенный в возрасте 28 суток, МПа;

В - класс бетона по прочности на сжатие, МПа;

Ь - возраст бетона к моменту испытания, сут.

Для данного вида сталефибробетона были подобраны следующие виды зависимостей:

ЗД) = ДЙ( 28).

Еь

і

2 , 3 + 0, 9 2 • , '

\0,4

ч 2 , 3 + 0 , 9 2 • • ) .

Также была проведена теоретическая обработка диаграмм деформирования бетона при сжатии по методике [5]. Предельные продольные деформации вычислялись по формуле С.Н.Карпенко [6], записанной в виде:

еъ =-200-10

-5

•3.3

і

к*

где Rb - прочность бетона на сжатие, МПа; R0 - эталонное значение, равное 20 МПа. Теоретическое значение составило 351х10-5, что практически совпадает с экспериментальным.

Таким образом, можно заключить, что методика [5] применима для описания экспериментальных диаграмм сжатия сталефибробетонных образцов при условии использования в уравнениях наиболее близких к экспериментальным значений предельных деформаций сжатия (рис. 7).

Результаты длительных испытаний

В лаборатории МГСУ были проведены длительные испытания сталефибробетонных образцов нагрузкой разной интенсивности. На рисунках 8 и 9 показаны загруженные

Рис. 5. Рост призменной прочности в зависимости от возраста бетона

призмы и уровни нагружения. Перед испытаниями образцы парафинировали. Для определения относительных деформаций усадки и последующего выделения их из общих деформаций устанавливались по два образца-близнеца каждого возраста. Они подготавливались одновременно с установкой образцов под длительную нагрузку, одинаково оборудовались измерительными приборами, находились в том же помещении, деформации замерялись в одно время. График изменения средних относительных деформаций усадки образцов в 28 суток представлен на рисунке 10.

По данным, полученным в ходе испытания, строились графики изменения средних относительных деформаций ползучести. По ним, исходя из уровня нагрузки, были составлены диаграммы изменения мер ползучести образцов, загруженных в различном возрасте. В соответствии с методикой [1] определялись предельные меры ползучести (табл. 4). График изменения мер ползучести в зависимости от времени показан на рисунке 11.

Аппроксимация проводилась по формуле (5), позволяющей описать изменение предельных мер ползучести сверхвысокопрочного сталефибробетона в зависимости от возраста бетона при любом уровне нагрузки:

48 С 46

44

ш

42

С 40

I»

р:

* 36 § и 2

32

30

- - - * -

° -

/ — «

- — - чипа ІІМЄІІТ.ПІ.ІП.ІС ллюа.іе

Г

1

По формуле

100 150 200

Возраст, сутки

300

Рис. 6. Рост модуля упругости в зависимости от возраста бетона

160

140

120

сс р;

2 100 а § 80

§60

ЕС

40 20

^ А ♦

и »

- *

м и ♦  д Эорэтсц 1 )орлг)сц 2 Л'»р;псцЗ 'сор СП 14 с і'каякріїв

1 * р«

р* * * 1Н

* м

50 100 150 200 250 300

Относительные деформащпі С6.х10'5

350

400

Рис. 7. Экспериментальные и теоретические диаграммы сжатия бетона в возрасте 28 суток

22

t-28 t + 1

-1.5

C(tj, oo, г) = C{r¡, oo,28)- 1 +

DD + ti

где C(i7, oo,28) - предельные деформации ползучести сталефибробетона, загруженного в 28 суток; В - класс бетона, в данном случае равный 12G.

Теоретическое описание полученных диаграмм изменения мер линейной ползучести во времени проводилось по двум методикам. Имеются в виду:

1) усовершенствованный метод В.М.Бондаренко и

Н.И.Карпенко [7]:

Рис. 8. Образец, установленный на длительное сжатие уровнем нагрузки 0,3 Rb

Рис. 9. Образец, установленный на длительное сжатие уровнем нагрузки 0,6 Rb

Рис. 10. Средние продольные деформации усадки сталефибробетонных образцов, наблюдаемые с возраста 28 суток

110 1 2013

Предельная мера полтучести.х10'5, МПа-1

где С, (•(, (, г) - мера ползучести в момент времени Ь;

•О 0 т) - предельная мера ползучести при Ь ^-да;

(7) С0 (77 , с, г ( - дефицит меры ползучести;

~ т

( = — - относительное время нагружения;

