Деловая слава России


Новости


МЕЖОТРАСЛЕВОЙ АЛЬМАНАХ

Свежий номер альманаха, Архив номеров, Подписка на альманах, Реклама в альманахе, Контакты



РАЗВИТИЕ НАУКИ В РОССИИ



Опрос

Нужно ли стремиться вернуть в Россию учёных, уехавших жить и работать за границу?
Да, не стоит упускать умных и талантливых людей
Скорее да, но вряд ли наше государство сможет обеспечить им заграничный уровень жизни
Скорее нет, лучше обеспечить хорошие условия тем, что ещё не уехали
Нет, лучше вложить средства в воспитание и развитие молодых учёных
Другое








Деловая слава России » Наука » Композиционный бетон

Наука: Композиционный бетон - 27-05-2013, 11:32

Борис Владимирович ГУСЕВ

президент Российской инженерной академии, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Российской академии наук

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИЦИОННОГО БЕТОНА — ОСНОВНОГО КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

 

В настоящее время наиболее широкое распространение в строительстве получил бетон и железобетон, объемы использования которого в мире составляют 4 млрд. м3 в год. Этот материал является прежде всего конструкционным, и если его прочностные характеристики в 2000 году составляли 40–50 МПа, то уже в 2010 году они возросли до 80–100 МПа, а с развитием нанотехнологий достигнут к 2015 году 120–150 МПа.

 

Кроме того, этот материал используется как теплоизоляционный пенобетон с плотностью 500–800 кг/м3, прочностью до 1–3 МПа, и целесообразно повысить его прочность до 5 МПа. Такой высокий темп повышения прочности материала требует дальнейших физико-химических исследований по изучению влияния основных факторов на его прочностные свойства.

 

В настоящей статье рассмотрено влияние основных свойств исходных материалов на прочностные свойства тяжелого бетона, состоящего из смеси цемента, песка и воды (растворная составляющая — матрица) и плотного заполнителя различных фракций (щебня — включения). Для такого исследования можно применить методы теории подобия и анализа размерностей [1].

 

Рассмотрим зависимость прочности бетона (Rб) от влияния основных характеристик его состава: прочности (марки) матрицы, равной примерно Rм = 40 МПа; прочности гранитного щебня — включения (Rв = 250 МПа); прочности сцепления на границе матрицы и включения (Rсц = 25 МПа); прочности матрицы на растяжение Rрм = 4 МПа и влияние модулей упругости матрицы (Ем = 2 · 105 МПа) и включения (Ев = 6 · 105 МПа).

 

В самом общем виде можно представить зависимость прочности бетона от этих характеристик в следующем виде:

 

Rб = f (Rм, Rв, Rсц, Rрм, Ем, Ев) (1)

 

Согласно π-теории можно сформулировать четыре безразмерных комбинации:

 

 

 

 

 

и представить зависимость прочности бетона Rб от безразмерных колебаний в следующем виде:

 

 

 

 

 

Выполним анализ безразмерных комбинаций, исследуя численные значения технических свойств основных характеристик материалов в составе бетона, представленных выше.

 

Получим:

 

 

 

 

Можно получить зависимость прочности бетона (2) от зависимостей безразмерных параметров в виде степенного ряда, ограничиваясь его первыми членами:

 

 

 

 

В зависимости (3) наиболее значимым является четвертый параметр 0,3х4. Поэтому рассмотрим модель бетона, в котором заполнитель представлен в виде восьмигранников, равномерно распределенных в матричной части бетона. На образец такого композиционного материала действует равномерно распределенная сжимающая нагрузка q = 10 МПа (рис. 1). Используя метод решения задач методом механики сплошной среды, рассмотрим зависимость напряженно-деформированного состояния в бетонном образце. Для анализа напряженного состояния в составляющих от действия распределенной нагрузки используем метод конечных элементов, разбивая на треугольные элементы все поле модели. Нами предложено рассматривать нелинейную зависимость между напряжениями для различных составляющих бетонов и в целом для бетонных материалов. Для этих целей при использовании метода конечных элементов разработана и используется упрощенная методика учета итерационным методом нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями, которая имеет место в реальных материалах.

 

В расчетах, выполненных ниже, соотношение модулей упругости включения Ев и матрицы Ем варьировалось в пределах Ев/Ем = 0,5 – 0,9 и Ев/Ем = 2 – 4. Отношение объемов включений к общему объему бетона варьировалось в пределах от 0,35 до 0,45. Форму включений принимали круглой, многогранной и прямоугольной с различной ориентацией углов по отношению к направлению действия внешней нагрузки.

 

Из изученных в названных пределах трех структурных факторов наибольшее влияние на напряженно-деформированное состояние и предел прочности бетонов оказывает изменение соотношения модулей упругости в заполнителе и растворной составляющей (рис. 2).

 

Зоны концентрации напряжений и абсолютная величина последних существенно зависят от соотношения модулей упругости включения и матрицы. При соотношении модулей включения и матрицы Ев/Ем > 1 характер поля напряжений аналогичен представленному на рисунке 2а, при Ев/Ем < 1 — представлен на рисунке 2б. С изменением соотношения этих модулей упругости напряжении измеряются только по абсолютной величине. Особый интерес представляет концентрация растягивающих напряжений от соотношения модулей упругости: 1 — при Ев/Ем = 0,9 – 0,5; 2 — при Ев/Ем = 2 – 4, так как у бетонов и их составляющих предел прочности при растяжении на порядок ниже, чем при сжатии.

