CC BY
147
УДК 693.54 ББК 38.33 О-75
Мкртчян Аксель Мгерович, аспирант кафедры железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», тел.: 8(961) 3273232, e-mail: [email protected];
Аксенов Владимир Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», тел.: 8(918) 5004361, e-mail: aksenov. v. ncimail. ru;
Маилян Дмитрий Рафаэлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», тел.: 8(863) 2019031;
Блягоз Алик Моссович, кандидат технических наук, доцент кафедры строительных и общепрофессиональных дисциплин ФБГОУ ВПО «Майкопский государственный технологический университет», e-mail: [email protected];
Сморгунова Марина Васильевна, старший преподаватель кафедры строительных и общепрофессиональных дисциплин ФБГОУ ВПО «Майкопский государственный технологический университет».
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ СВОЙСТВ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БЕТОНОВ
(рецензирована)
В статье приводятся результаты выполненного авторами экспериментального исследования конструктивных свойств высокопрочных бетонов. Так, указаны основные прочностные и деформационные характеристики полученных бетонов классов В70...В110. Проведен анализ скорости твердения бетона, соотношения призменной и кубиковой прочности. Предложена новая зависимость для аналитического описания диаграммы деформирования «оъ-еъ» для высокопрочных бетонов, хорошо согласующаяся с экспериментальными данными.
Ключевые слова: высокопрочный бетон, физический эксперимент, характеристики бетона, коэффициент призменной прочности, скорость твердения бетона, диаграмма состояния бетона, зависимость напряжения-деформации в бетоне, предельные относительные деформации бетона.
Mkrtchyan Axel Mgerovich, post graduate student of the Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures, Rostov State University of Civil Engineering, tel.: 8-961-32732-32, e-mail: [email protected];
Aksenov Vladimir Nicholaevich, Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures, Rostov State University of Civil Engineering, tel.: 8-918-500-43-61, e-mail: aksenov. vn@mail. ru;
Mayilian Dmitry Rafaelovich, Doctor of Technical Sciences, professor, head of the Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures, Rostov State University of Civil Engineering, tel.: (863) 201-90-31;
Blyagoz Alec Mossovich, Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the Department of Construction and General Professional Disciplines, Maikop State Technological University, e-mail: [email protected];
Smorgunova Marina Vasiljevna, senior lecture of the Department of Construc-tion and General Professional Disciplines, Maikop State Technological University.
PECULIARITIES OF CONSTRUCTION PROPERTIES OF HIGH-STRENGTH CONCRETE
(reviewed)
The article presents the results of the experimental study of design features of high-strength concrete. The major strength and deformation characteristics of the concrete of B70 ... B110 classes have been given. The analysis of the rate of hardening of concrete, the ratio of prism and cube strength has been made. A new dependence for the analytical description of the deformation diagram «оъ-еъ» for high-strength concrete, which agrees well with the experimental data has been offered.
Keywords: high-strength concrete, physical experiment, characteristics of concrete, the coefficient ofprismatic strength, speed of concrete hardening, diagram of the concrete condition, stress-strain relationship of concrete, marginal relative deformations of the concrete.
Интенсивность развития высотного строительства ставит перед учеными новые задачи получения бетонов с повышенными прочностными свойствами. Использование таких бетонов приводит к сокращению размеров поперечных сечений, увеличению полезных площадей, снижению трудоемкости и стоимостью строительства. Вместе с тем внедрение высокопрочных бетонов осуществляется с осторожностью, так как их конструктивные свойства изучены далеко не в полной мере.
В связи с этим специалистами Ростовского государственного строитель-ного университета была поставлена задача изучить характеристики и свойства высокопрочных бетонов классов В70...В110, а также особенностей их работы, влияющие на прочность и деформативность железобетонных конструкций. В первой части исследований на центральное сжатие кратковременной нагрузкой были испытаны бетонные кубы с размерами грани 100 мм и 150 мм и призмы размером 100х100х400 мм и 150х150х600 мм. До момента испытания образцы хранились в климатической камере при относительной влажности воздуха 98% и температуре 20-25оС.
