Сталефибробетон c заданными свойствами и строительные конструкции на его основе

На правах рукописи

ТАЛАНТОВА Клара Васильевна СТАЛЕФИБРОБЕТОН C ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ НА ЕГО ОСНОВЕ 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ростов-на-Дону - 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова» Научный консультант заслуженный строитель РФ, член – корр. РААСН, д.т.н., профессор Маилян Левон Рафаэлович

Официальные оппоненты: Меркулов Сергей Иванович член – корр. РААСН, д.т.н., профессор, Курский государственный университет, Заведующий кафедрой «ПГС» Пересыпкин Евгений Николаевич, д.т.н., профессор, Сочинский государственный университет, профессор кафедры «СК» Беккиев Мухтар Юсубович, д.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 диссертацион ного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162,. главный корпус, ауд. 1021, тел/факс 8(863)20-19-101;

20-19-103;

E-mail [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государ ственного строительного университета.

Автореферат разослан «_» 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент А.В. Налимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Стратегия научно-технического раз вития строительного комплекса России на период до 2020 года состо ит, кроме прочего, «…в освоении выпуска нового поколения высоко качественных строительных материалов и изделий, в том числе ком позитных».

Отечественные и зарубежные исследования показали, что полу чаемый 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 строитель ных конструкций и технологий, которые успешно конкурируют с су ществующими 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 науч ное направление в развитии теории и практики строительных кон струкций. В связи с этим, тема диссертационной работы представля ется актуальной и важной.

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

Цель и задачи исследований:

- проанализировать современное состояние проблемы, существу ющие теоретические и экспериментальные исследования, выявить от сутствие 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 также сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций с заранее заданными свой ствами и параметрами соответственно;

- в рамках разработанного подхода разработать и предложить си стему методик и способов управления характеристиками материалов и параметрами конструкций, обеспечивающую требования норм по пер вой и второй группам предельных состояний при рациональном рас ходе 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, конструк тивные, технологические и практические результаты, подтверждаю щие достоверность разработанного научного подхода и предложенной системы методик и способов;

- на основе разработанного научного подхода разработать новые сталефибробетонные и сталефиброжелезобетонные конструкции с за данными свойствами;

- внедрить результаты теоретических, экспериментальных и прак тических исследований по созданию сталефибробетона, стале фибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций с заранее заданными свойствами в различные области строительства, в норма тивные и инструктивные документы.

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

Методы проведения исследований. Теоретические, эксперимен тальные и численные, на лабораторных и натурных образцах, с ис пользованием методов математического и физического моделирова ния, методов математической статистики, анализа размерностей, и др.

Обработка данных и их численный анализ осуществлялись с по мощью математических пакетов Maple, MathCAD, Excel программно го 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 инструмен тальной базе ФГБОУ ВПО АлтГТУ им. И.И. Ползунова, ГУП «Алтай автодор», Новоалтайского завода ЖБИ им. Г.С. Иванова, Барнауль ского КЖБИ - 2.

Научная новизна:

- разработан научный подход к созданию сталефибробетона с заранее заданными свойствами, а также сталефибробетонных и стале фиброжелезобетонных конструкций с заранее заданными параметра ми на основе единого системного комплексного итерационного про цесса проектирования сначала материала - исходя из представлений о НДС конструкции, затем конструкции – исходя из свойств уже запро ектированного материала, на каждом шаге расчета проверяя соответ ствие 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 кон струкции при минимальном расходе фибры;

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

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

- определены коэффициенты надежности по сталефибробетону fb;

fbt, ftb, fbtsh;

- 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 воздей ствий;

установлено, что в условиях жестких атмосферных воздей ствий прирост прочности во времени 1…15лет достигает 20…200%;

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

Практическая значимость:

- разработана и прошла экспериментальную проверку оригиналь ная методика подготовки исходных данных, позволяющая определить область рационального фибрового армирования, обеспечивающую за данную прочность материала и конструкции при минимальном расхо де фибры;

- разработаны, согласованы с Минавтодором РСФСР и опублико ваны «Рекомендации по применению сталефибробетона в конструк циях дорожных одежд и мостов» (Барнаул, 1988. – 47с);

- разработаны и зарегистрированы в установленном порядке ТУ 5751-001-01505908-97 «Смеси сталефибробетонные для промышлен ного, гражданского и дорожного строительства» и ТУ 7399-013 31480175-98 «Дверь хранилища ценностей ДХЦ-8»;

- разработаны, изготовлены и сертифицированы двери брониро ванные кладовых хранения ценностей 8го класса устойчивости к взло му (Бийск, совместно с ЗЗП);

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

- разработан, отлажен и прошел производственные испытания бункер – питатель вибрационный стальной фибры 47.МО27.00.000.РЭ;

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

сталефибробетонная стяжка пола (объекты ООО «СпецСтройТехнологии» с экономическим эффектом 1 млн. 224 тыс. рублей);

сталефибробетонный тонкостенный водоот водной лоток (экономический эффект в ценах 1982 г. 30 тыс. рублей);

сталефибробетонное основание дороги II категории (экономический эффект в ценах 1981 г. 145 тыс. рублей);

- 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 науч ных проектов студентов.

Основные положения, выносимые на защиту.

- новый научный подход создания сталефибробетона и конструк ций на его основе с заданными свойствами на основе единого систем ного комплексного итерационного процесса проектирования материа ла – сталефибробетона и конструкций на его основе;

- результаты широкомасштабных экспериментальных исследова ний свойств сталефибробетона;

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

- новые сталефибробетонные и сталефиброжелезобетонные кон струкции с заданными свойствами различного назначения, обладаю щие показателями и параметрами, превосходящими типовые аналоги.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

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

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

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнялась ав тором самостоятельно на кафедре «Строительные конструкции» Ал тайского государственного технического университета им. И.И. Пол зунова с 1979 по 2012 гг.

Апробация результатов исследований. Материалы исследова ний представлены и обсуждены на конференциях: «Общества железо бетонщиков Сибири и Урала» (Новосибирск, 1993…2008);

12th inter national conference on composite materials ICCM-12 (Paris,1999);

«Ар хитектура и строительство» (Томск, 2000). 13th international conference on composite materials. ICCM-13 (Beijing, 2001);

международной науч но-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 эф фективности строительства, реконструкции, содержания автомобиль ных дорог и искусственных сооружений на них», (Барнаул, 2001);

международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», (Барнаул, 2001);

науч но-технической конференции «Наука, образование, технологии, ры нок», секции «Проблемы развития теории сооружений и совершен ствования строительных конструкций», (Томск, 2002);

международ ной научно-практической конференции «Региональные аспекты обес печения социальной безопасности населения юга Западной Сибири – проблемы защиты от чрезвычайных ситуаций природного и техноген ного характера», (Барнаул, 2003 … 2006);

2-ой Всероссийской (Меж дународной) конференции по проблемам бетона и железобетона «Бе тон на рубеже третьего тысячелетия», (Москва, 2005);

1-ой и 2-ой Всероссийской конференции «Проблемы оптимального проектирова ния сооружений», (Новосибирск, 2008, 2011);

II Всероссийской кон ференции «Актуальные проблемы строительной отрасли» (Новоси бирск, 2009);

международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании»;

(Москва, 2011);

международной конференции «Структурообразова ние, прочность и разрушение композиционных строительных матери алов и конструкций», (Одесса, 2012);

научно-технической конферен ции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского соста ва АлтГТУ «Горизонты науки» (Барнаул, 1985 … 2012).

