Помощь студентам в учебе
ПРОЧНОСТНЫЕ, ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИСТИРОЛБЕТОНА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ИЗДЕЛИЙ
|
Введение 9
1 Состояние вопроса и задачи исследования 17
2 Характеристики материалов и методики исследования. Подбор
составов полистиролбетона 25
2.1 Материалы и технология для изготовления экспериментальных образцов 29
2.2 Изготовление экспериментальных образцов и исследование характеристик
полистиролбетонной смеси, составы исследованных бетонов 38
2.3 Методы постановки экспериментальных исследований характеристик
полистиролбетона 44
Выводы 48
3 Исследование прочностных характеристик конструкционного
полистиролбетона 49
3.1 Методика проведения испытаний 49
3.2. Прочность на сжатие 53
3.2.1 Кубиковая прочность на сжатие 56
3.2.2 Осевое сжатие (призменная прочность) 62
3.2.3 Прочность на местное сжатие 69
3.3 Исследование прочности на растяжение 73
3.3.1 Прочность на осевое растяжение 73
3.3.2 Прочность на растяжение при изгибе 76
Выводы 80
4 Исследование деформационных характеристик конструкционного
полистиролбетона 81
4.1 Методика проведения испытаний 81
4.2 Начальный модуль упругости 89
4.3 Условная предельная деформативность 95
4.4 Коэффициент Пуассона 99
4.5 Деформации усадки 100
4.6 Прочность при длительном приложении нагрузки 103
4.6.1 Деформации ползучести 103
4.7 Коэффициент линейной температурной деформации 108
Выводы 112
5 Исследование эксплуатационных характеристик конструкционного
полистиролбетона 113
5.1 Методика проведения испытаний 113
5.2 Морозостойкость 116
5.3 Теплопроводность 122
5.4 Паропроницаемость 129
Выводы 131
6 Исследование работы полистиролбетона в изгибаемых элементах 134
6.1 Методика проведения испытаний 134
6.2 Результаты испытаний балок 137
Выводы 145
7 Предложения по совершенствованию инженерной методики расчета изделий из
полистиролбетона 146
7.1 Изделия из полистиролбетона, предложения к их расчету и рациональная
область их применения 146
7.2 Обоснование и расчет экономической эффективности внедрения в
производство изделий из конструкционного полистиролбетона 150
Выводы 158
Основные выводы 159
Список использованных источников 162
Приложение 1 Предложения к проектированию составов конструкционного полистиролбетона, примеры расчета 174
Приложение 2 Результаты статистической обработки экспериментальных данных 184 Приложение 3 Материалы о внедрении
1 Состояние вопроса и задачи исследования 17
2 Характеристики материалов и методики исследования. Подбор
составов полистиролбетона 25
2.1 Материалы и технология для изготовления экспериментальных образцов 29
2.2 Изготовление экспериментальных образцов и исследование характеристик
полистиролбетонной смеси, составы исследованных бетонов 38
2.3 Методы постановки экспериментальных исследований характеристик
полистиролбетона 44
Выводы 48
3 Исследование прочностных характеристик конструкционного
полистиролбетона 49
3.1 Методика проведения испытаний 49
3.2. Прочность на сжатие 53
3.2.1 Кубиковая прочность на сжатие 56
3.2.2 Осевое сжатие (призменная прочность) 62
3.2.3 Прочность на местное сжатие 69
3.3 Исследование прочности на растяжение 73
3.3.1 Прочность на осевое растяжение 73
3.3.2 Прочность на растяжение при изгибе 76
Выводы 80
4 Исследование деформационных характеристик конструкционного
полистиролбетона 81
4.1 Методика проведения испытаний 81
4.2 Начальный модуль упругости 89
4.3 Условная предельная деформативность 95
4.4 Коэффициент Пуассона 99
4.5 Деформации усадки 100
4.6 Прочность при длительном приложении нагрузки 103
4.6.1 Деформации ползучести 103
4.7 Коэффициент линейной температурной деформации 108
Выводы 112
5 Исследование эксплуатационных характеристик конструкционного
полистиролбетона 113
5.1 Методика проведения испытаний 113
5.2 Морозостойкость 116
5.3 Теплопроводность 122
5.4 Паропроницаемость 129
Выводы 131
6 Исследование работы полистиролбетона в изгибаемых элементах 134
6.1 Методика проведения испытаний 134
6.2 Результаты испытаний балок 137
Выводы 145
7 Предложения по совершенствованию инженерной методики расчета изделий из
полистиролбетона 146
7.1 Изделия из полистиролбетона, предложения к их расчету и рациональная
область их применения 146
7.2 Обоснование и расчет экономической эффективности внедрения в
производство изделий из конструкционного полистиролбетона 150
Выводы 158
Основные выводы 159
Список использованных источников 162
Приложение 1 Предложения к проектированию составов конструкционного полистиролбетона, примеры расчета 174
Приложение 2 Результаты статистической обработки экспериментальных данных 184 Приложение 3 Материалы о внедрении
В настоящее время особенную актуальность приобрела необходимость поиска новых подходов к решению проблем по теплозащите зданий и сооружений в соответствии с современными требованиями действующей нормативной документации в строительстве. В связи с этим возникла потребность в применении новых конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов и изделий, отвечающих требованиям данных норм, технологичных в производстве и отвечающих условиям экономической целесообразности. Данным требованиям сегодня в полной мере может соответствовать строительный материал, использующийся в России и странах СНГ под названием полистиролбетон. В других странах данный легкий бетон известен под следующими названиями: стиропорбетон или EPS beton в Германии и странах Восточной Европы, изолтего в Италии, полисбето во Франции. Неуклонный рост интереса к нему на рынках строительных материалов не только в России, но и за рубежом обусловливается высокой эффективностью применения изделий из полистиролбетона и пенополистиролбетона (диппбетона).
