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 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 «___» ________ 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
к.т.н., доцент А.В. Налимова
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 - сталефибробетона, 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 также сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций с заранее заданными свойствами и параметрами соответственно;
- в рамках разработанного 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, сталефибробетонных 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 разработать новые сталефибробетонные и сталефиброжелезобетонные конструкции с заданными свойствами;
- внедрить результаты теоретических, экспериментальных и практических исследований по созданию сталефибробетона, сталефибробетонных 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, и др.
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 «Алтайавтодор», Новоалтайского завода ЖБИ им. Г.С. Иванова, Барнаульского КЖБИ - 2.
Научная новизна:
- разработан научный подход к созданию сталефибробетона с заранее заданными свойствами, а также сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций с заранее заданными параметрами на основе единого системного комплексного итерационного процесса проектирования сначала материала - исходя 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 kred, 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 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 воздействий; установлено, что в условиях жестких атмосферных воздействий прирост прочности во времени 1…15лет достигает 20…200%;
- разработаны и предложены новые сталефибробетонные и сталефиброжелезобетонные конструкции с заданными свойствами.
Практическая значимость:
- разработана и прошла экспериментальную проверку оригинальная методика подготовки исходных данных, позволяющая определить область рационального фибрового армирования, обеспечивающую заданную 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 7399-013-31480175-98 «Дверь хранилища ценностей ДХЦ-8»;
- разработаны, изготовлены и сертифицированы двери бронированные кладовых хранения ценностей 8го 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.МО27.00.000.РЭ;
- в рамках производственной апробации нового научного подхода разработаны новые сталефибробетонные и сталефиброжелезобетонные 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 ООО «СпецСтройТехнологии» с экономическим эффектом 1 млн. 224 тыс. рублей); сталефибробетонный тонкостенный водоотводной 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 специальностей 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 сталефиброжелезобетонных 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 гг.
Апробация результатов исследований. Материалы исследований представлены и обсуждены на конференциях: «Общества железобетонщиков 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-ой Всероссийской (Международной) конференции по проблемам бетона и железобетона «Бетон на рубеже третьего тысячелетия», (Москва, 2005); 1-ой и 2-ой 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 385 наименований, в том числе 57 зарубежных, и 5-ти приложений 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, 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, А.В. Забегаева, Л.Р. Маиляна, В.М. Митасова, Г.П. Яковленко и других ученых.
При разработке нового научного подхода к созданию сталефибробетона 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 матрицы, 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 экспериментальных 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 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 диссертационной работы 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 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 заполнителя, 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 подавляющего большинства конструкций на основе СФБ требуется обеспечить вязкость при разрушении, что невозможно при lf lc. Применение традиционной технологии приготовления СФБ смеси обеспечивается при длине фибр, ограниченной отношением lf /df = 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 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).
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 послужило 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 kfbt и сжатие kfb. при условии обеспечения равенства расчетного сопротивления СФБ на растяжение и сжатие максимальным значениям напряжений от нагрузок, соответственно Rfbt = mt и Rfb = mс. Здесь mt и mс – 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:
на растяжение - 
при 
(1)
при 
, (2)
и на сжатие -
, (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 разработанного программного обеспечения (Свидетельство№ 2012619865 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 сечения или оценку известных предлагается выполнять с учетом приведенного коэффициента рациональности сечения Кred = Wred / Ared.
Здесь Wred – момент сопротивления; Ared – площадь приведенного сечения. Для двутаврового сечения с одиночной регулярной арматурой эти формулы имеют следующий вид:
(4)
. (5)
В формулах Ibc – момент инерции сжатой зоны бетона;
Ifc1, Ift1 – моменты инерции сжатой и растянутой фиброармированных полок; Iso – момент инерции регулярной продольной арматуры относительно нейтральной оси, Sbt – статический момент растянутой зоны бетона. Коэффициенты приведения: для арматуры
; для фибры
. Коэффициент армирования по площади
.
 |
| Рисунок 2 – Прочность сталефибробетона на растяжение при изгибе в зависимости от состояния поверхности фибр: 1 – контрольные образцы с df=0,3мм, lf=15 мм; 2 – то же, lf= 30 мм; 3 – образцы с фиброй, покрытой 60%ПВБ+40%ПЦ, lf =15мм; 4 – образцы с фиброй, покрытой 60%ПВБ+40%ЖЦ, lf =15мм |
Чем больше Кred, тем меньше сечение конструкции, меньше ее вес и более рациональны форма сечения и параметры фибрового армирования. Сравнительная оценка с помощью Кred должна производиться для элементов конструкций разной формы, но имеющих одну расчетную схему.
