План-схема Плотины. Исследование теплозащитных качеств сталефибробетона
 Скачать 0.71 Mb.
|
|
Строительные материалы и технологии №3 (77) 2018 (май-июнь) _________________________________________________________ 105 УДК 699.86 УМНЯКОВА Н.П., ПОТАПОВА Г.А., ПОТАПОВА Е.Д., СУЛТЫГОВА П.С. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ КАЧЕСТВ СТАЛЕФИБРОБЕТОНА Для повышения эффективности железобетонных конструкций и повышения прочност- ных характеристик в состав бетона вводят дискретные волокна (фибры) различного происхож- дения. При расчете железобетонных конструкций на огнестойкость необходимо знание тепло- физических характеристик бетона. В статье представлены результаты по экспериментальному определению коэффициентов теплопроводности и удельной теплоемкости образцов из стале- фибробетона со стальной проволочной волнистой фиброй в зависимости от процента содержа- ния фибры по объему 1.5; 3.0 и 6.0 %. Также проведены испытания образцов матрицы (содержа- ние фибры 0 %). Предложена методика и формула по определению удельной теплоемкости об- разцов сталефибробетона с использованием контактных регистраторов температуры. Резуль- таты исследований показали, что коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость сталефибробетона зависят от процентного содержания фибры и уменьшаются с ростом про- цента содержания фибры по объему. Ключевые слова: огнестойкость, сталефибробетон, фибра, коэффициент теплопровод- ности, удельная теплоемкость Снизить массивность конструкций, сократить в значительной степени расход бетона и арматуры позволяют сверхпрочные бетоны. Однако, такие факторы, как повышенная хруп- кость, которая приводит к взрывоопасному характеру разрушения (spallingconcrete – разбра- сывающийся бетон), относительно низкое увеличение прочности на растяжение по сравнению с прочностью на сжатие, препятствуют созданию сверхпрочных бетонов.Для устранения этих негативных факторов можно добавлять в состав бетона стальную фибру и получить высоко- прочный сталефибробетон [1].Для повышения эффективности железобетонных конструкций и их прочностных характеристик в состав бетона надовводить дискретные волокна (фибры) раз- личного происхождения [2]. Дисперсное армирование бетонов позволяет повысить их трещи- ностойкость, ударостойкость, износостойкость, увеличить стойкость бетона к воздействию агрессивной среды, а также в ряде случаев отказаться от использования стержневой арматуры или уменьшить ее расход.В качестве микрофибры можно использовать стекловолокно, сталь- ные, базальтовые или полимерные волокна. При изгибе прочность фибробетона может при- нимать значения от 30до 35 МПА, а при сжатии от 80 до 100МПа [3]. Для фибробетона присущи, по сравнению с неармированным бетоном, более высокие показатели прочности, выносливости, водонепроницаемости, огнестойкости. Указанные свой- ства способствуют применению фибробетона в конструкциях, которые эксплуатируются в тя- желых условиях, таких как защитные оболочки АЭС, высотные и сверхвысотные здания, мо- сты, тоннели, морские сооружения и т.д. Оценка огнестойкости железобетонных изгибаемых элементов на основе фибробетонов разного состава проведена по их расчетным пределам огнестойкости в [6]. В качестве базовых были выбраны изгибаемые железобетонные элементы с разным процентом армирования стальной арматурой класса А400 на основе бетона класса В25 с гранитным заполнителем. Се- чение элементов прямоугольное с размерами 300х700х650 мм. Для сравнения рассмотрены аналогичные элементы на основе такого же бетона, но с дисперсным армированием стальной и базальтовой фиброй. Результаты оценочных расчетов огнестойкости изгибаемых элементов приведены в