УДК 693
С.Ю. Лихачева, О.Б. Кондрашкин, М.А. Лебедев ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НДС ОПИЛКОБЕТОННЫХ И ГИПСООПИЛОЧНЫХ КЛАДОК
Приведен теоретический анализ полученных экспериментально диаграмм деформиро-вания столбов, выполненных из опилкобетонной и гипсоопилочной кладок, под действием одноосного сжатия.
Ключевые слова: кладки на естественных заполнителях, испытания, опилкобетонный камень, гипсоопилочный камень, опилкобетонный кирпич, напряженно-деформированное со-стояние, структурные изменения, неполная упругость.
Применение древесных опилок в качестве заполнителя для бетонов позволяет решить комплекс проблем, связанных с экологическими, энергетическими и эконо-мическими вопросами современного малоэтажного строительства. Органический заполнитель может заполнять до 60 % объема готового опилкобетонного или гипсо-опилочного изделия в зависимости от требуемой области применения.
Необходимость утилизации древесных отходов обусловлена целым рядом эко-логических причин (которые эта утилизация устраняет): нарушением структур естественных биологических сообществ (биоценозов), экологического равновесия в экосистеме и снижением ее устойчивости, снижением уровня разнообразия видов растений, животных и микроорганизмов. С точки зрения охраны окружающей сре-ды повышение тепловой защиты зданий и сооружений приводит к рациональному использованию невозобновляемых природных ресурсов, уменьшению влияния «пар-никового» эффекта и сокращению выделений двуокиси углерода и других вредных веществ в атмосферу.
Нельзя обойти стороной и экономический эффект применения отходов дерево-добывающей промышленности в строительстве домов этажностью менее трех. Это уменьшение давления на фундамент, улучшение теплоизоляционных и звукоизоля-ционных свойств по сравнению с традиционными строительными материалами и т.д. На данный момент авторами подробно изучены кладки из опилкобетонных кам-ней и кирпичей, гипсоопилочных камкам-ней (сплошных и пустотных) [1—3]. Несмотря на разный состав и размер составляющих кладок, были выявлены общие закономер-ности определяющих прочностных и деформационных характеристик, как при кра-тковременном, так и при длительном сжатии.
Но для соответствия современному уровню науки и правильного представления об истинной работе конструкций из деревобетонных кладок необходимо было по-лучить точное представление о напряженно-деформированном состоянии кладок на разных этапах нагружения.
Наиболее близким по поведению аналогом был выбран древесный бетон, под-робно изученный профессором В.А. Цепаевым [4].
Образцы-столбы кладки испытывались на одноосное сжатие на прессе марки УИМ-100 (рис. 1), на прессе марки ПГ-125 (рис. 2) и на прессе марки П-500 (рис. 3).
Рис. 1. Испытание образцов кладки из опилкобетонных кирпичей на прессе марки УИМ–100
Замер деформаций производился с помощью тензометров с размером базы, за-висящим от высоты изучаемого столба, и индикаторов часового типа. Деформации (продольные e1 и поперечные e2) измерялись в моменты нагружения и разгрузки
(начало разгрузки есть конец нагружения). Такой подход позволил разделить полную относительную продольную деформацию сжатия кладки на составляющие: упругую и остаточную, а также проследить закономерность их развития [5].
Диаграммы зависимостей, построенные для четырех видов кладок, выявили об-щий характер их НДС при кратковременном сжатии [5]. Было установлено, что для всех кладок на естественных заполнителях существует две области деформирова-ния: неполной упругости и интенсивного развития деформаций [5]. В первой области упругая деформация линейно зависит от напряжений, а во второй — эта зависимость нелинейна. Остаточная деформация появляется с самого начала загружения и непро-порциональна напряжениям на всем протяжении деформирования. Однако в первой области остаточные деформации настолько незначительны, что принята линейная зависимость упругой деформации от напряжения. Было решено по аналогии с дере-вобетонами считать эту область «областью неполной упругости».
Рис. 2. Испытание образцов кладки из опилкобетонных камней на прессе марки ПГ-125
Точку перелома кривой, определенную по диаграмме упругих деформаций s(eу), разности полных деформаций s(Deп) и остаточных деформаций в функции упругих
e0(eу), логично было назвать «пределом неполной упругости» Rн.у. Для кладок из
раз-ных камней его величина варьировалась, но при замене напряжения при построении диаграмм на отношение величины ступени нагружения к текущему значению на-пряжения оказалось, что в среднем для всех четырех видов кладки значениеRн.у
со-ставило 65 % от предела прочности кладки кратковременному сжатию.
Также необходимо было проверить действие ряда гипотез, выдвинутых для объ-яснения снижения прочности бетонов при длительном загружении. Одна из них, раз-витая О.Я. Бергом [6], основывается на структурных изменениях, происходящих в бетоне при действии нагрузки, и предполагает связь предела длительной прочности материала при сжатии с уровнем напряжения, соответствующим верхней условной
границе микроразрушений V
T
R (верхняя параметрическая точка).