Свойства СФБ существенно зависят от состояния межфазного слоя «фибра – матрица», что особенно важно для композитов на основе хрупких матриц. Прочность межфазного слоя зависит от вида и свойств бетонной матрицы, состояния поверхности волокон, сродства матрицы и волокна.
В ЛенЗНИИЭП было разработано химически активное полимерцементное 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 браунмиллеритового (железистого) цемента (ЖЦ) вместо ПЦ, было проверено экспериментально. Экспериментальные исследования показали, 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 покрытием, содержащим ЖЦ, подтвердили принятое предположение (рисунок 2). Использование в полимерцементной композиции ЖЦ позволило повысить прочность СФБ на 57% при сокращении длины фибры вдвое - lf / df до 50. Использование ПЦ привело к повышению прочности СФБ на 30%. Разрушение контрольных образцов СФБ носило вязкий характер, образцы же СФБ с покрытием фибры с ЖЦ разрушались хрупко. При этом наблюдался разрыв фибр, т.е. их полное использование (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 хрупкому 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 зависимости от типа фибр, предлагаемых на российском рынке. Всего было изготовлено и испытано 15 серий образцов (1140шт.) с различным объемным процентом армирования (fv = 1,0; 1,5; 2,0). Были определены сопротивления СФБ сжатию Rfbm, растяжению при изгибе Rftbm и растяжению при раскалывании Rfbtshm.
На основе статистической обработки экспериментальных данных были построены гистограммы эмпирических распределений прочности СФБ, которые позволили сделать вывод, что характер распределения 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 распределения прочности СФБ. Определение нормативных сопротивлений СФБ на сжатие выполнялось с обеспеченностью Р = 0,95, расчетных сопротивлений – с обеспеченностью Р = 0,99865 по формуле:
, (7)
где – квантиль функции Лапласа; 
; Ф – табулированная функция Лапласа; fb – среднеквадратическое отклонение параметра прочности СФБ на сжатие Rfb.
 |
| Рисунок 4 – Кривые плотности вероятностей прочности сталефибробетона на сжатие (образцы – кубы 101010 см с µfv=2,0%) для фибр: листовой ; фрезерованной p; токарной ; проволочной |
На основе результатов статистической обработки экспериментальных данных были определены коэффициенты надежности по сталефибробетону на сжатие, растяжение при изгибе и при раскалывании в зависимости от типа рассматриваемых в представляемой работе фибр, объемного процента армирования 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
| Напряженное состояние | Тип фибры | |||
| токарная | проволочная | листовая | фрезерованная | |
| Сжатие, fb | 1,15 | 1,14 | 1,16 | 1,19 |
| Растяжение при изгибе, ftb | 1,17 | 1,15 | 1,12 | 1,21 |
| Растяжение при раскалывании, fbtsh | 1,16 | 1,13 | 1,18 | 1,24 |
Наблюдения за характером разрушения СФБ показали, что образцы с проволочной и токарной фиброй разрушались плавно и вязко без потери формы образца; с фрезерованной фиброй – хрупко с характерным 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) | Напряжение fbt, МПа |  | б) | Напряжение fbt, МПа |  |
| Относительная деформация растяжения, fbt | Относительная деформация растяжения, fbt | ||||
| 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 лабораторные образцы испытывали попеременное замораживание и оттаивание, высокие и низкие температуры, воздействие ветра, дождя, снега, солнечной радиации и т.п. от 28 суток до 48 месяцев.