Для исследования были приняты составы бетонной смеси (табл. 1), обеспечивающие по расчету классы бетонов от В60 до В110. В качестве крупного заполнителя применялся базальтовый щебень ереванского месторождения фракции 5-20 мм, мелкий заполнитель - Тандзутский кварцевый песок с модулем крупности 3,1 [1, 2]. Для снижения в составе бетона количества пылевато-глинистых частиц заполнители были вымыты и высушены.
Таблица 1 - Составы высокопрочного бетона
Планируемый класс бетона Ед. измер. В60 В70 В80 В90 В100 В110
Цемент кг 722 830 853 830 830 860
Щебень 5-10 мм кг 538 443 443 443 443 443
Щебень 10-20 мм кг 999 824 824 824 824 824
Песок кг 308 240 210 240 240 240
Вода л 179 179 179 166 166 165
N200 л 7,2 4,3 4,0 6,64 7,1 8,3
В/Ц 0,25 0,23 0,21 0,2 0,2 0,19
Полученный фактический класс бетона В64 В72 В81 В87 В94 В109
В качестве вяжущего применялся бездобавочный портландцемент марки M5OO производства ЗАО «Мика-Цемент» (Mika-Cement, The Armenian Republic). Для обеспечения подвижности смеси при низком водоцементном отношении, использовался суперпластификатор Mapefluid N200 производства компании Mapei S.p.A., Italy в количестве от O,5 до 1,O % от массы цемента.
Для исследования скорости набора прочности высокопрочными бетонами и сопоставления этих данных с нормативными зависимостями, были проведены испытания с образцами в возрасте 7, 14, 28, 5O суток в соответствии с требованием ГОСТ 1O18O-9O и ГОСТ 181O5-2O1O. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Возраст, дни Класс бетона 7 14 28 50
В64 46 56 64 70
В72 51 62 72 77,5
В81 58 70 81 88
В87 62 75 87 95
В94 67 71 94 109
В109 77,5 94 109 120
На рис. 1 показана кинетика твердения бетонов различных классов, описанная стандартными зависимостями Российских норм (1) и рекомендаций европейского комитета по железобетону [3] (далее ЕКБ-ФИП) (2):
Яі= К28'^/^28 =0,691 К28-/^1, £>3;
/2І.
К,=Я28 ехр(к(1- I—)), ї>1
(1)
(2)
где Rt - кубиковая прочность бетона в возрасте 1 суток; R28 - то же в возрасте 28 суток.
Значение коэффициента к в формуле (2) определяет скорость набора прочности бетона. Для исследуемых бетонов к было определено путем подбора значения до максимального совпадения результатов вычислений по формуле (2) и данных эксперимента. Значения коэффициента к, полученные подбором, приведены во втором столбце табл. 3. Графики зависимости R(t) полученные по формулам (1) и (2) приведены на рис. 1.
Таблица 3 - Значения коэффициента к для формулы (2)
Класс бетона к экспериментальное к по формуле (3)
64 0,3210 0,3209
72 0,3249 0,3254
81 0,3300 0,3299
87 0,3329 0,3326
94 0,3360 0,3356
109 0,3410 0,3413
Рис. 1. Кинетика твердения высокопрочного бетона по формулам (1) и (2)
Сопоставляя экспериментальные данные с расчетными, стоит отметить, что скорость набора прочности исследуемым бетоном классов В70-В110 не соответствует логарифмической зависимости, описываемой уравнением (1), рекомендуемым в Российской литературе. Использование в формуле ЕКБ (2) коэффициентов к из табл. 3 дает полное соответствие экспериментальных и теоретических значений прочности бетона в различном возрасте.
Полученные значения величины к от 0,321 до 0,341 соответствуют медленнотвердеющим бетонам [4], что объясняется влиянием на кинетику прочности применяемого суперпластификатора - по данным производителя он оказывает легкое замедляющее действие.
