Определение физико-механических характеристик пенобетона для расчета пенобетонных конструкций

Научный электронный журнал КубГАУ . № 01(17), 2006

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕНОБЕТОНА ДЛЯ РАСЧЕТА ПЕНОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Кубанский государственный аграрный университет

В статье представлен метод определения физико-механических характеристик пенобетона, необходимых для расчета пенобетонных конструкций.

In the article the method of definition of physicomechanical characteristics of the foam concrete necessary for calculation of foam concrete designs is submitted.

При выборе строительных материалов для конструкций зданий и сооружений необходимо, с одной стороны, обеспечить заданную несущую способность, с другой стороны, теплоизоляционные характеристики конструкции должны быть достаточными для условий эксплуатации [1; 2].

Объектом испытаний были пенобетонные балочки стандартного размера 10х10х40 см [3; 4].

В состав пенобетонной смеси вошли следующие материалы:

Техническая пена готовилась с использованием лабораторного пеногенератора, обеспечивающего интенсивное воздухововлечение при постоянной аэрации всего рабочего объема пенообразователя, на основе пенообразователя СДО [7] и известкового молока, играющего роль стабилизатора технической пены, и вводилась в готовом виде в приготовленную пенобетонную смесь.

Для армирования применялся пространственный каркас, состоящий из продольной металлической арматуры периодического профиля АI 8 мм и поперечной проволочной арматуры ВI 3 мм, связанных между собой вязальной проволокой. Степень полного армирования сечения балочек – 2 %, армирования растянутой зоны сечения – 1 %.

Армирующий каркас и пенобетонная смесь укладывались в формы, где пенобетонная смесь твердела первые сутки, накрытая влажной тканью при температуре 20. Затем формы помещались в камеру нормального твердения и твердели в камере до истечения 28 суток со дня формования. Приготовление образцов с разными сочетаниями исследуемых параметров происходило с интервалом в одни сутки для удобства дальнейшего испытания.

Перед испытанием была определена средняя плотность образцов и сравнена с плотностью пенобетонной смеси (табл. 1).

Таблица 1 – Средняя плотность пенобетона до и после твердения

Исследования проводились с использованием метода полного факторного эксперимента (далее ПФЭ) типа , где n – количество исследуемых параметров (в данном опыте n=2) [8].

В качестве исследуемых технологических факторов были приняты следующие:

– средняя плотность пенобетонной смеси со средним уровнем 1650 и интервалом варьирования 150 ;

– площадь сечения арматуры в растянутой зоне образца со средним уровнем 0,505 и интервалом варьирования 0,505 .

В качестве отклика Y определялась прочность балочек на растяжение, вычисляемая по формуле:

где – прочность балочек на изгиб, полученная по формуле:

где – разрушающий изгибающий момент в поперечном сечении балочки, вычисляемый по формуле (3);

W – момент сопротивления поперечного сечения балочки.

l = 30 см – пролет балочки (расстояние между опорами) [3].

Условия планирования эксперимента приведены в таблице 2, а матрица планирования эксперимента и результаты испытаний пенобетона приведены в таблице 3.

Таблица 2 – Условия эксперимента

Таблица 3 – Матрица планирования и результаты эксперимента

Испытание образцов проводилось на лабораторном прессе (схема испытания представлена на рисунке 1).

Рисунок 1 – Схема испытания пенобетонных образцов

По экспериментальным значениям откликов были найдены коэффициенты уравнения регрессии, проверка которого на равноточность и адекватность позволила получить для прочности пенобетона на растяжение следующее уравнение регрессии:

На основе полученных данных построен график изменения отклика от двух исследуемых факторов. Величины откликов даны в виде линий равного уровня – изолиний (рис. 2).

Рисунок 2 – Изолинии зависимости прочности пенобетона на растяжение (МПа) от плотности пенобетонной смеси и площади сечения арматуры в растянутой зоне

Полученное уравнение регрессии показало, что в указанном диапазоне исследования армирование и плотность неоднозначно влияют на прочность пенобетона, причем при снижении плотности пенобетона эффект армирования снижается и, наоборот, при повышении плотности эффект армирования повышается.