Полистиролбетоном называют бетон, в котором заполнителем являются гранулы вспененного полистирола. По своим свойствам полистиролбетон относится к легким бетонам, однако имеет ряд существенных отличий. К его достоинствам относят возможность варьирования в широких пределах его плотности, в результате чего полистиролбетон может быть как теплоизоляционным, так и конструкционным материалом. Конструкционно-теплоизоляционный полистиролбетон - материал марок по плотности от D700 до D1000 и прочностью на сжатие от класса В3,5 до В7,5. Конструкционный полистиролбетон - материал марок по плотности от D1000 до D1600 и прочностью на сжатие от класса В7,5 до В15.
Легкий бетон с заполнителем из гранул пенополистирола получил большое распространение в ряде европейских стран. Еще в 1952 г. западногерманская фирма «BASF» запатентовала способ производства стиропорбетона (бетон с заполнителем из гранул полистирольного пенопласта).
За рубежом полистиролбетон применяется с конца 60-х годов. Прочность на сжатие бетона типа «Unisol» со средней плотностью 800 кг/м3 [Х0= 0,28 Вт/(м’К)] и 1200 кг/м3 [Х0 = 0,5 Вт/(м’К)] при расходе цемента в бетоне 300 и 350 кг/м3 составляет соответственно 1,5 и 5 МПа.
В настоящее время полистиролбетон низкой плотности применяется в странах Западной Европы в качестве морозостойкого основания для железных дорог, для изготовления стеновых панелей, утепления кровель, теплого основания для полов животноводческих зданий. В Германии этот материал, названный «радипором», успешно заменяет в строительстве зданий минераловатные плиты и прочие менее эффективные утеплители.
Швейцарская компания «RASTRA®» с 1972 года выпускает теплоизоляционные плиты для малоэтажного строительства из полистиролбетона средней плотностью 300-500 кг/м3. Легкий бетон с заполнителем из пенополистирола в Нидерландах используется в фундаментных плитах в качестве утеплителя. В Болгарии успешно применяются трехслойные железобетонные стеновые конструкции со средним слоем из полистиролбетона и гибкими связями между наружными и внутренним слоем.
В СССР в качестве ограждающих конструкций полистиролбетон, именуемый ранее стиропорбетоном, был впервые применен в 1970 г. при изготовлении неармированных стеновых блоков в г. Анадыре. Через четыре года бетон на заполнителе из гранул пенополистирола был использован для изготовления несущих однослойных стеновых панелей для сельского строительства на Чукотке [24], в управлениях Анадырьсельстроя и Магадансельстроя при участии ЦНИИЭПсельстроя [50]. После исследований, проведенных в МИСИ вместе с институтом «ЦНИИЭПсельстрой», трестом «Арктикстрой» был применен в строительстве полистиролбетон плотностью 300-600 кг/м3.
В опытном порядке полистиролбетон применялся ЛенЗНИЭП в качестве утеплителя на армоцементных покрытиях [33]. В начале и в середине 70-х были введены технические условия на изготовление стеновых панелей и блоков из стиропорбетона для сельскохозяйственных зданий. Указанные ТУ были отменены только в 1994 году.
Впоследствии, исследования по использованию теплоизоляционного полистиролбетона для изготовления объемных блоков для жилых зданий на Севере были проведены Гипроспецгазом [9]. Предложенная технология приготовления полистиролбетонной смеси опробована на Краснодарском домостроительном комбинате.
Строительство индивидуального и малоэтажного жилья необходимо вести в промышленных масштабах, снижая его стоимость до доступного уровня, заявил Президент России Д.А. Медведев. В рамках реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье» четырех и пятиэтажные дома из полистирол-бетона с плотностью 1200-1500 кг/м3, класса по прочности В7,5-В15 удовлетворяют предъявляемым требованиям по надежности и энергоэффективности.
Представляется целесообразным изготавливать из полистиролбетона, например, надоконные перемычки, плиты чердачного перекрытия. Он является перспективным и для изготовления крупноразмерных стеновых панелей.
Известно, что данный вид бетона обладает особым набором прочностных и деформационных свойств. По зависимости между плотностью и модулем упругости полистиролбетон близок к легким бетонам, по отношению кубиковой прочности к призменной похож на мелкозернистый или крупнопористый керамзитобетон, по предельным деформациям сжатия он приближается к тяжелым бетонам, а по макроструктуре полистиролбетон чем-то схож с ячеистыми бетонами. Кроме того, известно, что в образцах из ячеистого бетона, как и в полистиролбетонных, разрушение от нагрузки происходит не по зернам заполнителя, а по оболочкам пузырьков (ячеек). Трещиностойкость полистиролбетона намного лучше, чем у ячеистого бетона [16, 17, 26, 37, 52, 64].