Зависимость коэффициента к, приведенного в табл. 3 от класса бетона носит не линейный характер. Наиболее удобно зависимость к(В) описывается следующим выражением:
К = 0,0382-1пВ + 0,1621 , (3)
где В - класс бетона. На рис. 2 показано сравнение значений к, полученных подбором на основе данных эксперимента, и вычисленных по формуле (3). В табл. 3 приведены численные значения к для бетонов, полученных в эксперименте. Анализ графика на рис. 2 и данных табл. 3 показывает, что формула (3) для определения коэффициента к, учитывающего скорость набора прочности бетона в формуле (2.2), дает хорошую сходимость с данными эксперимента.
0,342
0,32 Н—|—|—|—|—|—|—|—'—I—]—I—I—I—I—|—I—I—г—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—1—I—I—|—I—I—I—I—|
60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 НО
Класс бетона, В
Рис. 2. Сравнение коэффициента к по формуле (3) и на основе данных эксперимента
Средняя плотность полученных бетонов колеблется от 2470 до 2680 кг/м . Среднее значение коэффициента поперечной деформации равно уь = 0,19. Полученные из различных смесей бетоны по результатам статистической обработки соответствуют классам по прочности на сжатие от В62 до В107. Их основные характеристики в возрасте более 28 сут. приведены в табл. 4.
Класс бетона И, МПа Яь, МПа И/ И Еь, ГПа 8ь0-1°5 К \ Ь
є Е ЄЬ0 ЕЬ
В62 63,5 50,1 0,788 34,0 208 0,708
В70 71,4 56,1 0,786 36,3 217 0,712
В81 84,7 66,2 0,782 38,7 224 0,764
В89 93,2 72,4 0,777 39,5 226 0,811
В96 97,6 75,1 0,769 42,4 245 0,723
В107 108,4 83,7 0,772 45,7 269 0,681
Одной из задач исследования являлось получение экспериментальной зависимости призменной прочности бетона от кубиковой. На рис. 3 в графическом виде показана эта зависимость Яь = ДЯ) для высокопрочных бетонов различных классов. Анализ данных показал, что коэффициент призменной прочности, определяемый как отношение призменной прочности бетона, Яь, к кубиковой, Я, для полученных высокопрочных бетонов не соответствует принятым в РФ и РА значениям (табл. 5). Так, зависимость Яь = ДЯ) не подчиняется соотношению
Яь= (0,77-0,00125-11)11. (4)
Кубиковая прочность к, МПа
Рис. 3. Зависимость призменной прочности от кубиковой
Таблица 5 - Соотношение призменной и кубковой прочности бетонов
Класс бетона Отношение ЯлрЖ Среднее отклонение экспе эиментальных данных от:
вычисленных по (4) вычисленных по (5)
эксперимент по (4) абсолютное относительное, % абсолютное относительное, %
В62 0,788 0,691 0,097 14,1 -0,0004 -0,001
В70 0,786 0,681 0,105 15,5 0,0005 0,001
В81 0,782 0,664 0,118 17,7 0,0013 0,002
В89 0,777 0,654 0,123 18,9 -0,0006 -0,001
В96 0,769 0,648 0,121 18,7 -0,0070 -0,009
В107 0,772 0,634 0,138 21,7 -0,0001 0,000
При этом экспериментальные значения коэффициента призменной прочности
0,769.. .0,788 (табл. 5) достаточно хорошо согласуются с предложенным О.Я. Бергом значением 0,783 для бетонов всех классов [5]. Максимальная разница составляет 1,8 % для бетона В96. Однако в эксперименте выявлена явная тенденция к снижению исследуемого коэффициента с ростом прочности бетона (рис. 2), поэтому принятие постоянного значения коэффициента призменной прочности для бетонов различных классов
проведенными экспериментами не подтверждено.