О степени развития деструктивных процессов в бетоне в этом случае судят по изменению дифференциального коэффициента поперечной деформации
2 1 , De Dn = De (1)
а также коэффициенту дифференциального изменения объема
1 2 .2
Dq = De − e (2)
В результате проведенных испытаний установлено, что при напряжениях
s = (0,65…0,72) э u
R появлялись первые трещины в отдельных камнях над
вертикаль-ными швами. Значения опять же варьировались в зависимости от состава и размеров составляющих кладку камней.
Обратимся к анализу кривых s(∆n) и s(Dq) (рис. 4). Согласно рекомендациям [6],
верхняя граница микроразрушения V
T
R определяется величиной напряжения
сжа-тия, при котором дифференциальный коэффициент поперечной деформации ∆n
до-стигает наибольшего теоретически возможного для сплошного тела значения, рав-ного 0,5. Этому моменту соответствует наибольшее сокращение внешнего объема, т.е. Dq = 0. В наших исследованиях такие значения ∆n и Dq соответствуют в зависи-мости от изучаемой кладки приблизительно 0,95Ru. Известно, что при таком уровне длительно действующего напряжения разрушение деревобетонов происходит уже в течение первых суток с начала загружения. Следовательно, использование
рекомен-даций [6] по определению верхней параметрической точки V
T
R неприемлемо для
из-учаемых кладок. 0 0 20 40 60 80 100
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0
0 20 40 60 80 100
2 4 6
Рис. 4. Графики зависимостей s(∆n) и s(Dq)
Предлагается, как и в [7], определять уровень напряжения, соответствующий
V T
R , по точке перелома кривой s Dq( ), т.е. точке, в которой касательная к кривой
парал-лельна оси ординат. В этом случае u
V
T R
R =0,65 . При этом значении наблюдается и
ха-рактерный излом кривой s(∆n). Таким образом, величина напряжения V 0,65
T u
R R
s = =
полностью совпадает с величиной напряжения s на границе двух областей
деформи-s, %
∆n Dq . 104
рования кладки, про которую было рассказано выше. Характер изменения всех кри-вых на рис. 4 указывает на то, что приs ≥0,65Ruпроисходит интенсивный процесс
разрушения любой кладки из изученных четырех.
Проведенные исследования позволили определить новый критический параметр кладки из камней и кирпичей на естественных заполнителях — момент начала необ-ратимо-прогрессирующего развития микроразрушений, который по аналогии с ра-ботами В.А. Цепаева [4] назовем пределом конструктивной прочности кладки
Rкл = σ =RV =0, 65Ru. (3)
Этот параметр определяет начало нового этапа в развитии процесса микрораз-рушений, характеризует момент начала разрушения кладки и отождествляется с пределом ее длительного сопротивления.
Библиографический список
1. Цепаев В.А., Лебедев М.А., Лихачева С.Ю. Ползучесть кладки из опилкобетона // Жилищное строительство. 2010. № 3. С. 25—27.
2. Цепаев В.А., Лихачева С.Ю., Кондрашкин О.Б. Длительная прочность кладки из гипсо-опилочных камней // Приволжский научный журнал. 2009. № 3. С. 39—42.
3. Цепаев В.А., Лихачева С.Ю., Шурышев И.Н. Кратковременная прочность кладки из опил-кобетонных камней при одноосном сжатии // Приволжский научный журнал. 2009. № 4. С. 13—18. 4. Цепаев В.А. Длительная прочность и деформативность конструкционных древес-но-цементных материалов и несущих элементов на их основе : дисс. … д-ра техн. наук. Н. Новгород, 2001. 480 с.
5. Лихачева С.Ю., Кондрашкин О.Б. Исследования процессов деформирования кладок на древесных заполнителях при одноосном кратковременном сжатии // Приволжский научный журнал. 2011. № 1. С. 21—25.
6. Берг О.Я. Некоторые вопросы теории деформаций и прочности бетона // Изв. вузов. Стр-во и архитектура. 1967. № 10. С. 41—55.
7. Мельниченко О.В. Экспериментальное исследование длительной прочности бетонов высоких марок // Изв. вузов. Стр-во и архитектура. 1976. № 5. С. 85—88.
Поступила в редакцию в октябре 2012 г.
О б а в т о р а х : Лихачева Светлана Юрьевна — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры сопротивления материалов и теории упругости, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ
ВПО «ННГАСУ»), 603950, г. Н. Новгород, ул. Ильинская, д. 65, lihsvetlana@yandex.ru;
Кондрашкин Олег Борисович — кандидат технических наук, доцент кафедры
кон-струкций из дерева, древесных композитов и пластмасс, ФГБОУ ВПО «Нижегородский го
-сударственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»),
603950, г. Н. Новгород, ул. Ильинская, д. 65, 89036072668@mail.ru;
Лебедев Михаил Александрович — младший научный сотрудник, ФГБОУ ВПО
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ
ВПО «ННГАСУ»), 603950, г. Н. Новгород, ул. Ильинская, д. 65, alomir@mail.ru.