Полистиролбетон в отличие от ячеистого бетона с течением времени не подвержен процессу карбонизации под действием углекислого газа из атмосферы. Водопоглощение полистиролбетона ниже, чем у ячеистого бетона при одинаковой плотности в 2,5-3 раза, а по сравнению с водопоглощением традиционных легких бетонов на пористых заполнителях - ниже в 1,5-2 раза [33, 104].
В современной строительной науке до настоящего времени считалось, что полистиролбетон можно рассматривать как ячеистый, но с б0льшими размерами пор, заполненными полистиролом, с меньшей проницаемостью и с демпфирующим эффектом. На самом деле в этом материале реализована двумодальная пористость - крупные поры формируют шарики полистирола, а мелкие - излишки не вступившей в реакцию с цементом и испаряющейся в дальнейшем воды и, часто микропена от часто применяемых добавок - пенообразователей.
Характерной особенностью полистиролбетона в сравнении с другими легкими бетонами на пористых заполнителях является огромное (в 20-30 раз) различие между плотностью гранул заполнителя и цементной матрицы.
Использование полистиролбетона в изделиях, выполняющих функцию не-сущих, требует изучения целого ряда вопросов. В первую очередь необходимо изучить свойства полистиролбетона, как конструкционного материала в целом.
В настоящее время в строительстве практически используется только полистиролбетон низкой плотности (150-600 кг/м3), как теплоизоляционный материал [2, 19-22, 36, 43, 58,59], хотя уже для стеновых камней учитывается и возможность восприятия нагрузки от собственного веса [9, 28, 48, 52, 53, 60, 61, 66, 78, 98].
Как конструкционный материал, полистиролбетон в диапазоне плотностей от 700 до 1450 кг/м3 практически не исследовался. В принципе полистиролбетон может воспринимать нагрузки от конструктивных элементов, он может использоваться в любых строительных изделиях, в том числе армированных, являющихся одновременно теплоизоляционными и несущими. Применение конструкционного полистиролбетона в строительстве востребовано и представляется перспективным.
Настоящая работа посвящена изучению работы полистиролбетона при различных случаях загружения, выявлению картины деформирования и разрушения материала и, на базе этого, описания его свойств, определяющих возможность прогнозирования его поведения под действием нагрузки. Свойства изделий из полистиролбетона зависят от состава материала и способа его изготовления. Для того чтобы говорить о свойствах материала, необходимо определиться с его со-ставом и технологией изготовления. При подборе состава полистиролбетона особое внимание уделено использованию местных сырьевых материалов, в частности техногенных отходов, утилизация которых способствует оздоровлению окружающей среды.
Разработка и внедрение составов конструкционного полистиролбетона на основе техногенных заполнителей в производство несущих железобетонных изделий имеет важное экологическое значение. Предложен один из вариантов решения проблемы утилизации отходов черной металлургии (шлаков), связанный с применением новых строительных технологий [6].
Существенное увеличение объема производства изделий из полистиролбетона требует более глубокого и широкого изучения свойств этого «нового» строи-тельного материала. Это позволит уточнить рациональные области использования эффективных полистиролбетонных конструкций, повысить их качество и долговечность.
Конструкционный полистиролбетон в диапазоне плотностей 1200-1450 кг/м3 и класса В7,5 -B15 востребован для проектирования конструкций в районах Рос-сии с сейсмическими зонами 8-9 баллов (например Улан-Удэ), так как удовлетворяет требованиям СНиП II-7-81 "Сейсмика" (раздел: здания с несущими стенами из кирпича или каменной кладки) п. 3.38. Для кладки несущих и самонесущих стен или заполнения каркаса следует применять следующие изделия и мате-риалы: б) бетонные камни, сплошные и пустотелые блоки (в том числе из легкого бетона плотностью не менее 1200 кг/м3) марки 50 и выше.
На основании углубленного изучения материалов исследований полистирол бетона, выполнявшихся различными авторами на протяжении более чем 40 лет, установлено, что для этого более пластичного и имеющего повышенное соотношение прочностей на растяжение и сжатие материала необходима разработка теоретических положений своего, особого механизма разрушения или теории прочности в зависимости от его состава и структуры.
Целью работы является разработка рациональных составов, выбор технологии изготовления изделий и изучение прочностных, деформационных и тепло-изоляционных характеристик полистиролбетона, как материала для несущих строительных конструкций и изделий, под кратковременным и длительным воздействием нагрузки.
Научная новизна работы состоит в том, что получены:
1. Конструкционно-теплоизоляционный и конструкционный полистиролбетон на основе техногенных заполнителей Уральского региона с необходимыми свойствами и выбрана рациональная технология изготовления несущих конструкций из данного вида легкого бетона;
2. Закономерности изменения прочностных, деформативных и эксплуатационных свойств конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного полистиролбетона в диапазоне плотностей от 800 кг/м3 до 1450 кг/м3, не рассматриваемых действующим ГОСТ Р 51263-99;
3. Уточняющие коэффициенты к существующей методике расчета конструкций из ячеистого бетона применительно к расчету и проектированию новых эффективных полистиролбетонных изделий.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе результатов выполненных экспериментальных исследований пополнены имеющиеся не-многочисленные данные ранее проводимых в ОАО институт «УралНИИАС» исследований в этой области. Разработаны предложения по совершенствованию инженерной методики расчета и проектирования изделий из полистиролбетона.
Данная исследовательская работа является составной частью научного направления, развиваемого в Уральском научно-исследовательском институте архитектуры и строительства, совместно со Строительным факультетом ГОУ ВПО УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.
