На правах рукописи

ПАРФЕНОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ Ударная выносливость бетонов на основе стальной и синтетической фибры 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Уфа 2004

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Бабков Вадим Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Попов Валерий Петрович кандидат технических наук Каримов Ильдар Шакирьянович

Ведущая организация: институт БашНИИстрой (г. Уфа)

Защита состоится л 2 июля 2004 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.02 в Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу:

450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан л 2004 г.

Учёный секретарь диссертационного совета О.Л. Денисов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Свайные фундаменты обладают высокой эффективностью по сравнению с другими типами фундаментов за счет их высокой эксплуатационной надежности, жесткости, более низкой материалоемкости, высокой индустриальности производства, возможности круглогодичного ведения работ.

Однако при использовании свайных фундаментов на основе забивных железобетонных свай не всегда удается обеспечить бездефектное погружение свай и избежать их потерь при забивке.

Характерным дефектом, возникающим при забивке свай, в особенности в тяжелых грунтовых условиях, является разрушение головы сваи, что вызывает необходимость производить срубку голов недобитых свай или забивать сваю - дублер. По данным Уфимского НИИпромстроя при строительстве отдельных объектов объем срубки голов свай и забитых свай - дублеров достигает 7-20% всего объема погружаемых свай.

Исследования НИИЖБа, БашНИИстроя (НИИпромстроя), ПГУПСа, Уфимского государственного нефтяного технического университета и ряда других организаций показали, что эффективным способом повышения динамической стойкости свай и снижения их потерь при забивке является применение ударостойких бетонов.

Существует несколько технологических путей решения данной задачи. Одним из них является повышение статической прочности бетона при изготовлении свай, и этот путь практикуется в ряде зарубежных стран. Он основан на использовании высокомарочных цементов, фракционированных заполнителей, суперпластификаторов. Другим направлением является технология модифицирования структуры бетона введением в бетонную смесь маложестких пористых дисперсных компонентов (демпфирующих добавок). Исследованию этого способа повышения ударной выносливости бетонов посвящены работы П.Г. Комохова, В.Н. Мохова, С.М. Капитонова, В.А. Якушина, И.Н. Некипелова, М.Б. Давлетшина и др. Однако названные бетоны обеспечивают относительно умеренное повышение ударной выносливости - до 2 Ц4 раз, что не является достаточным для свай, погружаемых в жесткие грунты, в особенности при применении трубчатых вибромолотов, создающих высокие динамические воздействия на железобетонную сваю.

Перспективным является использование в производстве железобетонных свай дисперсноармированного бетона (исследования Б.А. Крылова, И.А. Лобанова, Г.С. Родова, Г.Ф, Новожилова, В.С. Стерина), обладающего высокой ударостойкостью. Дисперсное армирование позволяет в значительной степени повысить всю совокупность физико-механических характеристик бетона, таких как статическая прочность, трещиностойкость, ударная стойкость.

Следует вместе с этим отметить, что вопросы сопротивляемости фибробетона ударным воздействиям все еще остаются малоисследованными.

Работы в этой области выполнены в основном на натурных конструкциях забивных железобетонных свай и не позволяют получить исходный обобщающий материал для разработки метода расчета свай на ударную выносливость.

Обоснованию критериев оценки ударной выносливости фибробетонов, углублению представлений о природе повышения ударной выносливости бетонов на основе металлической и синтетической фибры, количественным исследованиям повышения ударной выносливости фибробетонов посвящена настоящая работа.

Работа выполнена на кафедре Строительные конструкции Уфимского государственного нефтяного технического университета в соответствии с целевой комплексной программой ресурсо- и энергосбережения в строительном комплексе на 1996 - 2000 гг., программой Стройнаука - 2000, программами научного сопровождения возведения объектов на период 1999-2004 гг., принятыми Кабинетом Министров и Министерством строительства, архитектуры и дорожного комплекса Республики Башкортостан.

Цель работы состоит в обосновании критериев ударной выносливости бетонов и изучении роли дисперсного армирования в повышении ударной выносливости и статической прочности фибробетонов.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

1. Усовершенствовать методику испытаний бетона на ударную выносливость.