Д л я ц и т и р о в а н и я : Лихачева С.Ю., Кондрашкин О.Б., Лебедев М.А. Экспериментально-теоретические исследования НДС опилкобетонных и гипсоопилочных кладок // Вестник МГСУ. 2012. № 12. С. 61—65.
S.Yu. Likhacheva, O.B. Kondrashkin, M.A. Lebedev
EXPERIMENTAL AND THEORETICAL STUDIES OF THE STRESS-STRAIN STATE OF WOOD-CONCRETE AND WOOD-GYPSUM MASONRY
The indings of the prototype testing include identiication of the two areas of deformations: areas of elastic deformations and areas of intensive development of deformations. The irst area of partial elastic deformations is characterized by the linear stress function, while the second area demonstrates that this relationship is nonlinear. Permanent deformations appear as of the startup of the loading process and disproportionate stress is demonstrated throughout the deformation process. However, in the irst area (partial elastic deformations) residual deformations are so small that this area is considered as the area of “the area of incomplete elasticity”.
Key words: masonry, tests, wood concrete blocks, wood-gypsum concrete masonry work, wood-concrete brick, stress-strain state, structural changes, partial elasticity.
References
1. Tsepaev V.A., Lebedev M.A., Likhacheva S.Yu. Polzuchest’ kladki iz opilkobetona [Creep of the Wood Concrete Masonry Work]. Zhilishchnoe stroitel’stvo [Residential Housing Construction]. 2010, no. 3, pp. 25—27.
2. Tsepaev V.A., Likhacheva S.Yu., Kondrashkin O.B. Dlitel’naya prochnost’ kladki iz gipso-opiloch-nykh kamney [Durability of Wood-gypsum Concrete Block Work]. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal [Volga Region Scientiic Journal]. 2009, no. 3, pp. 39—42.
3. Tsepaev V.A., Likhacheva S.Yu., Shuryshev I.N. Kratkovremennaya prochnost’ kladki iz opilkobe-tonnykh kamney pri odnoosnom szhatii [ Short-term Strength of Sawdust Concrete Block Work Exposed to Uniaxial Compression]. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal [Volga Region Scientiic Journal]. 2009, no. 4, pp. 13—18.
4. Tsepaev V.A. Dlitel’naya prochnost’ i deformativnost’ konstruktsionnykh drevesno–tsementnykh materialov i nesushchikh elementov na ikh osnove [Long-term Strength and Deformability of Structural Wood-concrete Materials and Bearing Elements Made on Their Basis]. Nizhniy Novgorod, NNGASU Publ., 2001, 480 p.
5. Likhacheva S.Yu., Kondrashkin O.B. Issledovaniya protsessov deformirovaniya kladok na drevesnykh zapolnitelyakh pri odnoosnom kratkovremennom szhatii [Studies of Processes of Deforma-tion of Masonry Work That Incorporate Wood Fillers If Exposed to Short-term Uniaxial Compression]. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal [Volga Region Scientiic Journal]. 2011, no. 1, pp. 21—25.
6. Berg O.Ya. Nekotorye voprosy teorii deformatsiy i prochnosti betona [Some Issues of the Theory of Deformation and Strength of Concrete]. Izv. vuzov. Str-vo i arkhitektura [News of Institutions of Higher Education. Construction and Architecture]. 1967, no. 10, pp. 41—55.
7. Mel’nichenko O.V. Eksperimental’noe issledovanie dlitel’noy prochnosti betonov vysokikh marok [Experimental Study of Long-term Strength of High-grade Concretes]. Izv. vuzov. Str-vo i arkhitektura [News of Institutions of Higher Education. Construction and Architecture]. 1976, no. 5, pp. 85—88.
A b o u t t h e a u t h o r s: Likhacheva Svetlana Yur’evna — Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Department of Strength of Materials and Theory of Elasticity, Nizhniy
Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU), 65 Il’inskaya Str., Nizh-ny Novgorod, 603950, Russian Federation; lihsvetlana@yandex.ru;
Kondrashkin Oleg Borisovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Depart-ment of Strength of Materials and Theory of Elasticity, Nizhniy Novgorod State University of Architec-ture and Civil Engineering” (NNGASU), 65 Il’inskaya Str., Nizhny Novgorod, 603950, Russian Federa-tion; 89036072668@mail.ru;
Lebedev Mikhail Aleksandrovich — junior researcher, Nizhniy Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering” (NNGASU), 65 Il’inskaya Str., Nizhny Novgorod, 603950, Russian Federation; alomir@mail.ru.