В настоящее время, на основе экспериментальных данных по подбору рациональных составов и исследованию прочностных и деформационных характеристик конструкционного полистиролбетона, полученных в данной исследовательской работе, разработаны следующие изделия:
По разработанным чертежам, изготовлены опытные серии армированных перемычек и крупные простеночные блоки по серии 81 для ОАО «Северский трубный завод». Проведены исследования работы полистиролбетонных изделий под нагрузкой в условиях изгиба и внецентренного сжатия.
Практическое значение и внедрение результатов работы. Практическая реализация работы обеспечена разработкой:
- Территориальных градостроительных норм Свердловской области «Бетонные и железобетонные конструкции из полистиролбетона».
- новых редакций ТУ 5745-001-20875427-02 «Смеси полистиролбетонные», ТУ 5767-002-20875427-02 «Блоки полистиролбетонные» и Рекомендаций по
применению полистиролбетона в строительстве для ООО «Корпорация «Маяк»;
- ТУ 5828-003-25057366-06 «Перемычки из полистиролбетона» для ООО «Корпорация «Маяк».
Результаты подбора составов конструкционного полистиролбетона были использованы при разработке трехслойной стеновой панели по заказу ОАО «завод ЖБИ Бетфор», для строительства жилых зданий в г. Пелым Свердловской области.
Изделия из полистиролбетона, разработанные на основании результатов исследований, использованы при проектировании и строительстве двухсекционного жилого дома с подземным паркингом в переулке Базовом в г. Екатеринбурге.
Ожидаемый годовой экономический эффект от использования рекомендаций автора при применении изделий из полистиролбетона в строительстве жилого одноподъездного девятиэтажного дома из монолитного железобетона для завода ЖБИ с выпуском изделий 10000 м3 в год составит не менее 14,94 млн. руб.
Апробация работы:
Отдельные разделы диссертации докладывались на следующих научных конференциях: II Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье», Международной научно-практической конференции «Проблемы и достижения строительного материаловедения» (БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород 2004, 2005); VI Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (СПбГПУ, Санкт-Петербург 2005 г.); Всероссийской конференции «Химия твердого тела и функциональные материалы» (СО РАН-УрО РАН Екатеринбург 2004); Всероссийских конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Наука. Технологии. Инновации» (НГТУ, Новосибирск 2003-2004 г.); на VII и VIII отчетных научных конференциях молодых ученых (ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург 2004-2005), Международной научно-практической конференции «Проблемы и возможности современной науки» (ТСТУ, Тамбов 2009).
Технические разработки автора отмечены дипломом II степени Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Наука. Технологии. Инновации» - НТИ-2003 в секции «Актуальные проблемы современного материаловедения».
Публикации. Основные результаты исследований и основные положения (главы) диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе, и в ведущем рецензируемом научном издании, входящем в перечень ВАК: журнал «Жилищное строительство» (Москва, 2008) и рукописных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка использованных источников из 115 наименований, 3 приложений на 22 страницах и содержит 196 страниц, включая 47 таблиц и 29 рисунков.
Работа выполнена на Строительном факультете ГОУ ВПО УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина и в лаборатории отдела Несущих железобетонных конструкций Уральского научно-исследовательского института архитектуры и строительства в период с 2002 по 2008 годы.
Полистиролбетоном называют бетон, в котором заполнителем являются гранулы вспененного полистирола. По своим свойствам полистиролбетон относится к легким бетонам, однако имеет ряд существенных отличий. К его достоинствам относят возможность варьирования в широких пределах его плотности, в результате чего полистиролбетон может быть как теплоизоляционным, так и конструкционным материалом. Конструкционно-теплоизоляционный полистиролбетон - материал марок по плотности от D700 до D1000 и прочностью на сжатие от класса В3,5 до В7,5. Конструкционный полистиролбетон - материал марок по плотности от D1000 до D1600 и прочностью на сжатие от класса В7,5 до В15.
Легкий бетон с заполнителем из гранул пенополистирола получил большое распространение в ряде европейских стран. Еще в 1952 г. западногерманская фирма «BASF» запатентовала способ производства стиропорбетона (бетон с заполнителем из гранул полистирольного пенопласта).
За рубежом полистиролбетон применяется с конца 60-х годов. Прочность на сжатие бетона типа «Unisol» со средней плотностью 800 кг/м3 [Х0= 0,28 Вт/(м’К)] и 1200 кг/м3 [Х0 = 0,5 Вт/(м’К)] при расходе цемента в бетоне 300 и 350 кг/м3 составляет соответственно 1,5 и 5 МПа.
В настоящее время полистиролбетон низкой плотности применяется в странах Западной Европы в качестве морозостойкого основания для железных дорог, для изготовления стеновых панелей, утепления кровель, теплого основания для полов животноводческих зданий. В Германии этот материал, названный «радипором», успешно заменяет в строительстве зданий минераловатные плиты и прочие менее эффективные утеплители.
Швейцарская компания «RASTRA®» с 1972 года выпускает теплоизоляционные плиты для малоэтажного строительства из полистиролбетона средней плотностью 300-500 кг/м3. Легкий бетон с заполнителем из пенополистирола в Нидерландах используется в фундаментных плитах в качестве утеплителя. В Болгарии успешно применяются трехслойные железобетонные стеновые конструкции со средним слоем из полистиролбетона и гибкими связями между наружными и внутренним слоем.