Результаты исследований обсуждались на совещаниях и семина рах 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 авторских свидетельств СССР, 3 патента РФ, 1 свидетельство о реги страции программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав, изложенных на 287 страницах, списка литературы, вклю чающего 385 наименований, в том числе 57 зарубежных, и 5-ти при ложений в отдельном томе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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, раз работки 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 ис следования В.В Адищева, А.В. Забегаева, Л.Р. Маиляна, В.М. Митасо ва, Г.П. Яковленко и других ученых.

При разработке нового научного подхода к созданию стале фибробетона с заданными свойствами и конструкций на его основе использованы работы, 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 мат рицы, армированной короткими стальными волокнами – фибрами диаметром df = 0,25…1,2 мм, с отношением длины к диаметру lf /df = 50…120, объемным содержанием fv = 0,5…3%.

Выполненный нами корреляционный анализ результатов экспери ментальных исследований свойств СФБ, полученных различными специалистами, показал, что для прочностных характеристик СФБ наиболее важным параметром является объемное содержание фибры fv и технологические параметры структуры материала, а размеры се чения, тип и состояние поверхности фибры – не столь важные факто ры. Очевидно, что необходимы новые исследования, например, в ча сти разработки метода определения минимального расхода фибры, обеспечивающего заданные свойства СФБ, и проверки влияния пере численных 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 диссертацион ной работы является разработка нового единого системного и ком плексного научного подхода к созданию сталефибробетона с задан ными 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 определяю щие из них - степень равномерности распределения фибр в матрице, соотношение длины фибры к диаметру фибры lf /df. 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 df должен быть соизмерим со структурными элементами композита – СФБ и крупностью запол нителя, а тип волокна – соответствовать выбору матрицы.

Характер разрушения СФБ существенно зависит от длины фибры, варьирование которой вплоть до критической lc в бетонной матрице изменяет характер разрушения от вязкого до хрупкого. Для подавля ющего большинства конструкций на основе СФБ требуется обеспе чить вязкость при разрушении, что невозможно при lf lc. Примене ние традиционной технологии приготовления СФБ смеси обеспечива ется при длине фибр, ограниченной отношением lf /df = 100. Примене ние 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, управ лять 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 совмеще нием различных волокон - исследования В.А. Голанцева это показали при технико-экономическом обосновании его применения.

На уровень упруго-прочностных 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 2.1).

Конструкция. Сечение.

Проектирование Технология НДС Характеристики СФБ Соответствие технологии Нет Да фибровому армированию 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 оте чественных и зарубежных исследований, объемное содержание фибры в СФБ - важный параметр, определяющий его свойства. Это послужи ло основанием для постановки и решения задачи оптимизации расхо да фибры, не только в материале – СФБ, но и в конструкциях на его основе.

Задача оптимизации - определение минимального относительного коэффициента расхода фибры на растяжение kfbt и сжатие kfb. при условии обеспечения равенства расчетного сопротивления СФБ на растяжение и сжатие максимальным значениям напряжений от нагру зок, соответственно Rfbt = mt и Rfb = mс. Здесь mt и mс – нормальные напряжения в опасных сечениях конструкции, полученные в результа те статического расчета.

После преобразований формул из «Рекомендаций» с использова нием зависимостей для определения относительного прироста проч ности СФБ относительный коэффициент расхода фибры можно опре делить из зависимостей:

2 lf 5,5R b k or 4 f lf на растяжение - при l fan k fbt (1) mt m R 0,08R b R fbt 2b mt 0,08R b m1 lf при l fan k fbt, (2) 2 lf k or R sf 1 5,5R b R fbt 4 f и на сжатие mc R b k fb k 2 f R sf R fb n, (3) где kfb и kfbt – минимальные относительные коэффициенты расхода фибры, кг/%;

Rfb и Rfbt относительные приросты прочности на сжатие и растяжение, %;

mc и mt – нормальные напряжения сжатия и растяжения в опасных сечениях конструкции, МПа.

Определение kfb и kfbt предлагается осуществлять с помощью раз работанного программного обеспечения (Свидетельство№ от 31.10.12) – с его помощью в результате оптимизационных расчетов определяются минимальные относительные коэффициенты расхода фибры kfbtmin, kfbmin и соответствующие им fv, df, lf/df, Rb, используемые при подготовке исходных данных при проектировании СФБК (СФЖБК).

Разработку новых конструкций на основе СФБ, выбор формы се чения или оценку известных предлагается выполнять с учетом приве денного коэффициента рациональности сечения Кred = Wred / Ared.

Здесь Wred – момент сопротивления;

Ared – площадь приведенного сечения. Для двутаврового сечения с одиночной регулярной армату рой эти формулы имеют следующий вид:

2 (J bc J fc1 J ft1 J so ) (4) Wred Sbt f f s hx A red A 1 A s.

(5) fa f s В формулах Ibc – момент инерции сжатой зоны бетона;

Ifc1, Ift1 – моменты инерции сжатой и растянутой фиброармированных полок;

Iso – момент инерции регулярной продольной арматуры отно сительно нейтральной оси, Sbt – статический момент растянутой зоны бетона. Коэффициенты приведения: для арматуры E s ;

для фиб s Eb ры. Коэффициент армирования по площади fa k fv.

Ef or f Eb Чем больше Кred, тем меньше сече ние конструкции, меньше ее вес и более рациональны форма сечения и парамет ры фибрового армирования. Сравни тельная оценка с помощью Кred должна производиться для элементов конструк ций разной формы, но имеющих одну расчетную схему. Рисунок 2 – Прочность Свойства СФБ существенно зависят сталефибробетона на растяжение при изгибе от состояния межфазного слоя «фибра – в зависимости от состояния матрица», что особенно важно для ком- поверхности фибр:

позитов на основе хрупких матриц. 1 – контрольные образцы с Прочность межфазного слоя зависит от df=0,3мм, lf=15 мм;

2 – то же, lf= 30 мм;

вида и свойств бетонной матрицы, со 3 – образцы с фиброй, стояния поверхности волокон, сродства покрытой 60%ПВБ+40%ПЦ, матрицы и волокна. lf =15мм;

4 – образцы В ЛенЗНИИЭП было разработано с фиброй, покрытой химически активное полимерцементное 60%ПВБ+40%ЖЦ, lf =15мм покрытие из 60% поливинилбутираля (ПВБ) и 40% портландцемента (ПЦ), которое защищает фибру от коррозии и повышает сцепление фибры с матрицей.

Предположение автора о повышении сцепления фибры с матрицей при введении в состав полимерцементного покрытия фибры бра унмиллеритового (железистого) цемента (ЖЦ) вместо ПЦ, было про верено экспериментально. Экспериментальные исследования показа ли, что покрытие с ПЦ увеличивает микротвердость межфазного слоя в 1,87 раза по сравнению с контрольным вариантом, а ЖЦ – почти в 3 раза. Лабораторные испытания СФБ с применением фибр с покры тием, содержащим ЖЦ, подтвердили принятое предположение (рису нок 2). Использование в полимерцементной композиции ЖЦ позволи ло повысить прочность СФБ на 57% при сокращении длины фибры вдвое - lf / df до 50. Использование ПЦ привело к повышению прочно сти СФБ на 30%. Разрушение контрольных образцов СФБ носило вяз кий характер, образцы же СФБ с покрытием фибры с ЖЦ разрушались хрупко. При этом наблюдался разрыв фибр, т.е. их полное использо вание (рисунок 3).