а, т, 5 - эмпирические параметры, зависящие от времени и уровня нагружения;

3.5

3.5

ó

* ,

0 -

1

Ü 1.5 с*

1-1 O.iRb | 1

—O.íRb 4>

'S 0.5

0.5  ----Тсорсшчсскля кривая

О-------1-----1-----1----------------1--1-----1------1-----1------* 0

о ю :о зо 40 50 «о то во »о 100

Возраст нагружении. сутки

Рис. 11. Изменение предельных мер ползучести Рис. 12. Изменение меры ползучести образцов,

в зависимости от времени и уровня нагружения загруженных в возрасте 7 суток

Таблица 4. Предельные меры ползучести образцов, загруженных в различном возрасте

Показатель 7 суток 14 суток 28 суток 90 суток

0,3R, ’ b 0,6R, ’ b 0,3R, ’ b 0,6R, ’ b 0,3R, ’ b 0,6R, ’ b 0,3R, ’ b 0,6R, ’ b

e , х 10'5 n.ripeo 77 218 81 200 73 193 68 179

С(ж,і) х 10'5, МПа'1 2,33 3,3 2,25 2,78 1,87 2,47 1,62 2,13

Таблица 5. Значения эмпирических коэффициентов для метода В.М.Бондаренко и Н.И.Карпенко

Возраст, сут. s a m

0,3Rb 0,6Rb 0,3Rb 0,6Rb 0,3 Rb 0,6Rb

7 3,3 3,9 3,0 5,3 9,46 10,04

14 3,2 3,8 5,8 7,1 9,2 10,1

28 4,8 6,4 5,4 5,5 8,8 9,9

90 6,1 7,4 7,3 7,3 6,7 8

Таблица 6. Значения эмпирических коэффициентов для метода И.Е.Прокоповича и М.М.Заставы

Возраст, сут. D B=1-D a d Vi

7 0,476 0,524 0,45 0,537 0,01

14 0,335 0,665 0,525 0,582 0,01

28 0,387 0,613 0,525 0,800 0,01

90 0,290 0,710 0,595 2,350 0,01

О 50 100 150 :00 750

Время наолюдеии. сутки

C0{t},í,t)= Cq{tj, ОС, r)-

\ + a

m — \

S +

\m—1

2) метод И.Е.Прокоповича и М.М.Заставы [5]:

С0

где П(*0) = 0,5 + ^-е("2г1'о);

г 1.5

^0.5

**•*

1 - 4н - т~

Экспф!  Зкспері Теорепг Теорепг мснглльныс д.інньіс О.ЗКЬ мснычьмыс д.«нныс 0.6Ш> ческая кривая

и(

f (0 , 0) )=1 -£) • е1-1 1 _<о 1 -В-е~п 1 ( 1 _0) 1 , где й,а4,у - эмпирические параметры, подбираемые на основании экспериментальных данных.

Для каждого метода были подобраны значения эмпирических коэффициентов, с помощью которых можно с большой точностью описать экспериментальные диаграммы изменения меры ползучести во времени для сталефибробетонных образцов, загруженных в разном возрасте и при низком уровне напряжений. Характер экспериментальных и теоретических диаграмм представлен на рисунках 12-15. Значения коэффициентов приведены в таблицах 5 и 6.

На рисунках 16-18 показана зависимость коэффициентов

э, а, т как от возраста загружения, так и от уровня приложенной нагрузки.

100 150 200

Время наблюдения, сутки

250

Рис. 13. Изменение меры ползучести образцов, загруженных в возрасте 14 суток

100 150

Время наблюдемія, сутки

250

Б и

У.

о

В 1 5

§*

§

« 0.5

_ щЛ

* £

/ / /ж * *  Экспер  Экстр Тсорсп Тсорсп иментальные да іментаїьньїсд.и ие<кая кривая < ічсская кривая ( нные 0,3КЬ чные 0.6Ю> 1) :>