Характер разрушения образцов показал, что при армировании разрушение происходит в значительной мере от смятия образцов в месте опоры, в то время как при испытании неармированного пенобетона разрушение происходит из-за разрыва в растянутой зоне образца (рис. 3, 4).

Рисунок 3 – Схема разрушения армированных образцов

Рисунок 4 – Схема разрушения неармированных образцов

Расчеты пенобетонных конструкций на прочность помимо расчетного сопротивления требуют также определения таких характеристик пенобетона, как модуль упругости, коэффициент Пуассона, модуль сдвига.

Определение модуля упругости пенобетона проводилось с использованием трех пенобетонных образцов размерами 10х10х30 см [1; 2; 9] и одного образца для определения разрушающей нагрузки.

В состав пенобетонной смеси вошли следующие материалы:

где – модуль упругости одного образца, вычисляемый по результатам испытаний по формуле (6);

где – нормальное напряжение при нагрузке, равной 0,1 ;

– нормальное напряжение при нагрузке, равной 0,5 ;

и – относительная продольная упругая деформация, возникающая сразу после приложения нагрузки, соответственно при и ;

– разрушающая нагрузка, определяемая при осевом сжатии одного (контрольного) образца.

Схема разрушения после определения показана на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема разрушения образца при осевом сжатии

В результате испытаний были получены следующие значения (табл. 4).

Таблица 4 – Результаты определения модуля упругости пенобетона

Испытание образцов проводилось на лабораторном прессе (рис. 6).

Рисунок 6 – Схема испытания пенобетонных образцов

Коэффициент Пуассона определяется с использованием трех пенобетонных образцов с размерами 10х10х30 см [1] и вычисляется по формуле:

– приращения относительных упругих поперечных деформаций при 0,3 ;

– приращения относительных упругих продольных деформаций при 0,3 .

Относительные упругие деформации определяются по формулам:

где – приращения полных относительных поперечных деформаций при 0,3 , замеренные в конце ступени приложения нагрузки;

– приращения полных относительных продольных деформаций при 0,3 , замеренные в конце ступени приложения нагрузки;

– приращения относительных поперечных деформаций быстронатекающей ползучести, полученные при выдержках нагрузки на ступенях нагружения до уровня 0,3 ;

– приращения относительных продольных деформаций быстронатекающей ползучести, полученные при выдержках нагрузки на ступенях нагружения до уровня 0,3 .

Подготовка эксперимента аналогична описанному выше, расчетная плотность пенобетонной смеси была принята равной 1800 .

Испытание образцов проводилось на лабораторном прессе (рис. 7) по стандартной методике [1].

Рисунок 7 – Схема испытания пенобетонных образцов

В результате испытаний были следующие значения (табл. 5).

Таблица 5 – Результаты определения коэффициента Пуассона

Модуль сдвига G пенобетона определяется по результатам предыдущих испытаний по формуле:

где Е = 9356,36 МПа – модуль упругости пенобетона;

1. Широкородюк, В. К. Оптимизация технологических параметров получения неавтоклавного пенобетона / В. К. Широкородюк, Е. А. Дмитриев, С. А. Абрамов // Проектирование, строительство и техническая эксплуатация зданий и сооружений агропромышленного комплекса Кубани. Труды. – Краснодар : КубГАУ, 1999. – Выпуск 369 (397). – С. 83–86.

2. Разработка технологии пенобетона с управляемой структурой с целью обеспечения энергосбережения при эксплуатации зданий и сооружений / В. К. Широкородюк, С. Ю. Орленко, С. А. Абрамов, Т. В. Широкородюк // Проектирование, строительство и техническая эксплуатация зданий и сооружений. Труды. – Краснодар : КубГАУ, 2002. – С. 80–84.

3. ГОСТ 10180–90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

4. ГОСТ 12852.0–77. Бетон ячеистый. Общие требования к методам испытаний.

5. ГОСТ 10178–85. Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия.

6. ГОСТ 9179–77. Известь строительная. Технические условия.

8. Методические рекомендации по планированию эксперимента в технологии стройматериалов. – Челябинск : УралНИИстромпроект, 1973.