Полученные данные показали, что зависимость прочностных характеристик СФБ от сроков атмосферных воздействий близка к логарифмической, типа y = a ln x + b, на основании чего были построены зависимости прочности СФБ от возраста образцов, подвергнутых атмосферным воздействиям, их геометрии и НДС. Сравнение остаточных дисперсий с полными по критерию Фишера позволило сделать заключение об адекватности построенной модели полученным данным (рисунок 6). Анализ показал, что образцы СФБ через 16 месяцев испытаний показали рост прочности на сжатие в 1,7 раза, на растяжение при раскалывании – до 2-х раз, на растяжение при изгибе – на
15 … 20%. В последующие месяцы прочностные характеристики СФБ оставались стабильными.
| а) | Среднее значение прочности на сжатие Rfbm, МПа |  | б) | Среднее значение прочности на растяжение при изгибе Rftbm, МПа |  | |
| Возраст, мес. | Возраст, мес. | |||||
| Рисунок 6 – Экспериментальные зависимости прочностных характеристик сталефибробетона 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 зависимости от технологических параметров, определяющих его структуру, были получены данные прочности СФБ при сжатии, растяжении при изгибе и растяжении при раскалывании, обработка которых производилась с помощью математической системы MAPLE V R4. В результате были построены математические модели прочности СФБ в зависимости от пяти переменных - fv; В/Ц; Sп; Ц:П и Ж. Хорошее согласие с экспериментом дают степенные модели типа
Ri = C x1a1x2а2x3а3x4a4x5a5. Здесь Ri Rfb, Rftb, Rfbtsh; коэффициенты C и аК найдены методом наименьших квадратов. Корреляционная зависимость 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 создания СФБ (СФЖБ) конструкций с заданными свойствами.
Для систематизации прочностных характеристик материала и обеспечения их взаимосвязи с исходными данными автором разработана и предложена классификация СФБ по прочности. Классификация позволяет увязать класс СФБ с его нормативными и расчетными сопротивлениями (таблица 2).
Таблица 2 – Классы сталефибробетона по прочности на сжатие и растяжение и соответствующие нормативные и расчетные сопротивления,
рекомендуемые для практических целей (фрагмент)
| Классы сталефибробетона по прочности на сжатие, МПа | Классы сталефибробетона по прочности на растяжение, МПа | Нормативные/ расчетные сопротивления на сжатие, МПа | Нормативные/расчетные сопротивления на растяжение, МПа для конструкций | |
| тонкостенных | массивных | |||
| 20 | 2,4/1,7 | 15,0/13,16 | 2,2/1,79 | 1,5/1,22 |
| 25 | 2,8/2,0 | 19,1/16,75 | 2,5/2,03 | 1,8/1,46 |
| 30 | 3,2/2,3 | 22,6/19,82 | 2,8/2,28 | 2,1/1,71 |
| 35 | 3,4/2,4 | 25,1/22,02 | 3,0/2,44 | 2,2/1,79 |
| 40 | 3,8/2,8 | 29,6/25,96 | 3,3/2,68 | 2,6/2,11 |
| 45 | 4,0/2,9 | 32,7/28,68 | 3,5/2,85 | 2,7/2,20 |
| 50 | 4,3/3,1 | 36,2/31,75 | 3,7/3,00 | 2,9/2,36 |
| 55 | 4,6/3,3 | 40,2/35,26 | 3,9/3,17 | 3,1/2,52 |
| 60 | 4,8/3,5 | 43,2/37,89 | 4,1/3,33 | 3,3/2,68 |
Предлагается классифицировать СФБ по прочности на сжатие Bf (от 20 до 80 МПа), осевое растяжение Bft (от 1,0 до 5,0 МПа) и растяжение 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
| Назначение элемента конструкции | Класс сталефибробетона по прочности | Начальный модуль упругости Еfb103, МПа | ||
| на сжатие Bf, МПа | на растяжение Bft, МПа | на растяжение при изгибе Bftb, МПа | ||
| Автодороги | 20-35 | - | 6,0 -12 | 2428,8 |
| Мосты | 20-40 | 1,6-3,2 | - | 2429,4 |
| Гражданских здания | 25-50 | 1,2-4,0 | 8 -10 | 25,835 |
| Малые архитектурные формы | 20 | 2,0 | - | 24 |
| Специальные сооружений | 25-45 | 2,0-6,0 | 8 -14 | 25,834 |
Назначение конструкции и вид фибры определяют бетонную матрицу. При использовании матриц из «обычных» бетонов целесообразны фибры из низкоуглеродистых сталей. Фибры из высокопрочной стали с относительно небольшим удлинением могут быть использованы в предварительно напряженных конструкциях.