2. Предложить и обосновать критерии оценки ударной выносливости бетона.

3. Углубить представления о механизме динамического и статического упрочнения бетона за счет дисперсного армирования.

4. Провести экспериментальные исследования прочности и ударной выносливости фибробетонов на основе металлической и синтетической фибры.

5. Апробировать составы бетонов повышенной ударной выносливости на основе металлической и синтетической фибры в производстве забивных железобетонных свай.

Научная новизна Х Предложено обоснование механизма действия дисперсного армирования, обусловливающего повышение прочности на растяжение, трещиностойкости, ударной выносливости цементных бетонов.

Х Предложены критерии оценки ударной выносливости бетона, основанные на использовании соотношений параметров зависимости количества ударов до разрушения от относительного уровня динамического нагружения - коэффициентов динамического упрочнения и выносливости.

Х Получены количественные результаты по степени повышения ударной выносливости цементных бетонов при введении стальной и синтетической фибры и выявлены оптимальные значения ее объемной концентрации.

Практическое значение работы заключается в повышении ударной стойкости забивных железобетонных свай, что обеспечивает возможность их бездефектного погружения, позволяет снизить затраты на устройство свайных фундаментов за счет снижения трудозатрат на срубку, усиление разрушенных свай, расширяет область эффективного применения забивных свай для строительных площадок с осложненными геологическими условиями.

Разработаны производственные составы бетонов высокой ударной выносливости на основе дисперсного армирования голов свай стальной, стекловолоконной, полипропиленовой фиброй, грубым базальтовым волокном.

Реализация работы. В период с июня 2003 г. по июль 2003 г. с использованием дисперсноармированных бетонных смесей на основе стальной, стекловолоконной и полипропиленовой фибры в ЗАО Трест №26 были выпущены три опытно-промышленные партии забивных железобетонных свай марки СНТР 12-30.

Забивку свай повышенной ударной выносливости выполнял ЗАО Трест № 26 (2003 г.) на строительной площадке административно - коммерческого и торгового центра по адресу: г. Москва ул. Вешняковская вл. 18а.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях УГНТУ (г.Уфа, 19982003 гг.); научнотехнических семинарах при Международной специализированной выставке Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство (г.Уфа, 20002003 гг.), где отдельные результаты работы были отмечены дипломами; Международной научно-технической конференции Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций (г.Волгоград, 2000г.); областной научно-технической конференции Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды (г.Самара, 2001г.); 9-ой Сибирской конференции по железобетону (г.Новосибирск, 2002г.).

По результатам исследований опубликовано 14 статей и тезисов докладов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников, приложений.

Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, включает приложения, содержит 29 иллюстраций и 36 таблиц. Список использованных источников включает 150 наименований.

На защиту выносятся:

критерии оценки ударной выносливости бетона по результатам испытаний образцов-кубов на вертикальном динамическом копре;

результаты исследований по изучению влияния дисперсного фибрового армирования в составах цементных бетонов на их свойства и, в частности, прочность на сжатие, ударную выносливость;

результаты опытно-промышленной апробации предлагаемых технических решений в производстве забивных железобетонных свай.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель исследований, дана краткая характеристика выполненной работы.

В первом разделе представлен обзор опубликованных работ отечественных и зарубежных исследователей по причинам разрушения забивных железобетонных свай и вызванных этим потерь свайного железобетона.

Дан анализ существующих путей повышения ударной стойкости цементных бетонов, и, в частности, таких как повышение статической прочности бетона, введение в структуру бетона демпфирующих компонентов, армирование бетонов дисперсной фиброй.

Установлено, что по данным различных источников именно фибра является наиболее эффективным компонентом структуры бетона, способным существенно повысить его ударную стойкость, трещиностойкость при некотором увеличении прочности на сжатие. Сегодня фибра используется в бетонах для аэродромных покрытий, в конструктивных элементах мостовых пролетных строений, в тонкостенных оболочках разного назначения.

Производство фибробетонных водопропускных колец на основе стальной фибры организованно, в частности, на ЖЗБИ Башкиравтодора в г. Уфе.