а) б) Рисунок 3 – Разрушение сталефибробетонного образца за счет разрыва фибр, покрытых 60%ПВБ + 40%ЖЦ, после испытания на растяжение при изгибе:

а) общий вид;

б) микрофотография оборванной фибры, покрытой 60%ПВБ + 40%ЖЦ (при 30-кратном увеличении) Полимерцементное покрытие, содержащее ПЦ, не привело к хруп кому разрушению, произошел разрыв не более 1520% фибр.

Изменяя свойства межфазного слоя «фибра – матрица», можно, в зависимости от назначения конструкции, регулировать прочностные и деформативные характеристики материала и обеспечивать заданные эксплуатационные свойства конструкций.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям свойств СФБ. Оценивались, прежде всего, свойства СФБ в зависимо сти от типа фибр, предлагаемых на российском рынке. Всего было из готовлено и испытано 15 серий образцов (1140шт.) с различным объ емным процентом армирования (fv = 1,0;

1,5;

2,0). Были определены сопротивления СФБ сжатию Rfbm, растяжению при изгибе Rftbm и рас тяжению при раскалывании Rfbtshm.

На основе статистической обработки экспериментальных данных были построены гистограммы эмпирических распределений прочно сти СФБ, которые позволили сделать вывод, что характер распределе ния для всех рассматриваемых случайных величин Rfbm, Rftbm, Rfbtshm подчиняется нормальному закону. Проверка по критерию 2 Пирсона подтвердила сделанный вывод (уровень значимости составил 0,01). На рисунке 4 приведены соответствующие кривые нормального распре деления прочности СФБ. Определение нормативных сопротивлений СФБ на сжатие выполнялось с обеспеченностью Р = 0,95, расчетных сопротивлений – с обеспеченностью Р = 0,99865 по формуле:

R fbn R fbm fb, (7) где – квантиль функции Лапласа;

( ) P 0,5 ;

Ф – табулированная функция Лапласа;

fb – среднеквадратическое отклонение параметра прочности СФБ на сжатие Rfb.

На основе результа 0, тов статистической обра нормального распределения, Pi Значения функции плотности ботки эксперименталь 0, ных данных были опре 0, делены коэффициенты надежности по стале 0, фибробетону на сжатие, растяжение при изгибе и 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 Среднее значение прочности сталефибробетона на сжатие Rfb, МПа при раскалывании в за Рисунок 4 – Кривые плотности вероятностей проч- висимости от типа рас ности сталефибробетона на сжатие (образцы – ку сматриваемых в пред бы 101010 см с µfv=2,0%) для фибр:

ставляемой работе фибр, листовой ;

фрезерованной ;

объемного процента ар токарной ;

проволочной мирования и геометрии сечения образца из соотношений Rfbn/Rfb=fb;

Rftbn/Rftb=ftb;

Rfbtshn /Rfbtsh = fbtsh (таблица 1).

Кроме того, с использованием коэффициента перехода, предложенным В.Б. Арончиком, определен коэффициент надежности на осевое растяжение fbt = 1,23.

Таблица 1 – Коэффициенты надежности по сталефибробетону в зависимости от типа фибр и напряженного состояния образца Тип фибры Напряженное состояние токарная проволочная листовая фрезерованная Сжатие, fb 1,15 1,14 1,16 1, Растяжение при изгибе, 1,17 1,15 1,12 1, ftb Растяжение при 1,16 1,13 1,18 1, раскалывании, fbtsh Наблюдения за характером разрушения СФБ показали, что образ цы с проволочной и токарной фиброй разрушались плавно и вязко без потери формы образца;

с фрезерованной фиброй – хрупко с характер ным треском и заметными разрушениями образца, с листовой фиброй – средне между СФБ с проволочной и фрезерованной фиброй.

Исследование деформативных свойств СФБ подтвердили выводы, сделанные в процессе изучения его прочностных характеристик.

Применение проволочной и токарной фибр обеспечивает получение материала со стабильными и прогнозируемыми свойствами, обладающего растяжимостью, превышающую растяжимость бетона более чем на порядок, чего нельзя сказать о СФБ с листовой и, тем более, фрезерованной фиброй (рисунок 5). Применение последней практически не приводит к изменению деформаций растяжения СФБ по сравнению с бетоном.

а) б) Напряжение fbt МПа Напряжение fbt, МПа Напряжение fbt,,МПа 7 Напряжение fbt, МПа 6 5 0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04 4,00E-04 5,00E- 0,0E+00 2,0E-04 4,0E-04 6,0E-04 8,0E-04 1,0E-03 1,2E-03 1,4E- Относительная деформациярастяжения efbt efbt Относительная деформация растяжения e fbt Относительная деформация растяжения, Относительная деформация растяжения, efbt Рисунок 5 – Графики зависимости напряжение-деформация при испытании на растяжение при изгибе сталефибробетона:

а) с токарной;

б) фрезерованной фиброй;

fv= 2% Для экспериментальных исследований атмосферной стойкости СФБ в жестких климатических условиях Алтайского края лаборатор ные образцы испытывали попеременное замораживание и оттаивание, высокие и низкие температуры, воздействие ветра, дождя, снега, сол нечной радиации и т.п. от 28 суток до 48 месяцев.

Полученные данные показали, что зависимость прочностных ха рактеристик СФБ от сроков атмосферных воздействий близка к лога рифмической, типа y = a ln x + b, на основании чего были построены зависимости прочности СФБ от возраста образцов, подвергнутых ат мосферным воздействиям, их геометрии и НДС. Сравнение остаточ ных дисперсий с полными по критерию Фишера позволило сделать заключение об адекватности построенной модели полученным дан ным (рисунок 6). Анализ показал, что образцы СФБ через 16 месяцев испытаний показали рост прочности на сжатие в 1,7 раза, на растяже ние при раскалывании – до 2-х раз, на растяжение при изгибе – на 15 … 20%. В последующие месяцы прочностные характеристики СФБ оставались стабильными.

а) б) Среднее значение прочности на сжа Среднее значение прочности на рас тяжение при изгибе Rftbm, МПа тие Rfbm, МПа Возраст, мес. Возраст, мес.

Рисунок 6 – Экспериментальные зависимости прочностных характеристик стале фибробетона от возраста образцов, подвергнутых атмосферным воздействиям: а) на сжатие и б) растяжение при изгибе. На графиках: 1-призмы 101040см (балки);

2-балочки 4416см 3-кубы 101010см;

4-пластины 8240см Натурные испытания в течение 15 лет притрассового водоотводного СФБ лотка подтвердили справедливость результатов лабораторных исследований. Представленные результаты свидетельствуют о высокой атмосферной стойкости СФБ и конструкций на его основе в жестких климатических условиях.

В результате экспериментальных исследований свойств СФБ в за висимости от технологических параметров, определяющих его струк туру, были получены данные прочности СФБ при сжатии, растяжении при изгибе и растяжении при раскалывании, обработка которых про изводилась с помощью математической системы MAPLE V R4. В ре зультате были построены математические модели прочности СФБ в зависимости от пяти переменных - fv;

В/Ц;

Sп;

Ц:П и Ж. Хорошее со гласие с экспериментом дают степенные модели типа Ri = C x1a1x2а2x3а3x4a4x5a5. Здесь Ri Rfb, Rftb, Rfbtsh;

коэффициенты C и аК найдены методом наименьших квадратов. Корреляционная зависи мость прочностных характеристик СФБ от рассматриваемых факторов сильная (r 0,784…0,915) при хорошей адекватности (R2 0,614…0,876) и точности (V 0,164…0,196).