При создании современных СФБ (СФЖБ) конструкций на основе информации, имеющейся в литературе, можно воспользоваться разными 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 эксплуатационными характеристиками проектируемой конструкции.
Алгоритм подготовки исходных данных для получения СФБ, конструкций 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 расчетные 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.
Рисунок 7 – Алгоритм подготовки исходных данных для получения конструкций с заданными свойствами на основе сталефибробетона
По максимальным нормальным напряжениям mt и mc определяются минимальные относительные коэффициенты расхода фибры на растяжение kfbt и сжатие kfb и соответствующие им параметры фибрового армирования, класс бетона-матрицы и выбирается вариант фибрового (монодисперсное, полидисперсное, зонное и т.п.) или комбинированного армирования.
Кроме того, уточняется класс СФБ по прочности, его сопротивления, 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 зависимости 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 уровнем напряжений. Элементы СФБ конструкций с монодисперсным армированием могут быть рассчитаны по известным правилам, имеющимся в отечественной литературе.
Рисунок 8 – Алгоритм создания элементов конструкций
на основе сталефибробетона с заданными свойствами
При использовании полидисперсного армирования можно воспользоваться 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 формирования схемы зонного фибрового монодисперсного армирования.
 |
| Рисунок 9 – Формирование схемы зонного фибрового монодисперсного армирования ребра сталефиброжелезобетонной плиты перекрытия (сверху) в соответствии с картиной полей напряжений (снизу), полученной средствами ВК SCAD |
 |
| Рисунок 10 – Вибропитатель стальной фибры: 1 – двигатель; 2 – основание; 3 – вибровозбудитель; 4 – корпус; 5 – обечайка; 6 – опора пружинная |
Приготовление СФБ смеси – один из ответственных этапов производства СФБК (СФЖБК). Для обеспечения качества СФБ смеси специалистами АНИТИМ (г. Барнаул), под руководством автора был разработан и отлажен вибропитатель для подачи стальной фибры 47.М027.00.000.РЭ (рисунок 10), с помощью которого подача стальной фибры может быть осуществлена как в смеситель, так и на месте формования.
Полупроизводственные испытания показали его высокую производительность и гарантию разрыхления комков фибр с соотношением длины к диаметру lf/df до 300.
Одним из эффективных нетрадиционных способов производства тонкостенных конструкций на основе СФБ является их формование методом гнутья плоской свежеотформованной заготовки и ее фиксации до набора прочности в положении, обеспечивающем проектные размеры.
Пятая глава посвящена созданию СФБ (СФЖБ) конструкций различного назначения на базе нового научного подхода и практических основ, разработанных в диссертации. Одним из нетрадиционных решений предлагается тонкостенная СФЖБ плита перекрытия двутаврового 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 обеспечивает устойчивость тонкостенного ребра и удобство устройства конструкции пола (рисунок 11). Высота сечения полок и ребра плиты приняты из соображений минимизации веса плиты.
 |
| Рисунок 11 Поперечное сечение сталефиброжелезобетонной плиты перекрытия |
Средствами ВК SCAD был выполнен численный анализ включения ширины растянутой полки в работу в зависимости от ее ширины. Анализ показал, что в расчетах СФЖБ плиты перекрытия при 600 bf 1200 мм необходимо учитывать всю ширину растянутой полки, если
bf > 1200 мм в расчет следует включать (0,55…0,6) bf.
 |
| Рисунок 12 – Состояние опытных плит перед снятием нагрузки |
С целью проведения экспериментальных исследований была запроектирована опытная СФЖБ плита пролетом 2,4 м. С помощью программы «СФБ конструктор» было выбрано монодисперсное фибровое армирование стальной фиброй из проволоки по ГОСТ 3282 диаметром df =0,5 мм, длиной lf =50 мм и объемным содержанием fv = 1,0%. Расчеты показали, что 1% фибрового армирования и
15 Вр-I регулярной арматуры в растянутой зоне обеспечивают заданную несущую способность и жесткость плиты.
