автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему: Сталефибробетон с заданными свойствами и строительные конструкции на его основе

Автореферат диссертации по теме "Сталефибробетон с заданными свойствами и строительные конструкции на его основе"

0050601 ^ На правах рукописи

ТАЛАНТОВА Клара Васильевна

СТАЛЕФИБРОБЕТОН С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ НА ЕГО ОСНОВЕ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова»

Научный консультант: заслуженный строитель РФ,

член - корр. РААСН, д-р т.н., профессор Маилян Левон Рафаэлович

Официальные оппоненты: Меркулов Сергей Иванович

член - корр. РААСН, д-р т.н., профессор, Курский государственный университет, заведующий кафедрой «ПГС»

Пересыпкин Евгений Николаевич, д-р т.н., профессор, Сочинский государственный университет, профессор кафедры «СК»

Беккиев Мухтар Юсубович, д-р т.н., профессор, Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия, профессор кафедры «СК»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «27» мая 2013 года в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «23» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Стратегия научно-технического развития строительного комплекса России на период до 2020 года состоит, кроме прочего, «. в освоении выпуска нового поколения высококачественных строительных материалов и изделий, в том числе композитных».

Отечественные и зарубежные исследования показали, что получаемый введением в бетон стальных фибр новый композиционный материал - сталефибробетон - не только обладает характеристиками, превышающими параметры исходного бетона, но и дает возможность создания строительных конструкций с заранее заданными свойствами.

Анализ показал, что в сталефибробетоне заложены значительные резервы регулирования свойств, а также создания новых строительных конструкций и технологий, которые успешно конкурируют с существующими конструктивными и технологическими решениями. Очевидно, что назрела необходимость в разработке нового единого и комплексного научного подхода к созданию как материала - стале-фибробетона, так и конструкций на его основе - сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных, с заранее заданными свойствами и возможностью их системного регулирования.

Решение этой проблемы можно рассматривать как важное научное направление в развитии теории и практики строительных конструкций. В связи с этим, тема диссертационной работы представляется актуальной и важной.

В представленной диссертации разработаны технические и технологические решения, внедрение которых вносит вклад в развитие экономики страны.

Цель и задачи исследований:

- проанализировать современное состояние проблемы, существующие теоретические и экспериментальные исследования, выявить отсутствие и наметить пути разработки системного подхода к созданию сталефибробетона с заранее заданными свойствами и строительных конструкций с заранее заданными параметрами на его основе;

- разработать новый единый системный и комплексный научный подход к созданию сталефибробетона, а таюке сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций с заранее заданными свойствами и параметрами соответственно;

- в рамках научного подхода разработать и предложить систему методик и способов управления характеристиками материалов и параметрами конструкций, обеспечивающую требования норм по первой и второй группам предельных состояний при рациональном расходе материалов;

- провести широкомасштабные экспериментальные исследования лабораторных и натурных образцов сталефибробетона, сталефибробе-тонных и сталефиброжелезобетонных конструкций с изменением в широком диапазоне большого количества варьируемых факторов;

- получить новые теоретические и экспериментальные, конструктивные, технологические и практические результаты, подтверждающие достоверность разработанного научного подхода и предложенной системы методик и способов;

- на основе разработанного научного подхода создать новые ста-лефибробетонные и сталефиброжелезобетонные конструкции с заданными свойствами;

- внедрить результаты теоретических, экспериментальных и практических исследований по созданию сталефибробетона, сталефибро-бетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций с заранее заданными свойствами в различные области строительства, в нормативные и инструктивные документы.

Объект и предмет исследования. Сталефибробетон с заранее заданными свойствами, сталефибробетонные и сталефиброжелезобетонные конструкции с заранее заданными параметрами.

Методы проведения исследований: теоретические, экспериментальные и численные, на лабораторных и натурных образцах, с использованием методов математического и физического моделирования, методов математической статистики, анализа размерностей.

Обработка данных и их численный анализ осуществлялись с помощью математических пакетов Maple, MathCAD, Excel программного вычислительного комплекса SCAD и т.п., а также оригинальных программных модулей, разработанных автором.

Экспериментальные исследования проводились на лабораторных образцах и натурных конструкциях на испытательной и инструментальной базе ФГБОУ ВПО АлтГТУ им. И.И. Ползунова, ГУП «Алтай-автодор», Новоалтайского завода ЖБИ им. Г.С. Иванова, Барнаульского ЮКБИ - 2.