В четвертой главе формулируются практические основы созда ния СФБ (СФЖБ) конструкций с заданными свойствами.

Для систематизации прочностных характеристик материала и обеспечения их взаимосвязи с исходными данными автором разрабо тана и предложена классификация СФБ по прочности. Классификация позволяет увязать класс СФБ с его нормативными и расчетными со противлениями (таблица 2).

Таблица 2 – Классы сталефибробетона по прочности на сжатие и растяжение и соответствующие нормативные и расчетные сопротивления, рекомендуемые для практических целей (фрагмент) Классы ста- Нормативные/расчетные Классы стале- Нормативные/ лефибробе- сопротивления на растяже фибробетона по расчетные тона по ние, МПа для конструкций прочности на рас- сопротивления на прочности на тяжение, МПа сжатие, МПа тонкостенных массивных сжатие, МПа 20 2,4/1,7 15,0/13,16 2,2/1,79 1,5/1, 2,5/2, 25 19,1/16, 2,8/2,0 1,8/1, 2,8/2, 30 22,6/19, 3,2/2,3 2,1/1, 3,4/2,4 3,0/2,44 2,2/1, 35 25,1/22, 40 3,8/2,8 29,6/25,96 3,3/2,68 2,6/2, 45 4,0/2,9 32,7/28,68 3,5/2,85 2,7/2, 50 4,3/3,1 36,2/31,75 3,7/3,00 2,9/2, 55 4,6/3,3 40,2/35,26 3,9/3,17 3,1/2, 4,8/3,5 4,1/3,33 3,3/2, 60 43,2/37, Предлагается классифицировать СФБ по прочности на сжатие Bf (от 20 до 80 МПа), осевое растяжение Bft (от 1,0 до 5,0 МПа) и растя жение при изгибе Bftb (от 5,0 до 32,0 МПа).

В зависимости от назначения конструкций можно рекомендовать целесообразные области применения СФБ (таблица 3).

Таблица 3 – Рекомендуемые характеристики сталефибробетона в зависимости от назначения элемента конструкции Класс сталефибробетона по прочности Начальный Назначение на растя- модуль на растя элемента на сжатие жение при упругости жение Bft, конструкции Bf, МПа изгибе Bftb, Еfb103, МПа МПа МПа Автодороги 20-35 - 6,0 -12 2428, Мосты 20-40 1,6-3,2 - 2429, Гражданских здания 25-50 1,2-4,0 8 -10 25, Малые архитектур 20 2,0 - ные формы Специальные 25-45 2,0-6,0 8 -14 25, сооружений Назначение конструкции и вид фибры определяют бетонную мат рицу. При использовании матриц из «обычных» бетонов целесообраз ны фибры из низкоуглеродистых сталей. Фибры из высокопрочной стали с относительно небольшим удлинением могут быть использова ны в предварительно напряженных конструкциях.

При создании современных СФБ (СФЖБ) конструкций на основе информации, имеющейся в литературе, можно воспользоваться раз ными вариантами фибрового армирования (рисунок 7), которые могут быть использованы и самостоятельно, и с регулярной арматурой.

При выборе варианта фибрового армирования следует исходить из обеспечения заданных свойств СФБ в соответствии с НДС и эксплуа тационными характеристиками проектируемой конструкции.

Алгоритм подготовки исходных данных для получения СФБ, кон струкций с заданными свойствами представлен на рисунке 7.

В зависимости от типа и назначения конструкции на основе СФБ, ее НДС и действующих нагрузок предварительно выбирается класс СФБ по прочности на сжатие Bf (и/или на растяжение Bft, и/или на растяжение при изгибе Bftb) и соответствующие нормативные и рас четные сопротивления СФБ, его начальный модуль упругости.

Предварительно выбирается форма и размеры сечения. Затем, с помощью программных средств, например, ВК SCAD, выполняется статический расчет элемента с определением полей напряжений, их максимальных значений и направления.

Элемент конструкции. Предварительный Статический расчет tmax = Rfbt Геометрия сечения. Rfbt df, lf, fv, B средствами ПК SCAD выбор Bf (Bft, Bftb), Efb Нагрузки. (Лира, Мираж и т.п.) Эксплуатационные тре- tmax, сmax бования Монодисперсное ар- Полидисперсное арми- Комбинированное Армирование полидисперсное арми- фиброкаркасами рование (группа В) мирование (группа А) рование (группа С) (группа D) Rfbt = f(Rb, lf, fv, Rsf, Eb, Rfbt = (0 fv lf Rsf)/ 2 lfc k Rfbt,red2 = Rfb,red Rfbt,red1 = 1/0 fiRsf = Esf, …) = Rfb k i= n = ni D = dfmax/dfmin;

fv 2.5% fv 15% Rfb,red1;

fvtot 6% fvtot 3% i= Стоимость Рисунок 7 – Алгоритм подготовки исходных данных для получения конструкций с заданными свойствами на основе сталефибробетона По максимальным нормальным напряжениям mt и mc определя ются минимальные относительные коэффициенты расхода фибры на растяжение kfbt и сжатие kfb и соответствующие им параметры фибро вого армирования, класс бетона-матрицы и выбирается вариант фиб рового (монодисперсное, полидисперсное, зонное и т.п.) или комби нированного армирования.

Кроме того, уточняется класс СФБ по прочности, его сопротивле ния, необходимые для конструктивного расчета элемента. В общем виде порядок создания элементов СФБ конструкций представлен на схеме (рисунок 8).

В случае необходимости обеспечения коррозионной стойкости, морозостойкости, водонепроницаемости конструкций на основе СФБ, целесообразно воспользоваться монодисперсным армированием с произвольным (квазиизотропным) распределением фибр по сечению.

При этом назначают параметры фибрового армирования lf /df в зави симости от размеров сечения (bh), fv fv,min и df 0,25мм, но df 0,6мм.

При зонном монодисперсном армировании для зон, подверженных сжатию, lf /.df следует назначать не более 50, для растянутых зон – lf / df 100, fv определяется для каждой зоны в соответствии с уров нем напряжений. Элементы СФБ конструкций с монодисперсным ар мированием могут быть рассчитаны по известным правилам, имею щимся в отечественной литературе.

Элемент конструкции.

Нагрузки g, v. НДС.

tmax, cmax, M, f Геометрия сечения Выбор фибрового Выбор бетонной армирования матрицы (df, lf, Rsf;

гр. А, В, С, Д) Сталефибробетон Rfb, Rfbt, Efb Регулирование характеристик межфазного слоя с M Mper, Q Qper, acrc [acrc], f flim Нет Да Соответствие Нет технологии фибровому армированию Да Ценанового Ценатипового Нет решения решения Да СФБК (СФЖБК) Рисунок 8 – Алгоритм создания элементов конструкций на основе сталефибробетона с заданными свойствами При использовании полидисперсного армирования можно вос пользоваться зависимостями, предложенными В.А. Голанцевым, для армирования фиброкаркасами – разработками О.В. Коротышевского.

С помощью программы «СФБ конструктор», разработанной в наших исследований, может быть выполнено автоматизированное проектирование тонкостенных конструкций на основе СФБ.

На рисунке 9 представлен пример автоматизированного формиро вания схемы зонного фибрового монодисперсного армирования.