Рациональность формы сечения разрабатываемой СФЖБ плиты и параметры ее фибрового армирования были оценены приведённым коэффициентом рациональности 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) подтвердили правильность принятых предпосылок и предлагаемого в диссертации нового научного подхода создания СФЖБК с заданными свойствами. На основе результатов экспериментальных исследований были 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
| Показатели на 1 м2 | Тип плиты перекрытия | ||
| Типовая железобетонная ПК 60.12-4 АтVт | Нетиповая сталефиброжелезобетонная п.н. | ||
| Вес | кг / % | 292 / 100 | 94 / 32 |
| Суммарный расход стали | кг / % | 3,52 / 100 | 2,62 / 74 |
| Расход бетона | м3 / % | 0,117 / 100 | 0,04 / 34 |
| Себестоимость изготовления | руб. / % | 183,65 / 100 | 128,04 / 69 |
| Трудоемкость изготовления | чел-час. / % | 0,88 / 100 | 0,74 / 84 |
Предлагаемый научный подход к созданию СФБ с заданными свойствами и конструкций на его основе с заданными эксплуатационными характеристиками был использован и при разработке СФБ контейнера для длительного хранения и захоронения токсичных промышленных отходов (ТПО).
На основе численного анализа было получено, что по технико-экономическим показателям предпочтительной является бочкообразная 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 модели: высота 0,81 м, максимальный диаметр 0,755 м и диаметр основания 0,551 м.
| Коэффициент использования материала, Kv |  |
| Длина стороны основания (диаметр) d, м | |
| Рисунок 13 Показатель расхода материала контейнера на единицу захораниваемых токсичных отходов | |
Статический расчет модели был выполнен методом конечных элементов средствами ПВК SCAD на действие нагрузок от многоярусного складирования контейнеров, внутреннего давления от неконтролируемых химических реакций ТПО и собственного веса контейнера. В результате статического расчета СФБ модели контейнера была получена картина полей напряжений в стенке СФБ модели (рисунок 14, а), в соответствии с которой была сформирована схема зонного фибрового монодисперсного армирования (рисунок 14, б). Для этого с помощью программных средств были определены параметры фибрового армирования модели СФБ контейнера.
| а) |  | б) |  |
| 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 напряжений, kfbt и kfb затем были уточнены параметры фибрового армирования: фибра из проволоки по ГОСТ 3282 df = 0,35 мм; lf = 40мм; объемное содержание фибр fv по зонам (рисунок 14, б). В соответствии с проектом модели была разработана нестандартная опалубка и технология поэтапного формования. Для проведения эксперимента в условиях производства НЗЖБИ (г. Новоалтайск) был разработан и смонтирован испытательный стенд, с помощью которого прикладывалось внешнее сжатие, а также создавалось внутреннее избыточное давление (рисунок 15,а). Испытания проводились по двум группам предельных состояний. В процессе приложения внешней сжимающей нагрузки, вплоть до ее контрольного значения, в зоне максимальных напряжений в стенке модели образования «ацетоновых» трещин зафиксировано не было. Приложение внутреннего избыточного давления 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 вертикальной локальной трещины, с последующим развитием горизонтальных трещин (рисунок 15,б). Временное сопротивление СФБ на растяжение стенки в опасном сечении в момент разрушения, по результатам измерений, получилось равным 5,1МПа, при теоретическом сопротивлении – 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 максимальных напряжений при действии контрольной нагрузки от внешнего сжатия по расчету составил 1,25мм, с отклонением экспериментальных значений на 2,8…10,8%. Таким образом, конструкция СФБ контейнера прошла испытания по двум группам предельных состояний и соответствовала требованиям 1-й категории трещиностойкости. На основе результатов экспериментально-теоретических исследований и технико-экономической оценки конструкции СФБ контейнера была определена его техническая характеристика.