Общеизвестны следующие аспекты связи дефектности структуры и влияния фибры в составе структуры бетона на его физико-механические характеристики:

1. Начальные дефекты в структуре бетона (особенно микротрещины) значительно больше влияют на динамическую, чем на статическую прочность бетона ввиду уменьшения возможностей перераспределения напряжений из-за запаздывания развития микропластических деформаций.

2. Главные достоинства фибробетона заключаются в повышенной сопротивляемости растяжению и высокой вязкости разрушения, поскольку фибра оказывают эффективное сопротивление раскрытию трещин не только вследствие сцепления (сопротивления в осевом для фибры направлении), но и благодаря сопротивлению в поперечном направлении.

3. С повышением объемной концентрации дисперсной фибры физико-механические характеристики фибробетона возрастают до определенного уровня армирования, после достижения которого имеет место снижение данных характеристик.

Отличительной особенностью ударных нагрузок является кратковременность их действия - 10-2 - 10-5 с. В целях упорядочения испытаний бетона ударной нагрузкой принято выделять обычные и высокоскоростные ударные воздействия. Действие обычных ударных нагрузок происходит за 10-2 - 10-3 с со скоростью до 5 м/с, что соответствует свободному падению груза с высоты 1 - 3 м. Скорость возрастания напряжений составляет при этом 102 - 103 МПа/с. Высокоскоростная ударная нагрузка действует в течение 10-4 - 10-5 с со скоростью 10-15 м/с и более. Напряжения в бетоне возрастают со скоростью свыше 105 МПа/с. В настоящей работе рассматривается ударное нагружение свободно падающим грузом, т.е. нагружение с обычными скоростями, соответствующими режиму забивки железобетонных свай в грунтовое основание стандартным сваебойным оборудованием.

Обобщая данные исследований по связи структуры и стойкости бетона при динамическом нагружении, можно выделить наиболее эффективный способ оптимизации структуры бетона, основанный на введении в бетонную смесь дисперсной фибры в количестве, соответствующем оптимальной концентрации. Известные работы в этом направлении свидетельствуют о его эффективности и имеющихся резервах повышения ударной выносливости бетонов, что обусловливает необходимость в углублении представлений о природе статического и динамического упрочнения при дисперсном армировании, в количественном изучении влияния дисперсного армирования на повышение ударной выносливости фибробетонов.

Во втором разделе рассмотрены общие принципы регулирования структурно-механической неоднородности материалов и установлено, что положительное влияние дисперсного армирования на структуру бетона и его физико-механические характеристики определяется следующими факторами:

на стадии структурообраз ования - перераспределением напряжений при пластической усадке от наиболее опасных зон на весь объем бетона;

при наг ружении - торможением роста трещин;

- снижением концентрации напряжений в окрестности макродефектов, выравниванием напряжений в структуре бетона и их перераспределением между составляющими бетона.

Природа статического и динамического упрочнения бетона при дисперсном армировании может быть проиллюстрирована схемами, приведенными на рис. 1.

Эффективность дисперсного армирования цементного камня и бетона при нагружении зависит от трех параметров дисперсного армирования:

а) Исходное состояние композиционной структуры бетона.

Бетон Фибробетон б) Развитие внутренних напряжений и дефектов на разделе цементный камень - заполнитель от усадки в цементной матрице и блокировка их действием фибры.

в) Реакция структуры бетона на приложение статической и динамической нагрузки.

Рис. 1. Схемы, иллюстрирующие влияние фибры на упрочнение бетона при статическом и динамическом нагружении.

прочности сцепления фибры с бетоном, длины фибры l (или отношения длины фибры к ее диаметру l/d), объемной концентрации фибры.

В механике композитов с дисперсным армированием при оценке влияния длины волокна (фибры) используется относительный параметр l/d, при этом считается, что наибольший армирующий эффект достигается при l/d 60Е100. При больших значениях этого параметра (больших длинах волокон) армирующий эффект ухудшается ввиду комкования волокон и ухудшении однородности структуры.