таблице 1. Строительство и реконструкция 106 _________________________________________________________ №3 (77) 2018 (май-июнь) Таблица 1 - Несущая способность и предел огнестойкости изгибаемых железобетонных элементов с фиброармированием Диаметр арматуры, мм 22 28 36 40 Суммарная площадь арматуры, A s , м 2 0,00114 0,001847 0,003054 0,003768 Процент армирования,% 0,5 1,0 1,5 2,0 Несущая спо- собность, М, kH. м Без фиброармиро- вания 152 312 476 605 Стальная фибра 219 395 542 676 Базальтовая фибра 200 365 525 672 Предел огне- стойкости, τ, мин. Без фиброармиро- вания 105 99 92 80 Стальная фибра 95 94 91 83 Базальтовая фибра 100 98 95 90 Из приведенной таблицы можно сделать вывод, что использование фибробетонов и ар- мирование увеличивает несущую способность изгибаемого элемента и, причем особенно, при больших нагрузках. Позитивно сказывается использование фибробетонов и на огнестойкости изгибаемого элемента. Этот эффект нагляднее проявляется при больших нагрузках. Установлено, что бетон с базальтовой фиброй наименее чувствителен к нагреву. Бетон со стальной фиброй в работе [4] по чувствительности к нагреву сравним с обычным бетоном. Это можно объяснить тем, что за время прогрева стальной арматуры до критической темпера- туры расчётная высота сжатой зоны фибробетона остается большей, чем у обычного бетона. Расчеты [4,5] показали, что дисперсное армирование железобетонного изгибаемого элемента стальной или базальтовой фиброй (или в отдельных, наиболее напряженных элемен- тах железобетонной фермы, стальной фиброй) увеличивает его несущую способность, повы- шает его предел огнестойкости, особенно при больших рабочих нагрузках и при увеличении процента армирования. Здесь преимуществом фибробетона является возможность его приме- нения для значительного усиления ферм при увеличении рабочей нагрузки без изменения их внешнего вида и сечения элементов. Также установлено, что экономичность сталефибробето- на повышается за счет снижения веса рабочей арматуры и при этом обеспечивается требуе- мым пределом огнестойкости благодаря повышению пределов огнестойкости ее отдельных элементов. В [6] изучено воздействие высоких температур при пожаре на изменение прочности при изгибе сталефибробе- тонов c высокопрочной цементно-песчаной матрицей при различных процентах армирования фиброй разной прочно- сти, вида и диаметра. Установлено, что в диапазоне темпе- ратур от 20до 1100 С прочность на растяжение при изгибе зависит от всех перечисленных характеристик фибры. Экспериментальная часть. В соответствии с СТО 36554501-006-2006 [7] при расчете железобетонных кон- струкций на огнестойкость необходимо знание теплофизи- ческих характеристик бетона. Теплофизические свойства сталефибробетона (теплопроводность, температуропровод- ность, теплоемкость) зависят от объемного содержания фибры и влажности материала [8]. Поэтому были проведе- ны исследования с целью определения коэффициента теп- лопроводности и удельной теплоемкости сталефибробетона в зависимости от процентного со- держания фибры. Нами были испытаны образцы из сталефибробетона со стальной проволоч- Рисунок 1 - Стальная проволочная волнистая фибра Строительные материалы и технологии №3 (77) 2018 (май-июнь) _________________________________________________________ 107 ной волнистой фиброй ФСПВ 0,3х15 (т.