Расчетная стоимость захоронения 1 м3 ТПО (по стоимости контейнера) составила 5933 руб. Применение СФБ контейнеров взамен стальных снижает стоимость захоронения 1м3 ТПО на 45,9%. Результаты выполненных экспериментально - теоретических исследований контейнера для длительного хранения и захоронения ТПО также полностью подтвердили справедливость предлагаемых в работе научных и практических основ создания элементов СФБК.
 |
| Рисунок 16 – Участок покрытия автодороги Новоалтайск – Заринск в Алтайском крае из сталефибробетона через 18 лет эксплуатации |
Опыт свидетельствует о перспективности применения СФБ и в дорожном строительстве. В нем предъявляются требования по морозостойкости не ниже F200, водонепроницаемости W4 и прочности на растяжение при изгибе Bftb не ниже 3,6. Опытный вариант СФБ покрытия автодороги жесткого типа II технической категории был принят равнопрочным типовому. Класс СФБ по прочности на растяжение при изгибе Bftb 4,0 и, соответственно, прочность СФБ покрытия, равная типовой, обеспечивалась монодисперсным фибровым армированием с df=0,3мм; lf=30мм; fv = 1,0%. При этом расчетная 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 оборудования с минимальной переналадкой. Наблюдения за состоянием конструкции 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 долговечность 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 тонкостенных СФБ лотков рационален метод гнутья свежеотформованной плоской заготовки. C этой целью была разработана формовочная установка, защищенная авторским свидетельством СССР №1576337 от 08.03.90г. и патентом РФ №2269412 от 10.02.2006г. Распалубка и монтаж элементов СФБ лотков могут осуществляться с помощью эксцентриковых грузозахватных устройств, защищенных авторским свидетельством СССР № 1452779 от 22.09.88г. Указанный метод изготовления элементов СФБ лотков обеспечивает ориентацию фибр в направлении действующих усилий.
| аа) |  | бб) |  |
| 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 разработанной технологии на Новоалтайском заводе мостовых конструкций. Экспериментальная проверка разработанного решения элемента СФБ лотка осуществлялась на специально разработанном стенде с вертикальной передачей нагрузки. Результаты испытаний СФБ лотков показали их соответствие заданным требованиям 2-й категории трещиностойкости 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 смонтированы у автодороги в селе Овчинниково, наблюдения за которыми проводились в течение 15 лет до изменения места положения автодороги. Оценивалось общее состояние и степень коррозии фибр внутри сечения лотка. В процессе эксплуатации коррозии стальных фибр в сечении СФБ элемента лотка не обнаружено (рисунок 17,б). Разработанный СФБ лоток обладает равной прочностью с типовым железобетонным, при этом его масса сократилась более чем в 2 раза, трудоемкость изготовления снизилась на 36%, металлоемкость бортоснастки сократилась в 3 раза, а себестоимость составила 81% от типового аналога.
В диссертационной работе представлены также мобильный дом из сборных тонкостенных СФЖБ оболочек, тонкостенная ребристая оболочка 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 перспективность разработанного нового единого системного комплексного научного подхода к созданию СФБ с заданными свойствами и конструкций с заданными параметрами на его основе.
Основные выводы
- Анализ современного состояния проблемы, существующих 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 обеспечить широкое внедрение в практику различных областей строительства.
2. Разработан научный подход к созданию сталефибробетона, а также сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций с заранее заданными свойствами на основе единого системного комплексного итерационного процесса проектирования сначала материала – исходя из общих 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.
3. В рамках разработанного подхода:
- предложена оригинальная методика подготовки исходных данных, позволяющая определить область рационального фибрового армирования, обеспечивающую заданную прочность материала и конструкции при минимальном расходе фибры;
- введен параметр приведенного коэффициента рациональности сечения kred, 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.