В СССР в качестве ограждающих конструкций полистиролбетон, именуемый ранее стиропорбетоном, был впервые применен в 1970 г. при изготовлении неармированных стеновых блоков в г. Анадыре. Через четыре года бетон на заполнителе из гранул пенополистирола был использован для изготовления несущих однослойных стеновых панелей для сельского строительства на Чукотке [24], в управлениях Анадырьсельстроя и Магадансельстроя при участии ЦНИИЭПсельстроя [50]. После исследований, проведенных в МИСИ вместе с институтом «ЦНИИЭПсельстрой», трестом «Арктикстрой» был применен в строительстве полистиролбетон плотностью 300-600 кг/м3.
В опытном порядке полистиролбетон применялся ЛенЗНИЭП в качестве утеплителя на армоцементных покрытиях [33]. В начале и в середине 70-х были введены технические условия на изготовление стеновых панелей и блоков из стиропорбетона для сельскохозяйственных зданий. Указанные ТУ были отменены только в 1994 году.
Впоследствии, исследования по использованию теплоизоляционного полистиролбетона для изготовления объемных блоков для жилых зданий на Севере были проведены Гипроспецгазом [9]. Предложенная технология приготовления полистиролбетонной смеси опробована на Краснодарском домостроительном комбинате.
Строительство индивидуального и малоэтажного жилья необходимо вести в промышленных масштабах, снижая его стоимость до доступного уровня, заявил Президент России Д.А. Медведев. В рамках реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье» четырех и пятиэтажные дома из полистирол-бетона с плотностью 1200-1500 кг/м3, класса по прочности В7,5-В15 удовлетворяют предъявляемым требованиям по надежности и энергоэффективности.
Представляется целесообразным изготавливать из полистиролбетона, например, надоконные перемычки, плиты чердачного перекрытия. Он является перспективным и для изготовления крупноразмерных стеновых панелей.
Известно, что данный вид бетона обладает особым набором прочностных и деформационных свойств. По зависимости между плотностью и модулем упругости полистиролбетон близок к легким бетонам, по отношению кубиковой прочности к призменной похож на мелкозернистый или крупнопористый керамзитобетон, по предельным деформациям сжатия он приближается к тяжелым бетонам, а по макроструктуре полистиролбетон чем-то схож с ячеистыми бетонами. Кроме того, известно, что в образцах из ячеистого бетона, как и в полистиролбетонных, разрушение от нагрузки происходит не по зернам заполнителя, а по оболочкам пузырьков (ячеек). Трещиностойкость полистиролбетона намного лучше, чем у ячеистого бетона [16, 17, 26, 37, 52, 64].
Полистиролбетон в отличие от ячеистого бетона с течением времени не подвержен процессу карбонизации под действием углекислого газа из атмосферы. Водопоглощение полистиролбетона ниже, чем у ячеистого бетона при одинаковой плотности в 2,5-3 раза, а по сравнению с водопоглощением традиционных легких бетонов на пористых заполнителях - ниже в 1,5-2 раза [33, 104].
В современной строительной науке до настоящего времени считалось, что полистиролбетон можно рассматривать как ячеистый, но с б0льшими размерами пор, заполненными полистиролом, с меньшей проницаемостью и с демпфирующим эффектом. На самом деле в этом материале реализована двумодальная пористость - крупные поры формируют шарики полистирола, а мелкие - излишки не вступившей в реакцию с цементом и испаряющейся в дальнейшем воды и, часто микропена от часто применяемых добавок - пенообразователей.
Характерной особенностью полистиролбетона в сравнении с другими легкими бетонами на пористых заполнителях является огромное (в 20-30 раз) различие между плотностью гранул заполнителя и цементной матрицы.
Использование полистиролбетона в изделиях, выполняющих функцию не-сущих, требует изучения целого ряда вопросов. В первую очередь необходимо изучить свойства полистиролбетона, как конструкционного материала в целом.
В настоящее время в строительстве практически используется только полистиролбетон низкой плотности (150-600 кг/м3), как теплоизоляционный материал [2, 19-22, 36, 43, 58,59], хотя уже для стеновых камней учитывается и возможность восприятия нагрузки от собственного веса [9, 28, 48, 52, 53, 60, 61, 66, 78, 98].
Как конструкционный материал, полистиролбетон в диапазоне плотностей от 700 до 1450 кг/м3 практически не исследовался. В принципе полистиролбетон может воспринимать нагрузки от конструктивных элементов, он может использоваться в любых строительных изделиях, в том числе армированных, являющихся одновременно теплоизоляционными и несущими. Применение конструкционного полистиролбетона в строительстве востребовано и представляется перспективным.
Настоящая работа посвящена изучению работы полистиролбетона при различных случаях загружения, выявлению картины деформирования и разрушения материала и, на базе этого, описания его свойств, определяющих возможность прогнозирования его поведения под действием нагрузки. Свойства изделий из полистиролбетона зависят от состава материала и способа его изготовления. Для того чтобы говорить о свойствах материала, необходимо определиться с его со-ставом и технологией изготовления. При подборе состава полистиролбетона особое внимание уделено использованию местных сырьевых материалов, в частности техногенных отходов, утилизация которых способствует оздоровлению окружающей среды.