 

Коэффициенты концентрации напряжений η выражают отношение напряжений к интенсивности внешней сжимающей нагрузки q. Анализ представленных на рис. 3 зависимостей показывает, что на увеличение концентрации растягивающих напряжений наиболее существенно влияет изменение соотношения модулей упругости включения и матрицы Ев/Ем = 0,9 – 0,5. При этом максимальные растягивающие напряжения увеличиваются более чем в два раза.

 

Анализ результатов расчета моделей для тяжелых и легких бетонов позволяет определить следующие основные закономерности создания структуры с максимальным использованием прочностных свойств составляющих: для тяжелых бетонов рационально использовать составляющие с соотношением модулей упругости включения и матрицы Ев/Ем = 2 – 3, при большем соотношении модулей упругости концентрация наиболее опасных растягивающих напряжений значительно увеличивается.

 

Нерационально применять заполнители типа керамзита, модуль упругости которых составляет менее 0,7 модуля упругости растворной составляющей, так как при этом существенно увеличивается концентрация растягивающих напряжений.

 

Объемная концентрация и форма крупного заполнителя незначительно влияют на напряженно-деформированное состояние и предел прочности бетона, поэтому их можно выбирать в зависимости от экономической целесообразности.

 

Бетон, который состоит из различных по деформационным характеристикам составляющих, кроме того, имеет достаточно высокую пористость от 2 до 6%. Это приводит к тому, что при действии сжимающих нагрузок в таких материалах возникают растягивающие напряжения. В статье показано, что растягивающие напряжения в плоскости, перпендикулярной снижающей, могут составлять до 40% от величины нагрузки. В то же время известно, что в хрупких материалах, каким является бетон, предельные растягивающие напряжения составляют всего от 5 до 10% от сжимающих.

 

Поэтому в строительстве около 30% от всего количества бетона предварительно напрягают. На рисунке 4 представлена двухосноармированная пластина длиной 24 м и толщиной 5 см. Предварительное армирование вдоль и поперек пластины делают ее не только гибкой, но и обеспечивают повышение плотности самого бетона. Однако предварительное армирование с натяжением арматуры — достаточно сложная и дорогостоящая операция.

 

Другим известным примером повышения несущей способности конструкции является бетонирование в трубе. В этом случае труба воспринимает возникающие при вертикальной нагрузке внутренние растягивающие напряжения в бетоне, и растягивающие напряжения передаются и воспринимаются стенками трубы.

 

В работе профессора Самуэля Ина [3] показано, что весьма эффективно можно армировать бетон спиральной арматурой. При этом обеспечивается сжатое напряженное состояние в бетоне, и растягивающие напряжения могут разрушать только защитную часть конструкции до армирования, сохранив в рабочем состоянии саму конструкцию. На рис. 5 показано армирование колонны в виде спирали или нескольких спиралей в ее углах.

 

На рис. 5 представлены зависимости «напряжения — деформации» для различных видов армирования. Следует отметить, что на графике «напряжения — деформации» колонна со спиральным армированием длительно сохраняет свою несущую способность при дальнейшем развитии деформации. Следует подчеркнуть, что при соотношении Ем/Ев = 1 при действии сжимающей нагрузки напряженное состояние в образце будет однородным:

 

σх = 0 σу = 10 МПа.

 

Если в зависимости (2) принять:

 

 

 

 

 

то, учитывая эффект обоймы и синергетический эффект по зависимости (3), можно достичь теоретической прочности бетона более 250 МПа.

 

Академиком Российской академии наук Кабловым Е.Н. начаты работы по созданию конструкций из бетона с защитной оболочкой из композиционных материалов с различными видами волокон в полимерной матрице [4].

 

Таким образом, можно получить конструкции круглого сечения для колонн, свай, опускных колодцев, арок и других изделий с повышенной несущей способностью и долговечностью до 100–200 лет. Это одно из важнейших направлений применения в строительстве композиционных материалов на основе различных волокон и синтетических материалов.

 

Литература

 

1. Гусев Б.В., Зазимко В.Г. Вибрационная технология бетона. Киев: Будiвельник, 1991. 156 с.

 

2. Гусев Б.В. Прочность полидисперсного композиционного материала, типа бетона, и особенности напряженно-деформированного состояния такого материала при действии сжимающих нагрузок. М.: ЦИСН, 2003. 37 с.

 

3. Ин Самуэль Иен-Лянь. Экспериментальные исследования гибридного спирального армирования в прямоугольных колоннах // Промышленное и гражданское строительство. 2012. №12. С. 77–80.

 

4. Каблов Е.Н. Материалы — основа любого дела // Деловая Слава России. 2013. №40, С.4-9.

 

 

Другие новости по теме:


Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.


АКТУАЛЬНО

ПРИОРИТЕТНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУКИ


Календарь событий:

«    Март 2021    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 

Архив новостей:

Декабрь 2020 (2)
Ноябрь 2020 (1)
Сентябрь 2020 (1)
Август 2020 (2)
Июль 2020 (1)
Май 2020 (1)