е. длина волокон фибры 15 мм, а диаметр 0.3 мм) (рис. 1). Были испытаны образцы сталефибробетона250×250×30 ммс содержанием фибры по объе- му 1.5; 3.0 и 6.0 %, а также матрица (содержание фибры 0 %). Теплофизические характеристи- ки образцов с содержанием фибры сравнивались с данными по матрице. Сталефибробетонные образцы изготавливались на цементно-песчаной матрице. Определение коэффициента теплопроводности При определении коэффициента теплопроводностисталефибробетона при стационар- ном тепловом режиме по стандартизированной методике по ГОСТ 7076 -99 [9] была исполь- зована установка ПИТ 2.1. Образцы фибробетона были перед испытанием высушены до по- стоянной массы. Результаты исследований показали, что коэффициент теплопроводности λ стале- фибробетона зависит от процентного содержания фибры и уменьшается с ростом процента содержания фибры по объему μ fv (рис.2). Для данных результатов эту зависимость можно описать уравнением вида: 006 , 1 037 , 0 fv Предполагаем, что на теплопроводность фибробетона влияют воздушные промежутки между матрицей и фиброй. Поэтому с увеличением процентного содержания фибры увеличи- вается количество воздушных промежутков и происходит уменьшение коэффициента тепло- проводности сталефибробетона. Определение удельной теплоемкости Для определения теплоемкостиобразцов сталефибробетона была предложена следую- щая методика. Испытания проводили в соответствии с ГОСТ 7076 -99. Наряду с исследуемы- ми образцами фибробетона использовали эталонный образец с известной теплоемкостью - оптическое стекло. Размеры образцов и эталона были одного порядка.Электрический сушиль- ный шкаф имел температуру прогрева 100 о С. Данная методика предусматривает использование универсальной системытемпературного мониторинга во времени. В прогретый до заданной температуры (90 о С) сушильный электрошкаф помещали на 4 часа, исследуемый образец и эталон, которые были снабжены запрограммированными кон- тактными регистраторами температуры -термохронами. Затем они вынимались и охлаждались в одинаковых условиях до комнатной температуры. (20+-2) о С. Считывая с помощью персонального компьютера информацию с регистраторов температуры, определяли время остывания для исследу- емого образца и эталона. Термохроныпозволяли регистрировать температуру прогрева образцов и эталона через определенные, заданные нами заранее промежутки времени (2-5мин.) и сохранять по- лученную информацию в собственной энергонезависимой памяти.Диапазон регистрируемых тем- ператур регистраторов температуры составлял от «-40 о С» до «+85 о С», поэтому был выбран электрошкаф с прогревом до 100 о С. Регистраторы температурыприклеивались к образцам в соответствии с ГОСТ 19783- 74[10] с помощью кремнийорганической теплопроводной пасты, которая обеспечивала эффек- тивный тепловой контакт между двумя соприкасающимися поверхностями, исследуемым об- разцом и регистратором температуры. Рабочая температура для такой пасты находится в ин- тервале от «-40» до «+180» о С. Для определения влияния наличия фибры, ее процентного содержания в образцах и для получения более полной картины прогрева образца, а также более достоверных значений теп- лоемкости, приклеивали на поверхность каждого образца по пять термохронов (в центре по- верхности и по диагоналям). По ним определяли средние значения времени и температур нагрева и остывания образцов, которые использовались при определении значений теплоем- кости (рис.3). Строительство и реконструкция 108 _________________________________________________________ №3 (77) 2018 (май-июнь) Рисунок 2 - Зависимость коэффициента теплопроводности λ сталефибробетона от объемного содержания фибры μ fv Показания по изменению значений температуры в образцах и эталоне во времени расшифровывали с ис- пользованием программы на персональном компьютере. Для вычисления теплоёмкости образцов предложе- на следующая формула: эт обр обр эт эт обр t t m m С C ' , где С эт - коэффициент теплоёмкость эталона,Дж/(кг*К); m эт - масса эталона, кг; m обр - масса образца, кг; t обр- - время