Разработка и внедрение составов конструкционного полистиролбетона на основе техногенных заполнителей в производство несущих железобетонных изделий имеет важное экологическое значение. Предложен один из вариантов решения проблемы утилизации отходов черной металлургии (шлаков), связанный с применением новых строительных технологий [6].
Существенное увеличение объема производства изделий из полистиролбетона требует более глубокого и широкого изучения свойств этого «нового» строи-тельного материала. Это позволит уточнить рациональные области использования эффективных полистиролбетонных конструкций, повысить их качество и долговечность.
Конструкционный полистиролбетон в диапазоне плотностей 1200-1450 кг/м3 и класса В7,5 -B15 востребован для проектирования конструкций в районах Рос-сии с сейсмическими зонами 8-9 баллов (например Улан-Удэ), так как удовлетворяет требованиям СНиП II-7-81 "Сейсмика" (раздел: здания с несущими стенами из кирпича или каменной кладки) п. 3.38. Для кладки несущих и самонесущих стен или заполнения каркаса следует применять следующие изделия и мате-риалы: б) бетонные камни, сплошные и пустотелые блоки (в том числе из легкого бетона плотностью не менее 1200 кг/м3) марки 50 и выше.
На основании углубленного изучения материалов исследований полистирол бетона, выполнявшихся различными авторами на протяжении более чем 40 лет, установлено, что для этого более пластичного и имеющего повышенное соотношение прочностей на растяжение и сжатие материала необходима разработка теоретических положений своего, особого механизма разрушения или теории прочности в зависимости от его состава и структуры.
Целью работы является разработка рациональных составов, выбор технологии изготовления изделий и изучение прочностных, деформационных и тепло-изоляционных характеристик полистиролбетона, как материала для несущих строительных конструкций и изделий, под кратковременным и длительным воздействием нагрузки.
Научная новизна работы состоит в том, что получены:
1. Конструкционно-теплоизоляционный и конструкционный полистиролбетон на основе техногенных заполнителей Уральского региона с необходимыми свойствами и выбрана рациональная технология изготовления несущих конструкций из данного вида легкого бетона;
2. Закономерности изменения прочностных, деформативных и эксплуатационных свойств конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного полистиролбетона в диапазоне плотностей от 800 кг/м3 до 1450 кг/м3, не рассматриваемых действующим ГОСТ Р 51263-99;
3. Уточняющие коэффициенты к существующей методике расчета конструкций из ячеистого бетона применительно к расчету и проектированию новых эффективных полистиролбетонных изделий.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе результатов выполненных экспериментальных исследований пополнены имеющиеся не-многочисленные данные ранее проводимых в ОАО институт «УралНИИАС» исследований в этой области. Разработаны предложения по совершенствованию инженерной методики расчета и проектирования изделий из полистиролбетона.
Данная исследовательская работа является составной частью научного направления, развиваемого в Уральском научно-исследовательском институте архитектуры и строительства, совместно со Строительным факультетом ГОУ ВПО УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.
В настоящее время, на основе экспериментальных данных по подбору рациональных составов и исследованию прочностных и деформационных характеристик конструкционного полистиролбетона, полученных в данной исследовательской работе, разработаны следующие изделия:
По разработанным чертежам, изготовлены опытные серии армированных перемычек и крупные простеночные блоки по серии 81 для ОАО «Северский трубный завод». Проведены исследования работы полистиролбетонных изделий под нагрузкой в условиях изгиба и внецентренного сжатия.
Практическое значение и внедрение результатов работы. Практическая реализация работы обеспечена разработкой:
- Территориальных градостроительных норм Свердловской области «Бетонные и железобетонные конструкции из полистиролбетона».
- новых редакций ТУ 5745-001-20875427-02 «Смеси полистиролбетонные», ТУ 5767-002-20875427-02 «Блоки полистиролбетонные» и Рекомендаций по
применению полистиролбетона в строительстве для ООО «Корпорация «Маяк»;
- ТУ 5828-003-25057366-06 «Перемычки из полистиролбетона» для ООО «Корпорация «Маяк».
Результаты подбора составов конструкционного полистиролбетона были использованы при разработке трехслойной стеновой панели по заказу ОАО «завод ЖБИ Бетфор», для строительства жилых зданий в г. Пелым Свердловской области.
Изделия из полистиролбетона, разработанные на основании результатов исследований, использованы при проектировании и строительстве двухсекционного жилого дома с подземным паркингом в переулке Базовом в г. Екатеринбурге.
Ожидаемый годовой экономический эффект от использования рекомендаций автора при применении изделий из полистиролбетона в строительстве жилого одноподъездного девятиэтажного дома из монолитного железобетона для завода ЖБИ с выпуском изделий 10000 м3 в год составит не менее 14,94 млн. руб.
Апробация работы:
Отдельные разделы диссертации докладывались на следующих научных конференциях: II Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье», Международной научно-практической конференции «Проблемы и достижения строительного материаловедения» (БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород 2004, 2005); VI Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (СПбГПУ, Санкт-Петербург 2005 г.); Всероссийской конференции «Химия твердого тела и функциональные материалы» (СО РАН-УрО РАН Екатеринбург 2004); Всероссийских конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Наука. Технологии. Инновации» (НГТУ, Новосибирск 2003-2004 г.); на VII и VIII отчетных научных конференциях молодых ученых (ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург 2004-2005), Международной научно-практической конференции «Проблемы и возможности современной науки» (ТСТУ, Тамбов 2009).