Рисунок 9 – Формирование схемы зонного фибрового монодисперсного армиро вания ребра сталефиброжелезобетонной плиты перекрытия (сверху) в соответствии с картиной полей напряжений (снизу), полученной средствами ВК SCAD Приготовление СФБ смеси – один из ответственных этапов произ водства СФБК (СФЖБК). Для обеспечения качества СФБ смеси спе циалистами АНИТИМ (г. Барнаул), под руководством автора был разработан и отлажен вибропитатель для подачи сталь ной фибры 47.М027.00.000.РЭ (рису нок 10), с помощью которого подача стальной фибры может быть осуществле на как в смеситель, так и на месте формо вания.

Полупроизводственные испытания Рисунок 10 – Вибропитатель стальной фибры:

показали его высокую производитель 1 – двигатель;

2 – основание;

ность и гарантию разрыхления комков 3 – вибровозбудитель;

фибр с соотношением длины к диаметру 4 – корпус;

5 – обечайка;

lf/df до 300. 6 – опора пружинная Одним из эффективных нетрадицион ных способов производства тонкостенных конструкций на основе СФБ является их формование методом гнутья плоской свежеотформо ванной заготовки и ее фиксации до набора прочности в положении, обеспечивающем проектные размеры.

Пятая глава посвящена созданию СФБ (СФЖБ) конструкций раз личного назначения на базе нового научного подхода и практических основ, разработанных в диссертации. Одним из нетрадиционных ре шений предлагается тонкостенная СФЖБ плита перекрытия двутавро вого сечения с развитой растянутой полкой (патент РФ на полезную модель № 49547 от 27.11.2005). Выбор формы сечения плиты основан на необходимости создания гладкого потолка и возможности учета в расчетах прочности СФБ на растяжение Rfbt. Сжатая полка обеспечи вает устойчивость тонкостенного ребра и удобство устройства кон струкции пола (рисунок 11). Высота сечения полок и ребра плиты приняты из соображений минимизации веса плиты.

Средствами ВК SCAD был вы полнен численный анализ включе ния ширины растянутой полки в работу в зависимости от ее шири ны. Анализ показал, что в расчетах СФЖБ плиты перекрытия при bf 1200 мм необходимо учиты вать всю ширину растянутой пол Рисунок 11 Поперечное сечение ки, если сталефиброжелезобетонной плиты перекрытия bf 1200 мм в расчет следует включать (0,55…0,6) bf.

С целью проведения экспериментальных исследований была запроектирована опытная СФЖБ плита пролетом 2,4 м. С помощью про граммы «СФБ конструктор» было выбрано монодисперсное фибровое армирование стальной фиброй из проволоки по ГОСТ диаметром df =0,5 мм, длиной lf =50 мм и объ емным содержанием fv = 1,0%. Расчеты пока зали, что 1% фибрового армирования и 15 Вр-I регулярной арматуры в растянутой зоне обеспечивают заданную несущую спо- Рисунок 12 – Состояние собность и жесткость плиты. опытных плит перед Рациональность формы сечения разраба- снятием нагрузки тываемой СФЖБ плиты и параметры ее фиб рового армирования были оценены приведённым коэффициентом ра циональности сечения Kred, который составил Kred = 0,075 м против 0,056 м для типовой многопустотной ЖБ плиты – аналога.

Натурные испытания опытных СФЖБ плит (рисунок 12) подтвер дили правильность принятых предпосылок и предлагаемого в диссер тации нового научного подхода создания СФЖБК с заданными свой ствами. На основе результатов экспериментальных исследований бы ли выполнены расчеты технико-экономических показателей СФЖБ плиты в сравнении с типовой многопустотной плитой (таблица 4).

Таблица 4 – Технико-экономическое сравнение вариантов плит L = 6 м Тип плиты перекрытия Показатели Типовая Нетиповая сталефибро на 1 м2 железобетонная железобетонная п.н.

ПК 60.12-4 АтVт Вес кг / % 292 / 100 94 / Суммарный кг / % 3,52 / 100 2,62 / расход стали Расход бетона м3 /% 0,117 / 100 0,04 / Себестоимость руб. / % 183,65 / 100 128,04 / изготовления Трудоемкость чел-час. / % 0,88 / 100 0,74 / изготовления Предлагаемый научный подход к созданию СФБ с заданными свойствами и конструкций на его основе с заданными эксплуатацион ными характеристиками был использован и при разработке СФБ кон тейнера для длительного хранения и захоронения токсичных про мышленных отходов (ТПО).

На основе численного анализа было получено, что по технико экономическим показателям предпочтительной является бочкообраз ная форма СФБ контейнера, срединная поверхность которой является усеченным эллипсоидом вращения (патент РФ № 2268218 от 20.01.06), с приведенным коэффициентом рациональности сечения Kred = 0,443 м против Kred = 0,329 м для цилиндра (рисунок 13).

Для эксперимента было принято физическое моделирование при простом подобии. Масштабный коэффициент принят ml = 2, материал модели и натурного элемента – СФБ. Габаритные размеры СФБ моде ли: высота 0,81 м, максимальный диаметр 0,755 м и диаметр основа ния 0,551 м.

Статический расчет модели был выполнен методом конечных эле ментов средствами ПВК SCAD на Коэффициент использования действие нагрузок от многоярусного складирования контейнеров, внут реннего давления от неконтролиру материала, Kv емых химических реакций ТПО и собственного веса контейнера. В ре зультате статического расчета СФБ модели контейнера была получена Длина стороны основания (диаметр) d, м картина полей напряжений в стенке Рисунок 13 Показатель расхода материала контейнера на единицу СФБ модели (рисунок 14, а), в соот захораниваемых токсичных отходов ветствии с которой была сформиро вана схема зонного фибрового монодисперсного армирования (рису нок 14, б). Для этого с помощью программных средств были опреде лены параметры фибрового армирования модели СФБ контейнера.

а) б) =1863 кПа, µ=1 %, Rfbt=1880 кПа =2928 кПа, µ=1.65 %, Rfbt=2959 кПа 2 =2503 кПа, µ=1 %, Rfbt=2543 кПа Рисунок 14 – Проектирование модели сталефибробетонного контейнера:

а) картина полей напряжений в стенке модели;

б) схема зонного фибрового монодисперсного армирования стенки сталефибробетонного контейнера 1– направление главных площадок;

2 – границы зон армирования;

3 – направления ориентации фибр;

1 – значение главных растягивающих напряжений По максимальным значениям главных растягивающих напряже ний, kfbt и kfb затем были уточнены параметры фибрового армирова ния: фибра из проволоки по ГОСТ 3282 df = 0,35 мм;

lf = 40мм;

объем ное содержание фибр fv по зонам (рисунок 14, б). В соответствии с проектом модели была разработана нестандартная опалубка и техно логия поэтапного формования. Для проведения эксперимента в усло виях производства НЗЖБИ (г. Новоалтайск) был разработан и смон тирован испытательный стенд, с помощью которого прикладывалось внешнее сжатие, а также создавалось внутреннее избыточное давле ние (рисунок 15,а). Испытания проводились по двум группам пре дельных состояний. В процессе приложения внешней сжимающей нагрузки, вплоть до ее контрольного значения, в зоне максимальных напряжений в стенке модели образования «ацетоновых» трещин за фиксировано не было. Приложение внутреннего избыточного давле ния было произведено после приложения контрольной нагрузки от внешнего сжатия и выдержки в течение 30 минут и осуществлялось совместно с контрольной нагрузкой от внешнего сжатия.