остывания образца, с; t эт - время остывания эталона, с. Результаты эксперимента показали, что удельная теплоемкостьСсталефибробетона зависит от процентного содержания фибры и уменьшается с ростом процента содержания фибры по объему μ fv (рис.4). Для данных результатов эту зависимость можно описать уравнением вида: 2 , 958 3 , 17 fv С Рисунок 3 - Образцы из фибробетона и оптического стекла с термохронами Строительные материалы и технологии №3 (77) 2018 (май-июнь) _________________________________________________________ 109 Рисунок 4 - Зависимость удельной теплоемкости Ссталефибробетона от объемного содержания фибры μ fv Вывод. Установлено, что коэффициент теплопроводности λ и удельная теплоемкость- Ссталефибробетона зависят от процентного содержания фибры и уменьшаются с ростом про- цента содержания фибры по объему μ fv СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Карпенко Н.И., ТравушВ.И., КаприеловС.С., Мишина А.В., Андрианов А.А., БезгодовИ.М. Иссле- дование физико-механических и реологических свойств высокопрочного сталефибробетона // Строительные науки. -2013. - №1.-С. 106-113. 2. Баженов Ю.М. Технология бетонов XXI века /Ю.М.Баженов// Новые научные направления строи- тельного материаловедения: материалы докладов Академических чтений РААСН. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова.- 2005.-С.9-19. 3. ПухаренкоЮ.В. Эффективные фиброармированные материалы и изделия для строительства / Ю.ВПухаренко// Промышленное и гражданское строительство. --2007. - №10. 4. Васильченко А.В.] Васильченко А.В. Оценка огнестойкости изгибаемых железобетонных элемен- тов, усиленных фиброматериалами /А.В.Васильченко// Проблемы обеспечения безопасности при ликвидации чрезвычайных ситуаций, - 2014. -№1. - С.178-180. 5. Васильченко А.В., И.М.Хмыров] А.В. Васильченко, И.М. Хмыров Оценка огнестойкостижелезобе- тонной фермы при использованиифибробетона в ее отдельных элементах/А.В.Васильченко// «Проблемы пожар- нойбезопасности», -2014. - Выпуск 36. -С. 58-62. 6. Дорф В. А., Красновский Р. О., Капустин Д. Е., СултыговаП.С. Влияние характеристик стальной фибры и ее содержание в сталефибробетоне на его огнестойкость //Вестник гражданский инженеров СПбГАСУ. - 2017. - №5(64) - С.38-46 7. СТО36554501-006-2006 Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетон- ных конструкций. - М.-2006-81с. 8. КоледаЕ.А., ЛеоновичС.Н., ЛатышА.В. Анализ физико-механических характеристик сталефибробе- тона//Материалы XXмеждународного научно-методического семинара. -Гродно. ГрГУим. Я.Купалы. - 2016.- С.248-253. Строительство и реконструкция 110 _________________________________________________________ №3 (77) 2018 (май-июнь) 9. ГОСТ 7076-99 Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и терми- ческого сопротивления при стационарном тепловом режиме. 10. ГОСТ 19783-74 Паста кремнийорганическая теплопроводная. Технические условия. Умнякова Нина Павловна НИИСФРААСН, г. Москва Кандидат технических наук, Заместитель директора по научной работе РААСН E-mail: n.umniakova@mail.ru Потапова Галина Алексеевна НИИСФРААСН, г. Москва Главный метрологНИИСФРААСН E-mail: niisf322f@mail.ru Потапова Евгения Дмитриевна НИИСФРААСН, г. Москва Инженер НИИСФРААСН E-mail: niisf322f@mail.ru Султыгова Пятимат Суламбековна Ингушский государственный университет, г. Магас Кандидат технических наук, доцент кафедры «Общая физика» E-mail: sultygova@yandex.ru UMNYAKOVA N.P., POTAPOVA G.A., POTAPOVA E.D., SULTYGOVA P.S. INVESTIGATION OF THERMAL PROTECTIVE QUALITY OF STEEL-FIBROBETON To increase the efficiency of reinforced concrete structures and increase the strength character- istics, discrete fibers (fibers) of various