Технические разработки автора отмечены дипломом II степени Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Наука. Технологии. Инновации» - НТИ-2003 в секции «Актуальные проблемы современного материаловедения».
Публикации. Основные результаты исследований и основные положения (главы) диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе, и в ведущем рецензируемом научном издании, входящем в перечень ВАК: журнал «Жилищное строительство» (Москва, 2008) и рукописных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка использованных источников из 115 наименований, 3 приложений на 22 страницах и содержит 196 страниц, включая 47 таблиц и 29 рисунков.
Работа выполнена на Строительном факультете ГОУ ВПО УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина и в лаборатории отдела Несущих железобетонных конструкций Уральского научно-исследовательского института архитектуры и строительства в период с 2002 по 2008 годы.
1. Подобраны необходимые сырьевые материалы из местных техногенных отходов предприятий Уральского региона и выбрана оптимальная химическая добавка - пластификатор «Реламикс-2» в количестве 0,6-1,0 % от массы цемента для проектирования составов полистиролбетона, позволяющая на 30% улучшить технологические свойства бетонной смеси. Полистиролбетонные смеси соответствуют требованиям разработанных ТУ 5745-001-20875427-02.
Разработаны 20 рациональных составов конструкционного полистиролбетона в диапазоне плотностей от 800 кг/м3 до 1500 кг/м3 на основе заполнителей из металлургических доменных и феррохромных шлаков и кварцевого песка, выбраны технологические параметры и рациональная технология тепловлажностной обработки строительных изделий.
2. На основании полученных результатов испытаний прочности на сжатие и растяжение полистиролбетона в диапазоне плотностей от 800 кг/м3 до 1500 кг/м3, не регламентирующихся ГОСТ Р 51263-99, разработаны математические модели зависимости предела прочности ПСБ от состава смеси. Установлено, что по прочности на сжатие полистиролбетон соответствует классам В 5,0-В 12,5, как автоклавный ячеистый бетон, превышает на 10-15% прочность ячеистого бетона естественного режима твердения и на 20-30% прочность керамзитобетона. Прочность на осевое растяжение и растяжение при изгибе выше на 10-30% аналогичных показателей, установленных нормативными документами для данных видов легких бетонов.
3. Значение коэффициента линейной температурной деформации полистиролбетона на 15-20% меньше характеристик для керамзитобетона и близко к характеристикам для ячеистого бетона. Характеристики предельной деформативности, усадки и ползучести не превышают показатели для легких бетонов в диапазонах плотностей от 800 до 1500 кг/м3, принятые согласно Пособию по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из ячеистого бетона.
4. Определены характеристики морозостойкости, теплопроводности и паропроницаемости полистиролбетона в диапазоне плотностей от 800 кг/м3 до 1500 кг/м3, позволяющие отнести его к долговечным материалам. Разработана математическая модель зависимости коэффициента теплопроводности полистиролбетона от состава смеси. Морозостойкость полистиролбетона классов по прочности В 5,0 - В 12,5 составляет не менее 150 циклов, что соответствует требованиям СНиП II-3-79*, а коэффициент теплопроводности для условий эксплуатации групп «А» и «Б» 0,2-0,34 Вт/м-К, что ниже, чем X ячеистого бетона в 1,2-1,4 раза.
5. Перемещения балок из полистиролбетона (р= 0,09-0,25%) в стадии их работы до образования трещин превышали на 18-31 % теоретические перемещения, рассчитанные в соответствии с п.4.6 «Определение кривизны железобетонных элементов на участках без трещин в растянутой зоне» Пособия по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из ячеистых бетонов, где фЬ1 принимали как для ячеистого бетона (0,85). В связи с этим предлагается принимать значение коэффициента фЬ1 равным 0,7, как для легких бетонов на пористом мелком заполнителе.
Предлагается при расчете перемычек из полистиролбетона при определении значения коэффициента п, учитывающего влияние прогиба несущего полистиролбетонного элемента на величину эксцентриситета продольного усилия е0 (п.
3.6 Пособия по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из ячеистых бетонов), в формуле по определению коэффициента ф7, принимать значение ß = 1,5, как для легкого бетона на мелком пористом заполнителе или ячеистого неавтоклавного бетона.
Установлено, что на жесткость балок из полистиролбетона в стадии после образования трещин оказывает влияние высокое сцепление полистиролбетона с арматурой, поэтому предлагается принимать значение коэффициента ф1з (В 7,5-В 12,5), учитывающего влияние данного фактора, вместо 0,8 равным 1,0. Расчет жесткости балок из полистиролбетона с учетом предлагаемого значения коэффициента дает результаты, соответствующие экспериментальным.
6. С учетом изученных прочностных, деформационных и эксплуатационных свойств полистиролбетона в диапазоне плотностей от 800 кг/м3 до 1500 кг/м3, его рекомендуется использовать в природно-климатических условиях Урало-Сибирского региона для изготовления таких сборных несущих конструкций 2-5 этажных зданий, как стеновые блоки, перемычки и панели, которые раньше изготавливались из ячеистого, крупнопористого шлакового бетона и керамзитобетона.
7. Разработанные нормативные рекомендации по применению полистиролбетона в составе конструкций, ТУ 5745-001-20875427-02 «Смеси полистиролбетонные», ТУ 5767-002-20875427-02 «Блоки полистиролбетонные» и ТУ 5828¬003-25057366-06 «Перемычки из полистиролбетона» подтверждены опытно-промышленными испытаниями, проведенными на базе ОАО «Завод ЖБИ Бетфор» и ООО «Корпорация Маяк».