- разработан научный подход к созданию сталефибробетона с заранее заданными свойствами, а также сталефибробетонных и стале-фиброжелезобетонных конструкций с заранее заданными параметрами на основе единого системного комплексного итерационного процесса проектирования сначала материала - на основании из представлений о НДС конструкции, затем конструкции - исходя из свойств уже запроектированного материала, на каждом шаге расчета проверяя соответствие одного другому и заканчивая расчет при получении заданной сходимости, в рамках которого:

- предложена оригинальная методика подготовки исходных данных, позволяющая определить область рационального фибрового армирования, обеспечивающую заданную прочность материала и конструкции при минимальном расходе фибры;

- введен критерий приведенного коэффициента рациональности сечения кгеа, позволяющий выбрать форму сечения, соответствующую минимальному весу элемента при обеспечении заданных свойств материала и конструкции;

- разработан способ управления характеристиками межфазного слоя «стальная фибра - бетонная матрица», позволяющий регулировать свойства материала на физико-химическом уровне и обеспечивать заданные свойства элемента материала и конструкции.

- определены коэффициенты надежности по сталефибробетону 7й>; У А*, УйЬ, УйЛБЬ;

- выявлены области целесообразного использования четырех основных типов фибр из предлагаемых на российском рынке;

- доказано, что сталефибробетон и конструкции на его основе обладают высокой атмосферной стойкостью в жестких климатических условиях, получены ее зависимости от длительности внешних воздействий; установлено, что в условиях жестких атмосферных воздействий прирост прочности во времени 1. 15лет достигает 20.. .200%;

- разработаны и предложены новые сталефибробетонные и ста-лефиброжелезобетонные конструкции с заданными свойствами.

- разработана и прошла экспериментальную проверку оригинальная методика подготовки исходных данных, позволяющая определить область рационального фибрового армирования, обеспечивающую за-

данную прочность материала и конструкции при минимальном расходе фибры;

- разработаны, согласованы с Минавтодором РСФСР и опубликованы «Рекомендации по применению сталефибробетона в конструкциях дорожных одежд и мостов» (Барнаул, 1988. - 47с.);

- разработаны и зарегистрированы в установленном порядке ТУ 5751-001-01505908-97 «Смеси сталефибробетонные для промышленного, гражданского и дорожного строительства» и ТУ 7399-01331480175-98 «Дверь хранилища ценностей ДХЦ-8»;

- разработаны, изготовлены и сертифицированы двери бронированные кладовых хранения ценностей 8Ш класса устойчивости к взлому (Бийск, совместно с ЗЗП);

- разработаны и отлажены технологические участки, оснащенные специальным оборудованием и приспособлениями по производству тонкостенных водоотводных СФБ лотков (Новоалтайский завод мостовых конструкций ГУП «Алтайавтодор») и СФБ контейнеров для длительного хранения и захоронения токсичных промышленных отходов (Новоалтайский завод ЖБИ);

- разработан, отлажен и прошел производственные испытания бункер - питатель вибрационный стальной фибры 47.М027.00.000.РЭ;

- в рамках производственной апробации нового научного подхода разработаны новые сталефибробетонные и сталефиброжелезобетон-ные конструкции, обладающие высокими технико-экономическими показателями: сталефиброжелезобетонная тонкостенная оболочка покрытия (со сниженным в 5,4раза весом и сокращением расхода стали более чем в 2 раза); сталефибробетонная стяжка пола (объекты

000 «СпецСтройТехнологии» с экономическим эффектом

1 млн 224 тыс. руб.); сталефибробетонный тонкостенный водоотводной лоток (экономический эффект в ценах 1982 г. 30 тыс. руб.); ста-лефибробетонное основание дороги II категории (экономический эффект в ценах 1981 г. 145 тыс. руб.);

- НИР о применении СФБ в дорожном строительстве включена в раздел важнейших тематик СоюздорНИИ, отраслевую программу Госстроя СССР 0.55.16.0.34 «Разработать и внедрить эффективные конструкции из фибробетона»;

- материалы исследований внедрены в учебный процесс в курсах «Железобетонные и каменные конструкции» студентам специально-

стей ПГС, ПЗ, ЭУН и при выполнении курсовых, дипломных и научных проектов студентов.

Основные положения, выносимые на защиту.

- новый научный подход создания сталефибробетона и конструкций на его основе с заданными свойствами на основе единого системного комплексного итерационного процесса проектирования материала - сталефибробетона и конструкций на его основе;

- результаты широкомасштабных экспериментальных исследований свойств сталефибробетона;

- практические рекомендации создания конструкций на основе сталефибробетона с заданными свойствами (классификация сталефибробетона по прочности, оригинальная методика подготовки исходных данных при проектировании в соответствии с НДС элемента), предложения по технологии производства сталефибробетонных и ста-лефиброжелезобетонных конструкций;

- новые сталефибробетонные и сталефиброжелезобетонные конструкции с заданными свойствами различного назначения, обладающие показателями и параметрами, превосходящими типовые аналоги.