origins are introduced into the concrete composition. When cal- culating reinforced concrete structures for fire resistance, it is necessary to know the thermal physical characteristics of concrete.The paper presents the results of the experimental determination of the ther- mal conductivity and specific heat of specimens made of steel fiber-reinforced concrete with steel wire wavy fiber, depending on the percentage of fiber content in volume 1.5; 3.0 and 6.0%. The samples of the matrix (fiber content 0%) were also tested. A technique and a formula for determining the specific heat of steel-fiber-concrete samples using contact temperature recorders are proposed.The results of the research showed that the coefficient of thermal conductivity and the specific heat of steel fiber-reinforced concrete depend on the percentage of fiber and decrease with increasing percentage of fiber content by volume. Keywords:fire resistance, steel fiber-reinforced concrete, fiber, thermal conductivity, specific heat REFERENCES 1. Karpenko N.I., TravushV.I., KapriyelovS.S., Mishina A.V., Andrianov A.A., BezgodovI.M. Issledovaniye fiziko-mekhanicheskikh i reologicheskikh svoystv vysokoprochnogo stalefibrobetona // Stroitel'nyye nauki. -2013. - №1.- S. 106-113. 2. Bazhenov YU.M. Tekhnologiya betonov XXI veka /YU.M.Bazhenov// Novyye nauchnyye napravleniya stroitel'nogo materialovedeniya: materialy dokladov Akademicheskikh chteniy RAASN. - Belgorod: Izd-vo BGTU im. V.G.Shukhova.- 2005.-S.9-19. 3. PukharenkoYU.V. Effektivnyye fibroarmirovannyye materialy i izdeliya dlya stroitel'stva / YU.VPukharenko// Promyshlennoye i grazhdanskoye stroitel'stvo. --2007. - №10. 4. Vasil'chenko A.V.] Vasil'chenko A.V. Otsenka ognestoykosti izgibayemykh zhelezobetonnykh elementov, usilennykh fibromaterialami /A.V.Vasil'chenko// Problemy obespecheniya bezopasnosti pri likvidatsii chrezvychaynykh situatsiy, - 2014. -№1. - S.178-180. 5. Vasil'chenko A.V., I.M.Khmyrov] A.V. Vasil'chenko, I.M. Khmyrov Otsenka ognestoykostizhelezobetonnoy fermy pri ispol'zovaniifibrobetona v yeye otdel'nykh elementakh/A.V.Vasil'chenko// «Problemy pozharnoybezopasnosti», -2014. - Vypusk 36. -S. 58-62. 6. Dorf V. A., Krasnovskiy R. O., Kapustin D. Ye., SultygovaP.S. Vliyaniye kharakteristik stal'noy fibry i yeye soderzhaniye v stalefibrobetone na yego ognestoykost' //Vestnik grazhdanskiy inzhenerov SPbGASU. - 2017. - №5(64) - S.38-46 Строительные материалы и технологии №3 (77) 2018 (май-июнь) _________________________________________________________ 111 7. STO36554501-006-2006 Pravila po obespecheniyu ognestoykosti i ognesokhrannosti zhelezobetonnykh kon- struktsiy. - M.-2006-81s. 8. KoledaE.A., LeonovichS.N., LatyshA.V. Analiz fiziko-mekhanicheskikh kharakteristik stalefibrobeto- na//Materialy XXmezhdunarodnogo nauchno-metodicheskogo seminara. -Grodno. GrGUim. YA.Kupaly. - 2016.- S.248- 253. 9. GOST 7076-99 Materialy i izdeliya stroitel'nyye. Metod opredeleniya teploprovodnosti i termicheskogo so- protivleniya pri statsionarnom teplovom rezhime. 10. GOST 19783-74 Pasta kremniyorganicheskaya teploprovodnaya. Tekhnicheskiye usloviya. Umnyakova Nina Pavlovna SRIBP RAAСS, Moscow Candidate of Technical Sciences, Deputy Director for Scientific Work of the RAAСS E-mail: n.umniakova@mail.ru Potapova Galina Alekseevna SRIBP RAAСS, Moscow Chief Metrologist SRIBP RAAСS E-mail: niisf322f@mail.ru Potapova Evgenia Dmitrievna SRIBP RAAСS, Moscow Engineer SRIBP RAAСS E-mail: niisf322f@mail.ru Sultygova Pyatimat Sulambekovna Ingush State University, Magas Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the department "General Physics" E-mail: sultygova@yandex.ru |