50

100 150

Время наблюдения, сутки

250

Рис. 15. Изменение меры ползучести образцов, загруженных в возрасте 90 суток

8

гя

яЗ 7

к

1) 6

1

5

ж,

1 4

-2

си 3

я

о 2

я к 1

:о

0

——0,6 яь

ю

20

30 40 50 60 70

Возраст нагружения!, сутки

80

90

100

Рис. 16. Изменение коэффициента 5

к

5

Рис. 14. Изменение меры ползучести образцов, загруженных в возрасте 28 суток

1

і /V

у

/

—0.3КІ ь

—О.бЯЬ

60

Возраст нагружения I, сутки

Рис. 17. Изменение коэффициента а

Рис. 18. Изменение коэффициента т

Таким образом, в результате испытаний сталефибробетонных образцов были получены высокие значения призменной и кубиковой прочности, модуля упругости и коэффициента поперечной деформации. Построены графики их изменения во времени и определены зависимости для их теоретического описания. Было выяснено, что диаграмма сжатия сталефибро-бетона сохраняет линейность до довольно высокого уровня напряжений. Несмотря на это, существующие методики теоретического построения такого рода диаграмм позволяют достаточно точно описать их вид при использовании исходных данных, близких к экспериментальным.

В ходе проведения длительных испытаний были построены графики изменения мер ползучести во времени для сталефибробетонных образцов, загруженных в разном возрасте разного уровня нагрузкой. Предложены значения эмпирических коэффициентов, позволяющих применять существующие методы описания мер простой ползучести для высокопрочного сталефибробетона.

Литература

1. ГОСТ 24544-81. Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести.

2. ГОСТ 24452-80. Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона.

3. Безгодов И.М., АндриановА.А. Некоторые особенности исследования высокопрочных бетонов //Сборник трудов II Всероссийской конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - пути развития». М.: НИИЖБ, 2005. Т.2. С. 342 - 346.

4. Мишина А.В., Андрианов А.А. Работа высокопрочного сталефибробетона при кратковременном загружении // Фундаментальные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2011 году. Т. 2.С. 76-78.

5. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. М.: Стройиздат, 1996.

6. Карпенко С.Н. О построении связей между приращениями напряжений и деформаций на основе различных диаграмм // Вестник гражданских инженеров - СПбТАСУ. 2010. №1.

7. Бондаренко В.М., Карпенко Н.И. Уровень напряженного состояния как фактор структурных изменений и реологического силового сопротивления бетона // Academia. 2007. № 4.

Literatura

1. GOST 24544-81. Betony. Metody opredeleniya deformatsij usadki i polzuchesti.

2. GOST 24452-80. Betony. Metody opredeleniya prizmennoj prochnosti, modulya uprugosti i koeffitsienta Puassona.

3. Bezgodov I.M., Andrianov A.A. Nekotorye osobennosti issledovaniya vysokoprochnyh betonov //Sbornik trudov II Vse-rossijskoj konferentsii po betonu i zhelezobetonu «Beton i zhe-lezobeton - puti razvitiya». M.: NIIZhB, 2005. T.2. S. 342 - 346.

4. Mishina A.V., Andrianov A.A. Rabota vysokoprochnogo stalefibrobetona pri kratkovremennom zagruzhenii // Funda-mentalnye issledovaniya RAASN po nauchnomu obespecheniyu razvitiya arhitektury, gradostroitelstva i stroitelnoj otrasli Ros-sijskoj Federatsii v 2011 godu. T. 2. S. 76-78.

5. Karpenko N.I. Obschie modeli mehaniki zhelezobetona. M.: Strojizdat, 1996.

6. Karpenko S.N. 0 postroyenii svyazej mezhdu prirasche-niyami napryazhenij i deformatsij na osnove razlichnyh diagramm // Vestnik grazhdanskih inzhenerov - SPbTASU. 2010. №1.

7. Bondarenko V.M., Karpenko N.I. Uroven napryazhennogo sostoyaniya kak faktor strukturnyh izmenenij i reologicheskogo silovogo soprotivleniya betona // Academia. 2007. № 4.

The Research of Physical, Mechanical and Rheologi-

cal Properties of High Strength Steel Fiber Reinforced

Concrete. By N.I.Karpenko, V.I.Travush, S.S.Kaprielov,

A.V.Mishina, A.A.Andrianov, I.M.Bezgodov

This article gives an account of short-term and long term high performance steel fiber reinforced concrete tests at different age. The basic physical, mechanical and rheological characteristics of steel fiber reinforced concrete obtained, diagrams of its change in time drawn, and also the formulas and coefficients for its theoretical description suggested.

Ключевые слова: высокопрочный сталефибробетон, прочность, деформации, ползучесть, мера ползучести.

Key words: high performance steel fiber, reinforced concrete, strength, strain, creep, specific creep.