Разрушение СФБ модели контейнера наступило при совместном действии контрольной внешней сжимающей нагрузки, равной 64,3 кН, и внутреннего избыточного давления, превышающего контрольную нагрузку на 13,3% и составившего 170 кПа.

а) б) Рисунок 15 – Экспериментальные исследования модели сталефибробетонного контейнера: а) испытательный стенд. Общий вид;

б) характер разрушения стенки модели сталефибробетонного контейнера При этом разрушение произошло в соответствии с картиной полей напряжений и схемой армирования по стенке с образованием верти кальной локальной трещины, с последующим развитием горизонталь ных трещин (рисунок 15,б). Временное сопротивление СФБ на растя жение стенки в опасном сечении в момент разрушения, по результа там измерений, получилось равным 5,1МПа, при теоретическом со противлении – 4,5МПа. Коэффициент надежности по материалу fbt составил 1,13. Фактический коэффициент запаса составил 1,53 (при теоретическом значении 1,4). Расчетный прогиб стенки в зоне макси мальных напряжений при действии контрольной нагрузки от внешне го сжатия по расчету составил 1,25мм, с отклонением эксперимен тальных значений на 2,8…10,8%. Таким образом, конструкция СФБ контейнера прошла испытания по двум группам предельных состоя ний и соответствовала требованиям 1-й категории трещиностойкости.

На основе результатов экспериментально-теоретических исследова ний и технико-экономической оценки конструкции СФБ контейнера была определена его техническая характеристика.

Расчетная стоимость захоронения 1 м3 ТПО (по стоимости контей нера) составила 5933 руб. Применение СФБ контейнеров взамен стальных снижает стоимость захоронения 1м3 ТПО на 45,9%. Резуль таты выполненных экспериментально - теоретических исследований контейнера для длительного хранения и захоронения ТПО также пол ностью подтвердили справедливость предлагаемых в работе научных и практических основ создания элементов СФБК.

Опыт свидетельствует о перспективно сти применения СФБ и в дорожном строи тельстве. В нем предъявляются требования по морозостойкости не ниже F200, водоне проницаемости W4 и прочности на растяже ние при изгибе Bftb не ниже 3,6. Опытный вариант СФБ покрытия автодороги жесткого типа II технической категории был принят равнопрочным типовому. Класс СФБ по Рисунок 16 – Участок прочности на растяжение при изгибе Bftb 4, покрытия автодороги Новоалтайск – Заринск и, соответственно, прочность СФБ покры в Алтайском крае тия, равная типовой, обеспечивалась моно из сталефибробетона дисперсным фибровым армированием с через 18 лет df=0,3мм;

lf=30мм;

fv = 1,0%. При этом рас эксплуатации четная толщина СФБ покрытия составила 60% от толщины типового бетонного (120мм взамен 200мм по проекту).

Устройство опытного участка СФБ покрытия, приготовление СФБ смеси и ее укладка осуществлялись с помощью типового оборудова ния с минимальной переналадкой. Наблюдения за состоянием кон струкции покрытия проводились с момента укладки до 2010 года. При этом видимых трещин или других дефектов на поверхности покрытия не обнаружено (рисунок 16), в то время как соседние участки имели значительное количество дефектов и повреждений. По результатам наблюдений можно констатировать высокую стабильность и долго вечность СФБ покрытия без ремонтов и восстановления.

Элемент СФБ конструкции притрассового водоотводного лотка был разработан в виде усеченного полого полуконуса (рисунок 17, а), для которого рационально монодисперсное фибровое армирование класса по прочности на сжатие Вf30 с df = 0,3 мм, lf /df =100, fv = 1,75%.

Расчеты, выполненные из условия равной прочности с типовым лотком-полутрубой, показали, что принятые данные обеспечивают эксплуатационные характеристики лотка. Для производства тонко стенных СФБ лотков рационален метод гнутья свежеотформованной плоской заготовки. C этой целью была разработана формовочная установка, защищенная авторским свидетельством СССР № от 08.03.90г. и патентом РФ №2269412 от 10.02.2006г. Распалубка и монтаж элементов СФБ лотков могут осуществляться с помощью экс центриковых грузозахватных устройств, защищенных авторским сви детельством СССР № 1452779 от 22.09.88г. Указанный метод изго товления элементов СФБ лотков обеспечивает ориентацию фибр в направлении действующих усилий.

а б а) б) Рисунок 17 – Притрассовый водоотводной лоток: а) схемы (геометрия;

телескопический стык);

б) фрагмент сталефибробетона, взятый из стенки эксплуатируемого водоотводного лотка (коррозии фибр не наблюдается) Экспериментальная оценка разработанного СФБ элемента лотка была проведена на натурных образцах, изготовленных по разработан ной технологии на Новоалтайском заводе мостовых конструкций.

Экспериментальная проверка разработанного решения элемента СФБ лотка осуществлялась на специально разработанном стенде с верти кальной передачей нагрузки. Результаты испытаний СФБ лотков по казали их соответствие заданным требованиям 2-й категории трещи ностойкости и прочности. На основе результатов экспериментально теоретических исследований был разработан и изготовлен комплект оборудования, смонтирован и запущен участок по производству СФБ лотков.

Изготовленные в заводских условиях СФБ лотки были смонтиро ваны у автодороги в селе Овчинниково, наблюдения за которыми про водились в течение 15 лет до изменения места положения автодороги.

Оценивалось общее состояние и степень коррозии фибр внутри сече ния лотка. В процессе эксплуатации коррозии стальных фибр в сече нии СФБ элемента лотка не обнаружено (рисунок 17,б). Разработан ный СФБ лоток обладает равной прочностью с типовым железобетон ным, при этом его масса сократилась более чем в 2 раза, трудоемкость изготовления снизилась на 36%, металлоемкость бортоснастки сокра тилась в 3 раза, а себестоимость составила 81% от типового аналога.

В диссертационной работе представлены также мобильный дом из сборных тонкостенных СФЖБ оболочек, тонкостенная ребристая обо лочка покрытия, цветочные СФБ вазоны, сборно-разборное сейфовое помещение, СФБ основание автодороги жесткого типа, накладная СФЖБ плита для увеличения габаритов моста и др. конструкции.

Таким образом, результаты выполненных экспериментально – теоретических исследований подтвердили справедливость и перспек тивность разработанного нового единого системного комплексного научного подхода к созданию СФБ с заданными свойствами и кон струкций с заданными параметрами на его основе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ Анализ современного состояния проблемы, существующих 1.

теоретических и экспериментальных исследований выявил отсутствие системного подхода к созданию сталефибробетона и конструкций на его основе с заранее заданными свойствами, который позволил бы максимально эффективно использовать все их достоинства и обеспе чить широкое внедрение в практику различных областей строитель ства.

2. Разработан научный подход к созданию сталефибробетона, а также сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструк ций с заранее заданными свойствами на основе единого системного комплексного итерационного процесса проектирования сначала мате риала – исходя из общих представлений о НДС конструкции, затем конструкции – исходя из свойств уже запроектированного материала, на каждом шаге расчета проверяя соответствие одного другому и за канчивая расчет при получении заданной сходимости.