Среднее отклонение экспериментальных значений от нормативных данных по зависимости (4) в соответствии с табл. 5 составляет от 14 до 22%, причём отклонение увеличивается с ростом класса бетона. Из этого следует, что зависимость (4) не отражает особенностей высокопрочных бетонов и необходима ее корректировка. Нами предложен откорректированный вид стандартной зависимости Яь = Г(Я) (формула 5):
Яь =(0,77ф-0,00125К)Я, при R>60 МПа. (5)
где в = 1,123+0,00115(Я-60); Я>60 МПа.
Вычисленные по (5) значения призменной прочности практически совпадают с экспериментальными данными (табл. 5). На рис. 4 представлен график зависимости коэффициента призменной прочности от кубиковой прочности, Яь/Я = Д(Я), на основе данных эксперимента, а также полученный из формул (4) и (5) и по предложению О.Я. Берга. Как видно из рисунка, предложенная формула (5), в отличие от нормативной, даёт очень близкий результат с экспериментальными данными. Она учитывает снижение коэффициента призменной прочности с повышением класса бетона.
0,8 п : : : :
0,66
0,6' —■
о,б: I | I | I | I | I |
60 70 80 90 100 ПО
Прочность образца II,МПа
Рис. 4. Зависимость коэффициента призменной прочности от прочности образца:
1 - по данным эксперимента; 2 - по стандартной формуле (4);
3 - по предложенной авторами формуле (5); 4 - по предложению О.Я. Берга
Одной из задач исследования являлось получение экспериментальных данных, необходимых для построения диаграмм деформирования бетона в условиях центрального сжатия при кратковременном действии нагрузки с учетом нисходящей ветви. В реальных конструкциях нисходящая ветвь реализуется при работе поперечных сечений с градиентом деформаций по высоте сечения, например, во внецентренно сжатых колоннах или изгибаемых элементах. При этом дополнительные усилия, возникающие при разрушении наиболее нагруженных волокон, воспринимаются соседними, менее нагруженными, а также арматурными стержнями.
Экспериментальные диаграммы состояния бетона «аь-8ь» при сжатии от действия кратковременной нагрузки приведены на рис. 3. Деформации сжатия здесь и далее условно приняты положительными.
На представленных графиках следует заметить, что максимальная относительная деформация, вь0, соответствующая напряжению Яь, увеличивается с ростом прочности бетона. Несложно убедиться, что для исследуемых высокопрочных бетонов В70-В110 эта зависимость носит почти линейный характер. Для ее описания предлагается следующая формула:
вь0 = (1,62 Кь+127,33)-10 -5. (6)
Здесь Яь следует подставлять в МПа. 105
Рис. 5. Экспериментальные диаграммы «сь-вь» для высокопрочных бетонов
Вопросам аналитического описания диаграмм деформирования бетонов посвящено большое количество исследовательских работ как в нашей стране, так и за рубежом [6-9]. Исследователи предлагают новые зависимости или корректируют известные ранее. Из множества предложений в качестве основной диаграммы ЕКБ-ФИП назвал зависимость Сарджина [3], включенную также в европейские нормативные документы [10]. Зависимость имеет вид:
(7)
Ее применимость для бетонов средней прочности (В15...В60) подтверждена многочисленными опытами.
Данная зависимость хорошо описывает работу бетонов средней прочности, однако для высокопрочных бетонов она не подходит: построение диаграмм на основе (7) для исследуемых бетонов классов В70-В110 показало значительные расхождения теоретических кривых с данными эксперимента как в восходящей части диаграммы, так и в нисходящей (рис. 4).
'-•оо1лгчо>и)т1лг'.«ч-.ноо1лг\о'1и)т(\г'.ч-*ноо1лгч1а'1и)то'1г'.
оонммт^о^шгчгчсот^ои^мтд^^шш^оонО!
О О О О О О О ОООО ОООНН 1—1 1—1 1—1 1-1 ж-Н тН тН ¥—5 жН 1—1
Рис. 6. Диаграммы состояния бетона: экспериментальная, по предложенной формуле (8) и по формуле ЕКБ-ФИП (7)
Для более точного описания работы высокопрочных бетонов предлагается к использованию откорректированная авторами зависимость на основе формулы Сарджина, дающая хорошую сходимость с диаграммами, полученными по результатам эксперимента:
где ц = 8ь/вьо, г = (А-0,5)Я, Я - прочность бетонного образца, А - коэффициент упругости в вершине диаграммы, определяемый по формуле
^ ~ Е
или Д= „ .