Достоверность полученных результатов подтверждается'.

- использованием современных методов исследований, лицензионных программных средств и электронных приборов, поверенных приборов и оборудования в сертифицированных лабораториях;

- оценкой надежности результатов вероятностно-статистическими методами, хорошей сходимостью результатов расчетов и экспериментальных данных автора и большого числа других исследователей.

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнялась автором самостоятельно на кафедре «Строительные конструкции»

Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова с 1979 по 2012 г.

Апробация результатов исследований. Материалы исследований представлены и обсуждены на конференциях: «Общества железо-бетонщиков Сибири и Урала» (Новосибирск, 1993. 2008); 12th international conference on composite materials ICCM-12 (Paris,1999); «Архитектура и строительство» (Томск, 2000). 13th international conference on composite materials. ICCM-13 (Beijing, 2001); международной научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике

структурно-неоднородных конденсированных сред. Композиционные и порошковые металлические материалы» (Барнаул,2001); «Бетон на рубеже третьего тысячелетия», 1-й Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона (Москва, 2001); Всероссийской научно-практической конференции «Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений на них», (Барнаул, 2001); международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», (Барнаул, 2001); научно-технической конференции «Наука, образование, технологии, рынок», секции «Проблемы развития теории сооружений и совершенствования строительных конструкций», (Томск, 2002); международной научно-практической конференции «Региональные аспекты обеспечения социальной безопасности населения юга Западной Сибири - проблемы защиты от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера», (Барнаул, 2003 . 2006); 2 Всероссийской (Международной) конференции по проблемам бетона и железобетона «Бетон на рубеже третьего тысячелетия», (Москва, 2005); 1 и 2 Всероссийской конференции «Проблемы оптимального проектирования сооружений», (Новосибирск, 2008, 2011); II Всероссийской конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли» (Новосибирск, 2009); международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании»; (Москва, 2011); международной конференции «Структурообразование, прочность и разрушение композиционных строительных материалов и конструкций», (Одесса, 2012); научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава АлтГТУ «Горизонты науки» (Барнаул, 1985 . 2012).

Результаты исследований обсуждались на совещаниях и семинарах в коллегии Госстроя СССР, коллегии Минавтодора РСФСР, НИИЖБ Госстроя СССР, СоюздорНИИ, ДИЛ МАДИ.

Разработанные конструкции на основе СФБ экспонировались на выставках: ВДНХ СССР и Алтайского края (1982-1984гг.); «Научно-технические разработки вузов России и предприятий Алтайского края» и «Жилище-95» (Барнаул, 1995); «Банк и офис» (Барнаул, 1996); «Строительство и благоустройство» (Барнаул, 1997); экономический форум «Восток-Сибирь-Запад» (Новосибирск, 1999); «Стройсиб 2000» и «Стройсиб 2001» (Новосибирск, 2000, 2001).

Публикации. По результатам исследований всего опубликовано 140 работ, из них 12 - в рекомендованных ВАК изданиях, получено 3 авторских свидетельств СССР, 3 патента РФ, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав, изложенных на 287 страницах, списка литературы, включающего в себя 385 наименований, в том числе 57 зарубежных, и 5 приложений в отдельном томе.

Во введении указаны цель работы, ее актуальность, научная новизна, практическая значимость, апробация, формулируются задачи, которые необходимо решить для достижения цели.

В первой главе рассматривается современное состояние проблемы расчета и конструирования строительных конструкций на основе сталефибробетона как композиционного материала, содержатся данные о стальной фибре, особенностях структуры и свойств СФБ, а также корреляционный анализ последних и его результаты. В ней содержится аналитический обзор существующих решений создания конструкций на основе СФБ.

Результаты исследований базируются на классических работах по созданию высокопрочных бетонов, с комплексом различных свойств, проведенных И.Н. Ахвердовым, Ю.М. Баженовым, В.Г. Батраковым, В.Б. Ратиновым и др. Базой для развития теории расчета СФБК, разработки СФБ конструкций стали основополагающие работы по теории железобетонных конструкций О.Я. Берга, В.М. Бондаренко, А.Б. Голышева, Н.И. Карпенко, В.И. Мурашева и более поздние исследования В.В Адищева, A.B. Забегаева, JI.P. Маиляна, В.М. Митасо-ва, Г.П. Яковленко и других ученых.

При разработке нового научного подхода к созданию сталефибробетона с заданными свойствами и конструкций на его основе использованы труды, посвященные исследованиям классических композиционных материалов.