3. В рамках разработанного подхода:

- предложена оригинальная методика подготовки исходных дан ных, позволяющая определить область рационального фибрового ар мирования, обеспечивающую заданную прочность материала и кон струкции при минимальном расходе фибры;

- введен параметр приведенного коэффициента рациональности сечения kred, позволяющий выбрать форму сечения, соответствующую минимальному весу элемента при обеспечении заданных свойств ма териала и конструкции;

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

4. Проведены широкомасштабные экспериментальные иссле дования лабораторных и натурных образцов сталефибробетона, ста лефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций с изме нением в широком диапазоне большого количества варьируемых эле ментов – состав бетона, тип стальных фибр, технологические факто ры, процент фибрового армирования, геометрия и размеры образцов, их напряженно-деформированное состояние, вид и продолжитель ность внешних воздействий.

5. В результате экспериментальных исследований получены группы конструктивных, технологических и практических результа тов:

- конструктивные – - подтверждена и доказана обоснованность и перспективность разработанного научного подхода к созданию сталефибробетона, а также сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструк ций с заранее заданными свойствами;

- определены коэффициенты надежности по сталефибробетону fb;

fbt;

ftb;

fbtsh;

- 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 зависимости их атмосферной стойкости от дли тельности внешних воздействий;

установлено, что в условиях жестких атмосферных воздействий прирост прочности во времени (1…15 лет) достигает 20… 200%;

- технологические – - разработана и отлажена конструкция вибропитателя сталь ной фибры;

- построены математические модели влияния технологических факторов, определяющих структуру сталефибробетона, на его прочность;

- разработана методика проектирования и контроля качества сталефибробетонной смеси;

- предложены технологические решения производства стале фибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций;

- практические - разработаны практические основы создания сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций;

- рекомендованы нормативные и расчетные сопротивления стале фибробетона и предложена его классификация по прочности;

- систематизированы варианты фибрового армирования (моно-, поли – и комбидисперсное) и принципы проектирования в зависимо сти от него;

- составлены таблицы рациональных характеристик сталефибробе тона в зависимости от назначения конструкции и области строитель ства.

6. На основе разработанного научного подхода предложены новые сталефибробетонные и сталефиброжелезобетонные конструкции с за данными свойствами:

- сталефиброжелезобетонная оболочка покрытия храма со сни женным весом и расходом стали более, чем в 5 и в 2 раза соответ ственно;

- сталефиброжелезобетонная плита перекрытия, имеющая при равной прочности с типовой, вес почти в 3 раза меньше;

- сталефибробетонный контейнер для хранения и захоронения твердых промышленных отходов, позволяющий снизить затраты на их захоронение более чем на 40%;

- сталефиброжелезобетонные сборно-разборные сейфовые поме щения и бронедвери для них.

7. Результаты теоретических, экспериментальных и практических исследований по созданию сталефибробетона, а также сталефибробе тонных и сталефиброжелезобетонных конструкций с заранее задан ными свойствами внедрены в промышленное, гражданское мостовое и дорожное строительство, а также в ряд нормативных и инструктивных документов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

- в 12 изданиях, включенных в список ВАК 1. Талантова К. В. Эксплуатационные характеристики сталефибробетон ных конструкций для дорожного строительства / К.В. Талантова [ и др. ] // Бетон и железобетон. – 2002. – № 3. – С. 6–8.

2. Михеев Н. М. К вопросу о классификации стальных фибр для дисперс ного армирования бетонов / Н.М. Михеев, К.В. Талантова // Бетон и железо бетон. 2003. – № 2. – С. 9–11.

3. Талантова К. В. Основы создания сталефибробетонных конструкций с заданными свойствами / К.В. Талантова // Бетон и железобетон. – 2003. – № 5. – С.4–8.

4. Талантова К. В. Создание элементов конструкций с заданными свой ствами на основе сталефибробетона / К.В. Талантова // Известия вузов.

Строительство. – Новосибирск, 2008. – № 10. – С. 4–9.

5. Талантова К. В. Обеспечение свойств элементов конструкций на осно ве сталефибробетона с учетом влияния характеристик стальных фибр / К.В. Талантова, Э.И. Вингисаар // Известия вузов. Строительство. Ново сибирск, 2008 – № 11 – 12. – С. 123–129.

6. Талантова К. В. Математические модели зависимости прочностных ха рактеристик сталефибробетона от технологических факторов / К.В. Талан това, В.К. Беспрозванных // Бетон и железобетон. – 2009 – № 1. – С.16–19.

7. Талантова К. В. Оболочки покрытия храмовых зданий на основе ста лефибробетона / К.В. Талантова, Л.В. Халтурина // Вестник Белг. гос. техн.

ун-та. – Белгород, 2009 – № 1. – С.13–16.

8. Талантова, К. В. Разработка конструкции сталефибробетонного кон тейнера для размещения и захоронения токсичных промышленных отходов / К.В. Талантова, Н.М.Михеев // Бетон и железобетон. 2009 № 3 С 13-16.

9. Талантова К. В. Разработка конструкций покрытий с заданными свой ствами на основе сталефибробетона / К.В. Талантова // Бетон и железобетон.

2009 № 5. С. 5-8.

10. Талантова, К. В. Исследование влияния свойств стальных фибр на экс плуатационные характеристики сталефибробетонных конструкций / К.В. Та лантова, Н.М. Михеев // Ползуновский вестник. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. Ползунова. 2011 – № 1 - С.194 – 199.

11. Талантова, К. В. Практика создания конструкций на основе стале фибробетона с заданными эксплуатационными характеристиками / К.В. Та лантова, Н.М. Михеев, А.Н. Трошкин // Известия вузов. Строительство. Но восибирск, 2011 - № 10 – С. 112-118.

12. Талантова, К. В. Принцип проектирования конструкций на основе ста лефибробетона с заданными эксплуатационными характеристиками / К.В. Талантова, М.Д. Сонина // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering.Volume 8, 2012 – Issue 2 – С. 108 – 117.

- в 3 авторских свидетельствах СССР 13. А. с. 1305249 СССР, МКИ4 Е 02 D 5/22 от 22.12.86. Забивная свая / Н.М. Михеев, К.В. Талантова – № 3908728/29-33;

заявл. 07.06.85;

опубл.

23.04.87, Бюл. №15. – 2 с.: ил.

14. А. с. 1452779 СССР, МКИ4 В 66 С 1/48 от 22.09.88. Грузозахватное устройство / Н.М. Михеев, В.М. Дудаков, К.В. Талантова. – № 4290421/31 11;

заявл. 27.07.87;

опубл. 23.01.89, Бюл. №3. – 3 с. : ил.

15. А. с. №1576337 СССР, МКИ5 В 28 В 7/06 от 08.03.90. Устройство для формования криволинейных изделий / Н.М. Михеев, К.В. Талантова, И.Л Эльзессер. – № 4475900/31-33;

заявл. 23.08.88;

опубл. 07.07.90, Бюл.

№ 25. – 3 с. : ил.

- в 3 патентах РФ 16. Устройство для формования криволинейных изделий: пат. Рос. Федерация: МПК4 В 28 В 7/06 / Н. М. Михеев, К. В. Талантова;

заяви тели и патентообладатели АлтГТУ им. И. И. Ползунова, Н.М. Михеев, К.В. Талантова. – № 2003131522, заявл. 27.10.03;

опубл. 10.02.06, Бюл. № 4.

– 4с.: ил.

17. Строительный элемент: пат. 49547 Рос. Федерация: МПК7 Е 04 В 1/06 / К.В. Талантова, Н. М. Михеев;

заявители и патентообладатели АлтГТУ им. И. И. Ползунова;

К.В. Талантова, Н.М. Михеев. – № 2004108285, заявл.