8. Ожидаемый годовой экономический эффект от применения стеновых блоков из ПСБ плотностью 850 кг/м3 в ограждающих конструкциях жилого 9-этажного одноподъездного здания из монолитного железобетона взамен керамзитобетона М50 составит 14,94 млн. руб. (в ценах 2009 г.) для завода ЖБИ с годовым объемом выпуска изделий в 10000 м3.
Разработаны 20 рациональных составов конструкционного полистиролбетона в диапазоне плотностей от 800 кг/м3 до 1500 кг/м3 на основе заполнителей из металлургических доменных и феррохромных шлаков и кварцевого песка, выбраны технологические параметры и рациональная технология тепловлажностной обработки строительных изделий.
2. На основании полученных результатов испытаний прочности на сжатие и растяжение полистиролбетона в диапазоне плотностей от 800 кг/м3 до 1500 кг/м3, не регламентирующихся ГОСТ Р 51263-99, разработаны математические модели зависимости предела прочности ПСБ от состава смеси. Установлено, что по прочности на сжатие полистиролбетон соответствует классам В 5,0-В 12,5, как автоклавный ячеистый бетон, превышает на 10-15% прочность ячеистого бетона естественного режима твердения и на 20-30% прочность керамзитобетона. Прочность на осевое растяжение и растяжение при изгибе выше на 10-30% аналогичных показателей, установленных нормативными документами для данных видов легких бетонов.
3. Значение коэффициента линейной температурной деформации полистиролбетона на 15-20% меньше характеристик для керамзитобетона и близко к характеристикам для ячеистого бетона. Характеристики предельной деформативности, усадки и ползучести не превышают показатели для легких бетонов в диапазонах плотностей от 800 до 1500 кг/м3, принятые согласно Пособию по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из ячеистого бетона.
4. Определены характеристики морозостойкости, теплопроводности и паропроницаемости полистиролбетона в диапазоне плотностей от 800 кг/м3 до 1500 кг/м3, позволяющие отнести его к долговечным материалам. Разработана математическая модель зависимости коэффициента теплопроводности полистиролбетона от состава смеси. Морозостойкость полистиролбетона классов по прочности В 5,0 - В 12,5 составляет не менее 150 циклов, что соответствует требованиям СНиП II-3-79*, а коэффициент теплопроводности для условий эксплуатации групп «А» и «Б» 0,2-0,34 Вт/м-К, что ниже, чем X ячеистого бетона в 1,2-1,4 раза.
5. Перемещения балок из полистиролбетона (р= 0,09-0,25%) в стадии их работы до образования трещин превышали на 18-31 % теоретические перемещения, рассчитанные в соответствии с п.4.6 «Определение кривизны железобетонных элементов на участках без трещин в растянутой зоне» Пособия по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из ячеистых бетонов, где фЬ1 принимали как для ячеистого бетона (0,85). В связи с этим предлагается принимать значение коэффициента фЬ1 равным 0,7, как для легких бетонов на пористом мелком заполнителе.
Предлагается при расчете перемычек из полистиролбетона при определении значения коэффициента п, учитывающего влияние прогиба несущего полистиролбетонного элемента на величину эксцентриситета продольного усилия е0 (п.
3.6 Пособия по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из ячеистых бетонов), в формуле по определению коэффициента ф7, принимать значение ß = 1,5, как для легкого бетона на мелком пористом заполнителе или ячеистого неавтоклавного бетона.
Установлено, что на жесткость балок из полистиролбетона в стадии после образования трещин оказывает влияние высокое сцепление полистиролбетона с арматурой, поэтому предлагается принимать значение коэффициента ф1з (В 7,5-В 12,5), учитывающего влияние данного фактора, вместо 0,8 равным 1,0. Расчет жесткости балок из полистиролбетона с учетом предлагаемого значения коэффициента дает результаты, соответствующие экспериментальным.
6. С учетом изученных прочностных, деформационных и эксплуатационных свойств полистиролбетона в диапазоне плотностей от 800 кг/м3 до 1500 кг/м3, его рекомендуется использовать в природно-климатических условиях Урало-Сибирского региона для изготовления таких сборных несущих конструкций 2-5 этажных зданий, как стеновые блоки, перемычки и панели, которые раньше изготавливались из ячеистого, крупнопористого шлакового бетона и керамзитобетона.
7. Разработанные нормативные рекомендации по применению полистиролбетона в составе конструкций, ТУ 5745-001-20875427-02 «Смеси полистиролбетонные», ТУ 5767-002-20875427-02 «Блоки полистиролбетонные» и ТУ 5828¬003-25057366-06 «Перемычки из полистиролбетона» подтверждены опытно-промышленными испытаниями, проведенными на базе ОАО «Завод ЖБИ Бетфор» и ООО «Корпорация Маяк».
8. Ожидаемый годовой экономический эффект от применения стеновых блоков из ПСБ плотностью 850 кг/м3 в ограждающих конструкциях жилого 9-этажного одноподъездного здания из монолитного железобетона взамен керамзитобетона М50 составит 14,94 млн. руб. (в ценах 2009 г.) для завода ЖБИ с годовым объемом выпуска изделий в 10000 м3.