4. Проведены широкомасштабные экспериментальные исследования лабораторных и натурных образцов сталефибробетона, сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций с изменением в широком диапазоне большого количества варьируемых элементов – состав бетона, тип стальных фибр, технологические факторы, процент фибрового армирования, геометрия и размеры образцов, их напряженно-деформированное состояние, вид и продолжительность внешних воздействий.
5. В результате экспериментальных исследований получены группы конструктивных, технологических и практических результатов:
- конструктивные –
- подтверждена и доказана обоснованность и перспективность разработанного научного подхода к созданию сталефибробетона, а также сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций 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 длительности 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 стальной 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 сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций;
- практические -
- разработаны практические основы создания сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций;
- рекомендованы нормативные и расчетные сопротивления сталефибробетона и предложена его классификация по прочности;
- систематизированы варианты фибрового армирования (моно-, поли – и комбидисперсное) и принципы проектирования в зависимости от него;
- составлены таблицы рациональных характеристик сталефибробетона в зависимости от назначения конструкции и области строительства.
6. На основе разработанного научного подхода предложены новые сталефибробетонные и сталефиброжелезобетонные конструкции с заданными свойствами:
- сталефиброжелезобетонная оболочка покрытия храма со сниженным весом и расходом стали более, чем в 5 и в 2 раза соответственно;
- 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 помещения и бронедвери для них.
7. Результаты теоретических, экспериментальных и практических исследований по созданию сталефибробетона, а также сталефибробетонных и сталефиброжелезобетонных конструкций с заранее заданными 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 -
- Талантова К. В. Эксплуатационные характеристики сталефибробетонных конструкций для дорожного строительства / К.В. Талантова [ и др. ] // Бетон и железобетон. – 2002. – № 3. – С. 6–8.
- Михеев Н. М. К вопросу о классификации стальных фибр для дисперсного армирования бетонов / Н.М. Михеев, К.В. Талантова // Бетон и железобетон. 2003. – № 2. – С. 9–11.
- Талантова К. В. Основы создания сталефибробетонных конструкций с заданными свойствами / К.В. Талантова // Бетон и железобетон. – 2003. –
№ 5. – С.4–8. - Талантова К. В. Создание элементов конструкций с заданными свойствами на основе сталефибробетона / К.В. Талантова // Известия вузов. Строительство. – Новосибирск, 2008. – № 10. – С. 4–9.
- Талантова К. В. Обеспечение свойств элементов конструкций на основе сталефибробетона с учетом влияния характеристик стальных фибр /
К.В. Талантова, Э.И. Вингисаар // Известия вузов. Строительство. Новосибирск, 2008 – № 11 – 12. – С. 123–129. - Талантова К. В. Математические модели зависимости прочностных характеристик сталефибробетона от технологических факторов / К.В. Талантова, В.К. Беспрозванных // Бетон и железобетон. – 2009 – № 1. – С.16–19.
- Талантова К. В. Оболочки покрытия храмовых зданий на основе сталефибробетона / К.В. Талантова, Л.В. Халтурина // Вестник Белг. гос. техн. ун-та. – Белгород, 2009 – № 1. – С.13–16.
- Талантова, К. В. Разработка конструкции сталефибробетонного контейнера для размещения и захоронения токсичных промышленных отходов / К.В. Талантова, Н.М.Михеев // Бетон и железобетон. 2009 № 3 С 13-16.
- Талантова К. В. Разработка конструкций покрытий с заданными свойствами на основе сталефибробетона / К.В. Талантова // Бетон и железобетон. 2009 № 5. С. 5-8.
- Талантова, К. В. Исследование влияния свойств стальных фибр на эксплуатационные характеристики сталефибробетонных конструкций / К.В. Талантова, Н.М. Михеев // Ползуновский вестник. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. Ползунова. 2011 – № 1 - С.194 – 199.
- Талантова, К. В. Практика создания конструкций на основе сталефибробетона с заданными эксплуатационными характеристиками / К.В. Талантова, Н.М. Михеев, А.Н. Трошкин // Известия вузов. Строительство. Новосибирск, 2011 - № 10 – С. 112-118.