22.03.04;

опубл. 27.11.05, Бюл. № 33. – 2 с.: ил.

18. Контейнер для захоронения токсичных отходов: пат. 2268218 Рос. Фе дерация: МПК7 В 65 В 85/82 / П.С. Чирцев, К.В. Талантова, Н.М. Михеев;

заявитель и патентообладатель АлтГТУ им. И. И. Ползунова. – № 2003131522;

заявл. 02.06.04;

опубл. 20.01.06, Бюл. № 2. – 8с.: ил.

- в 1 свидетельстве о регистрации программы для ЭВМ 19. Определение минимального относительного коэффициента расхода фибры: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / С.Л. Леонов, К.В. Талантова;

№ 2012619865 от 31.10.2012.

- в других печатных изданиях Рекомендации по применению сталефибробетона в конструкциях до 20.

рожных одежд и мостов / К.В. Талантова [ и др. ];

Алт. политехн. и-т. – Бар наул, 1988. – 47 с.

21. Талантова К. В. Композит - сталефибробетон в дорожном строитель стве / К.В. Талантова, С.В. Толстенев // Автомобильные дороги. – 1999. – № 9. – С. 24–25.

22. Talantova K. V. The Composite material- steel fiber concrete the highway engineering under Continental climate of the Altai region conditions / K.V. Talantova [ et al. ] // 12th international conference on composite materials.

ICCM-12, EUROPE. – Paris, 1999. – Pap.485.

23. Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования тон костенных водоотводных лотков из сталефибробетона / К.В. Талантова, Н.М.Михеев // Вестник Томск. гос. архит. – строит. ун-та. – Томск, 2000. – № 1. – С. 143–152.

24. Талантова К. В. Применение сталефибробетона при реконструкции пролетных строений автодорожных мостов / К.В. Талантова [ и др. ] // Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции, содер жания автомобильных дорог искусственных сооружений на них : труды Все рос. науч.- практ. конф. – Барнаул, 2001. – С.327–331.

25. Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования рабо ты составной конструкции пролетного строения автодорожного моста / К.В. Талантова, С.В. Толстенев, А.С. Тремасов // Экспериментальные мето ды в физике структурно-неоднородных конденсированных сред. ЭМФ-2001.

Композиционные и порошковые металлические материалы: труды второй науч.-техн. конф. – Барнаул, 2001. –С. 234–242.

26. Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования кон тактной зоны матрица - волокно строительного композита – сталефибробето на / К.В Талантова // Экспериментальные методы в физике структурно неоднородных конденсированных сред. ЭМФ-2001. Композиционные и по рошковые металлические материалы : труды второй науч.-техн. конф. – Барнаул, 2001. – С. 243–248.

27. Talantova K. V. Superposed Steel Fiber Concrete Slab in Reconstruction and Reinforcement of Smaller Highway Bridges / K.V. Talantova, N.M. Micheev, S.V. Tolstenev // 13 th international conference on composite materials. ICCM-13, China. – Beijing, 2001. – ID 1116.

28. Talantova K. V Research of Properties of Steel Fiber Concrete Depending on Kind of Steel Fiber / K.V. Talantova, N.M. Micheev, A.N. Tuchev //13 th interna tional conference on composite materials. ICCM-13, China. – Beijing, 2001. – ID 1217.

29. Талантова К. В. Повышение эксплуатационных характеристик кон струкций для дорожного строительства за счет применения строительного композита сталефибробетона / К.В. Талантова [ и др. ] // Бетон на рубеже третьего тысячелетия: материалы 1- й Всерос. конф. по проблемам бетона и железобетона. - М.: Ассоциация «Железобетон». 2001.- Кн.3: Секционные доклады: Секции III – VII. – С. 1732–1742.

30. Талантова К. В. О нормативной базе по проектированию и изготовле нию высокоэффективных сталефибробетонных конструкций / К.В. Таланто ва // Ресурсо - и энергосбережение как мотивация творчества в архитектурно строительном процессе : тр. годичного собрания РААСН / ред. коллегия:

В.Н. Бондаренко (отв. ред.) [ и др. ] – Казань: КГАСА, 2003. – С. 548–552.

31. Талантова К. В. О проблеме захоронения токсичных промышленных отходов / К.В. Талантова // Социальная безопасность населения юга Запад ной Сибири : материалы междунар. науч.- практ. конф. «Региональные ас пекты обеспечения социальной безопасности населения юга Западной Сиби ри – проблемы защиты от чрезвычайных ситуаций природного и техногенно го характера. – Барнаул, 2003. – Вып. 1 – С.136–138.

32. Талантова К. В. Мобильный дом многофункционального назначения из сталефиброжелезобетонных оболочек / К.В. Талантова, Н.Г.Харламова // Гуманизм и строительство. Природа, этнос и архитектура: сб. тр. междунар.

науч.- практ. конф. – Барнаул, 2003. – С.93–96.

33. Талантова К. В. Разработка элементов конструкций для захоронения и размещения токсичных промышленных отходов / К.В. Талантова [ и др. ] // Проектирование и строительство в Сибири. – 2004. – № 2. – С.34–37.

34. Талантова К.В. Полы из сталефибробетона / К.В. Талантова [ и др.] // Проектирование и строительство в Сибири. 2004. - № 6. - С.22 – 24.

35. Талантова К. В. Строительные конструкции с применением стале фибробетона. Проблемы и пути их решения / К.В. Талантова // Бетон и же лезобетон – пути развития: науч. тр. 2-й Всерос. (Междунар.) конф. по бетону и железобетону. 5 - 9 сентября 2005 г. Москва;

в 5 т. Т. 2: Секционные докла ды. Секция «Железобетонные конструкции зданий и сооружений». НИИЖБ.

2005 – С.229–235.

36. Талантова К. В. Исследования напряженно - деформированного состо яния сталефибробетонных контейнеров для захоронения токсичных про мышленных отходов / К.В. Талантова [и др.] // Бетон и железобетон – пути развития: науч. тр. 2-й Всерос. (Междунар.) конф. по бетону и железобетону.

5 - 9 сентября 2005г. Москва;

в 5 т. Т. 5: Секционные доклады. Секция «Эко логические аспекты применения бетона и железобетона». НИИЖБ. 2005. – С.288–294.

37. Талантова К. В. Строительные конструкции на основе сталефибробе тона с заданными свойствами / К.В. Талантова // Проблемы оптимального проектирования сооружений: доклады I – й Всерос. конф. 8 - 10 апреля, 2008 г. – Новосибирск, 2008. – С. 381–390.

38. Талантова, К. В. Тонкостенная большепролетная пространственная конструкция покрытия на основе сталефибробетона / К. В. Талантова, М.Д.

Сонина // Проектирование и строительство в Сибири. Новосибирск. 2010. № 3. - С. 34-36.

39. Талантова, К. В. Регулирование свойств композита – сталефибробетона с целью обеспечения эксплуатационных характеристик конструкций на его основе / К. В. Талантова // Проблемы оптимального проектирования соору жений: доклады 2-ой Всероссийской конференции, Новосибирск, 5-6 апреля, 2011 г. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2011. – С. 347 - 354.

40. Талантова, К.В.Формирование свойств сталефибробетона в соответ ствии с условиями эксплуатации конструкций / К.В. Талантова // Вiсник одеської державної академiї будiвництва та архiтектури. Одесса. 2012. – Випуск № 47, Ч.1. - С. 317-321.