АЬОСгЬ
где Е0 - модуль деформации бетона в вершине диаграммы, соответствующий тангенсу угла, а0, наклона секущей к кривой аь-вь в точке с относительными деформациями 8ь = 8ь0 (рис. 5). Графически Е0 = Яь/8ь0, Еь - начальный модуль упругости бетона, 8Ь0 рекомендуется определять по предложенной формуле (6).
Рис. 7. К определению Е0
График зависимости (8) построен на рис. 4. Из сопоставления кривых на указанном рисунке видно, что предлагаемая зависимость практически полностью совпадает с экспериментальной кривой в восходящей части, а также в нисходящей части до напряжений ab~0,3Rb.
Литература:
1. Ацагорцян З.А. Природные каменные материалы Армении. М.: Стройиздат, 1967. 470 с.
2. Материаловедение для строителей (руководство) / П.А.Тер-Петросян [и др.]. Ереван: Наири, 2005. 616 с.
3. Comite Euro-International du beton. CEB-FIP model code (Design code). Paris: Thomas Telford, 1990. 437 р.
4. Несветаев Г.В. Бетоны: учеб. пособие. Ростов н/Д: Феникс, 2011. 381 с.
5. Берг О.Я., Щербаков Е.Н., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон. М.: Стройиздат, 1971. 207 с.
6. Кургин К.В., Маилян Д.Р. О необходимости трансформации базовой аналитической зависимости «оь-Вь» бетона [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона. 2011. №4. URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/ n4y2011/712 (дата обращения: 20.07.2013).
7. Исследование работы сжатых железобетонных элементов из высоко-прочного
бетона / В.Н. Аксенов [и др.] // Новые технологии. 2012. Вып. 4. С. 32-35.
8. Metin Husem, Selim Pul. Investigation of stress-strain models for confined high strength concrete // Sadhana. 2007. Vol. 32, Part 3. Р. 243-252.
9. Cusson D., Paultre P. Stress-strain model for confined high-strength concrete // J. Struct. Eng. 1995. Vol. 121. Р. 468-477.
10. EN 1992 Eurocode 2: Design of concrete structures. Part 1: General rules and rules for buildings. Brussels: European Committee for Standardization, 2001. 52 р.
References:
1. Atsagortsyan Z.A. Natural stone materials of Armenia. M.: Stroyizdat, 1967. 470p.
2. Materials Science for Engineers (manual) / P.A.Ter -Petrosyan [and oth.]. Yerevan: Nairi, 2005. 616p.
3. Comite Euro-International du beton. CEB-FIP model code (Design code). Paris: Thomas Telford, 1990. 437p.
4. Nesvetaev G. V. Concrete: a training manual. Rostov n /D: Phoenix, 2011. 381 p.
5. Berg O. J., E.H. Shcherbakov, G.N. Pisanko. High-strength concrete. M.: Stroyizdat, 1971. 207p.
6. Kurgin K.V., Mayilian D.R On the need for transformation of the basic analytical corelation «obsb>> of concrete // Journal of Engineering of Don. 2011. №4 . URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/712 (date accessed 20/07/2013 ).
7. The study of compressed concrete elements of high-strength concrete / V.N. Aksenov // New Technologies, 2012. №4. P. 32 -35.
8. Metin Husem, Selim Pul. Investigation of stress-strain models for confined high strength concrete //Sadhana. 2007. Vol. 32, Part 3. Р. 243-252.
9. Cusson D., Paultre P. Stress-strain model for confined high-strength concrete // J. Struct. Eng. 1995. Vol. 121. Р. 468-477.
10. EN1992 Eurocode 2: Design of concrete structures. Part 1: General rules and rules for buildings. Brussels: European Committee for Standardization, 2001. 52 p.