- Талантова, К. В. Принцип проектирования конструкций на основе сталефибробетона 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 -
- 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. - 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.
- 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 -
- Устройство для формования криволинейных изделий: пат. 2269412 Рос. Федерация: МПК4 В 28 В 7/06 / Н. М. Михеев, К. В. Талантова; заявители 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. - 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. - Контейнер для захоронения токсичных отходов: пат. 2268218 Рос. Федерация: 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 -
- 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 дорожных одежд и мостов / К.В. Талантова [ и др. ]; Алт. политехн. и-т. – Барнаул, 1988. – 47 с.
- Талантова К. В. Композит - сталефибробетон в дорожном строительстве / К.В. Талантова, С.В. Толстенев // Автомобильные дороги. – 1999. – № 9. – С. 24–25.
- 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.
- Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования тонкостенных водоотводных лотков из сталефибробетона / К.В. Талантова, Н.М.Михеев // Вестник Томск. гос. архит. – строит. ун-та. – Томск, 2000. –
№ 1. – С. 143–152. - Талантова К. В. Применение сталефибробетона при реконструкции пролетных строений автодорожных мостов / К.В. Талантова [ и др. ] // Пути повышения качества и эффективности строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог искусственных сооружений на них : труды Всерос. науч.- практ. конф. – Барнаул, 2001. – С.327–331.
- Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования работы составной конструкции пролетного строения автодорожного моста /
К.В. Талантова, С.В. Толстенев, А.С. Тремасов // Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред. ЭМФ-2001. Композиционные и порошковые металлические материалы: труды второй науч.-техн. конф. – Барнаул, 2001. –С. 234–242. - Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования контактной зоны матрица - волокно строительного композита – сталефибробетона / К.В Талантова // Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред. ЭМФ-2001. Композиционные и порошковые металлические материалы : труды второй науч.-техн. конф. –Барнаул, 2001. – С. 243–248.
- 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.
- 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 international conference on composite materials. ICCM-13, China. – Beijing, 2001. – ID 1217.
- Талантова К. В. Повышение эксплуатационных характеристик конструкций 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.
- Талантова К. В. О нормативной базе по проектированию и изготовлению высокоэффективных сталефибробетонных конструкций / К.В. Талантова // 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.
- Талантова К. В. О проблеме захоронения токсичных промышленных отходов / К.В. Талантова // Социальная безопасность населения юга Западной Сибири : материалы междунар. науч.- практ. конф. «Региональные аспекты обеспечения социальной безопасности населения юга Западной Сибири – проблемы защиты от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. – Барнаул, 2003. – Вып. 1 – С.136–138.
- 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.
- 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.
- Талантова К.В. Полы из сталефибробетона / К.В. Талантова [ и др.] // Проектирование и строительство в Сибири. 2004. - № 6. - С.22 – 24.
- Талантова К. В. Строительные конструкции с применением сталефибробетона. Проблемы и пути их решения / К.В. Талантова // Бетон и железобетон – 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 доклады. Секция «Железобетонные конструкции зданий и сооружений». НИИЖБ. 2005 – С.229–235.
- Талантова К. В. Исследования напряженно - деформированного состояния сталефибробетонных контейнеров для захоронения токсичных промышленных 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 «Экологические аспекты применения бетона и железобетона». НИИЖБ. 2005. – С.288–294.
- Талантова К. В. Строительные конструкции на основе сталефибробетона 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.
- 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. - Талантова, К. В. Регулирование свойств композита – сталефибробетона с целью обеспечения эксплуатационных характеристик конструкций на его основе / К. В. Талантова // Проблемы оптимального проектирования сооружений: доклады 2-ой Всероссийской конференции, Новосибирск, 5-6 апреля, 2011 г. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2011. – С. 347 - 354.
- Талантова, К.В.Формирование свойств сталефибробетона в соответствии с условиями эксплуатации конструкций / К.В. Талантова // Вiсник одеської державної академiї будiвництва та архiтектури. Одесса. 2012. – Випуск № 47, Ч.1. - С. 317-321.