Большой вклад в развитие науки о СФБ внесли ученые Австрии, Австралии, Бельгии, Германии, Голландии, Испании, Канады, Китая, Польши, США, Франции, Чехии, Швейцарии, Японии и других стран.

Сталефибробетон - композиционный материал из бетонной матрицы, армированной короткими стальными волокнами - фибрами

диаметром с1г = 0,25. 1,2 мм, с отношением длины к диаметру ^/(1,= 50. 120, объемным содержанием ^ = 0,5. 3%.

Выполненный нами корреляционный анализ результатов экспериментальных исследований свойств СФБ, полученных различными специалистами, показал, что для прочностных характеристик СФБ наиболее важным параметром является объемное содержание фибры и технологические параметры структуры материала, а размеры сечения, тип и состояние поверхности фибры - не столь важные факторы. Очевидно, что необходимы новые исследования, например, в части разработки метода определения минимального расхода фибры, обеспечивающего заданные свойства СФБ, и проверки влияния перечисленных факторов на свойства материала и конструкций.

В российских нормативных документах по СФБ не приводится указаний ни по подготовке исходных данных при проектировании и изготовлении СФБК и СФЖБК, ни в части выбора материалов и технологий, ни в вопросах их увязки с НДС конструкции.

На основании вышеизложенного целью настоящей диссертации является разработка нового единого системного и комплексного научного подхода к созданию сталефибробетона с заданными свойствами и строительных конструкций из него с заданными параметрами и его широкомасштабная экспериментальная проверка.

Во второй главе предлагается новый научный подход к созданию сталефибробетона и конструкций на его основе.

Вначале рассматриваются свойства СФБ, выявляются определяющие из них - степень равномерности распределения фибр в матрице, соотношение длины фибры к диаметру фибры 1г/с1г. По И.А.Лобанову и Е.В.Гулимовой это обеспечивает мелкопористую структуру СФБ с замкнутыми порами и капиллярами и повышенную сопротивляемость внешним воздействиям. Диаметр волокна ф должен быть соизмерим со структурными элементами композита - СФБ и крупностью заполнителя, а тип волокна - соответствовать выбору матрицы.

Характер разрушения СФБ существенно зависит от длины фибры, варьирование которой вплоть до критической 1с в бетонной матрице изменяет характер разрушения от вязкого до хрупкого. Для подавляющего большинства конструкций на основе СФБ требуется обеспечить вязкость при разрушении, что невозможно при 1Г > 1с. Применение традиционной технологии приготовления СФБ смеси обеспечива-

ется при длине фибр, ограниченной отношением = 100. Применение нетрадиционной технологии производства СФБК (СФЖБК) без предварительного приготовления СФБ смеси позволяет увеличить длину фибры вплоть до критической. Регулирование же сцепления фибры с матрицей позволяет изменять длину стальной фибры, управлять свойствами СФБ и обеспечивать заданные свойства материала и параметры СФБК (СФЖБК).

При разработке СФБ с заданными свойствами и конструкций на его основе перспективно регулирование свойств композита совмещением различных волокон - исследования В.А. Голанцева это показали при технико-экономическом обосновании его применения.

На уровень упругопрочностных свойств сталефибробетона как композитного материала влияют тип матрицы и волокна, объемное содержание компонентов, геометрические параметры волокон, распределение их по объему, уровень взаимодействия на границе «волокно — матрица».

Представим принципиальный алгоритм комплексного процесса получения СФБ с заданными свойствами и СФБК (СФЖБК) с заданными эксплуатационными характеристиками (рисунок 1).

Рисунок 1 - Принципиальный алгоритм получения сталефибробетона с заданными свойствами и конструкций на его основе с заданными эксплуатационными характеристиками

Как показал наш корреляционный анализ, а также результаты отечественных и зарубежных исследований, объемное содержание фибры в СФБ - важный параметр, определяющий его свойства. Это послу-

жило основанием для постановки и решения задачи оптимизации расхода фибры, не только в материале - СФБ, но и в конструкциях на его основе.

Задача оптимизации - определение минимального относительного коэффициента расхода фибры на растяжение kftt и сжатие kfl, при условии обеспечения равенства расчетного сопротивления СФБ на растяжение и сжатие максимальным значениям напряжений от нагрузок, соответственно R^, = crmt и R^ = сттс. Здесь crmt и <гтс - нормальные напряжения в опасных сечениях конструкции, полученные в результате статического расчета.

После преобразований формул из «Рекомендаций» с использованием зависимостей для определения относительного прироста прочности СФБ относительный коэффициент расхода фибры можно определить из зависимостей: