Диссертация (1172914), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Материалы изложены на165 страницах машинописного текста, включающего 13 таблиц, 99 рисункови списка литературы из 156 источников.11ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХХАРАКТЕРИСТИК И ОГНЕСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХКОНСТРУКЦИЙ ИЗ ФИБРОБЕТОНА,СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ1.1.Анализ конструктивных особенностейи условий эксплуатации обделок тоннелейВ настоящее время во всем мире широко ведётся строительство тоннельных сооружений.
В работе [4] дано понятие тоннеля. Тоннели – капитальныесооружения, рассчитанные на длительный срок эксплуатации. Соответственно,в течение срока эксплуатации тоннели должны выполнять свои функции, приэтом сохраняя эксплуатационные показатели при заданных режимах работы.Основные аварии, возникающие в тоннелях и нарушающие его эксплуатационную надежность, вызваны стихийными бедствиями (землетрясения, лавины, камнепады, наводнения), несоблюдением условий эксплуатации, дефектами конструкций и т.д.Одним из частых и опасных явлений, возникающих при эксплуатациитоннелей, являются взрывы и пожары, зачастую происходящие одновременно.Пожары, возникающие в тоннелях, приводят к длительному прекращению ихфункционирования, что в наиболее худших случаях приводит к гибели людей,и всегда – к финансовым убыткам.
[69].Например, пожар, произошедший в Лондонском метрополитене в1987 году, унес из жизни 30 человек. Произошло обрушение конструкций станции «Кингз Кросс», в результате чего станция была полностью уничтожена. В1979 году в г. Сан-Франциско при пожаре в подводном тоннеле погиб 1 человеки 27 человек пострадало. В том же году в автодорожном тоннеле Надзака вЯпонии при пожаре погибло 7 человек и 2 получили ранения. Практически за13 лет эксплуатации тоннеля в г. Гамбурге произошло более 36 пожаров.Трагические результаты событий делают особо актуальной проблемуобеспечения высокой несущей способности конструкций во время эксплуата-12ции тоннелей и их высокой огнестойкости во время пожара.Одним из конструкционных материалов в строительстве является бетон,который применяется при изготовлении тоннельных обделок. Использованиеданного материала обусловлено его долговечностью, не горючестью, не токсичностью, а также наличием у конструкций на основе железобетона высокогопредела огнестойкости (более 150 мин.).
Но так как бетон является композиционным, гигроскопичным материалом, то он предрасположен к взрывообразному разрушению. Данное явление не стоит оставлять без внимания, так как оноприводит к обрушению конструкций на ранних этапах развития пожара (фактически снижает огнестойкость конструкций до 20–30 мин.), что значительновлияет на общую устойчивость сооружений и делает их небезопасными.Так как на тоннели в ходе их эксплуатации воздействуют грунты и грунтовые воды, влажность таких конструкций может быть достаточно высокой,что увеличивает вероятность возникновения взрывообразного разрушения.
Поэтому защита конструкций тоннельных обделок от взрывообразного разрушения является актуальной проблемой.Существуют разные способы повышения несущей способности и огнестойкости железобетонных конструкций, а также защиты бетона от взрывообразногоразрушения [13–16, 70]. Первый способ можно реализовать за счет увеличения сечения и защитного слоя арматуры конструкций, что повышает экономические затраты на изготовление конструкций и их массивность. К тому же усложняетсямонтаж таких конструкций ввиду их высокого веса. Второй способ – использование огнезащитных покрытий, которые повышают несущую способность, пределогнестойкости конструкции и защищают от взрывообразного разрушения, безувеличения массивности конструкций. При этом для железобетона возможно использование таких же огнезащитных покрытий как для металлических конструкций (вспучивающиеся составы, штукатурки, плитные материалы).
Однако недостатком такого метода является дополнительные экономические затраты.Относительно недавно разработан еще один способ повышения несущейспособности железобетонных конструкций. Он заключается во введении в со-13став бетона фибры, которая армирует бетон во всех плоскостях, повышает марку бетона, прочность, ударостойкость и снижает образование усадочных трещин, а ППФ позволяет защитить бетон от взрывообразного разрушения. Данный материал (фибробетон) является весьма эффективным в том числе и пристроительстве тоннельных [71] сооружений, что отражено в ряде научных работ [72–88]. Так, например, все исследования описывают повышение несущейспособности железобетонных конструкций, а в случае с бетоном – компенсирование таких его недостатков, как хрупкость, низкая прочность при растяжениии т.д.
Однако использование фибробетона в целях защиты от взрывообразногоразрушения в настоящее время в Российской Федерации не применяется. Такжеотсутствуют какие-либо нормативные документы, регламентирующие количество фибры, вводимой в состав для повышения несущей способности конструкции, и область применения того или иного вида фибры.Также предполагается, что при повышении несущей способности конструкций с фибробетоном повышается и их огнестойкость.
Однако вопрос оповышении огнестойкости недостаточно исследован, что делает актуальнымвопрос изучения огнестойкости фиброжелезобетона.В основном фибру можно разделить на два класса: металлическая и неметаллическая [78]. Материалом, из которой изготавливается металлическая фибра, является сталь. Неметаллическая фибра может состоять из таких материалов, как стеклопластик, базальт, углерод, полипропилен и др.Металлическая фибра позволяет повысить предел прочности бетона прирастяжении и сжатии, снижает усадку и образование трещин. Однако металлическая фибра подвержена коррозии, что снижает срок эксплуатации конструкций.Неметаллическая фибра также повышает предел прочности бетона прирастяжении и сжатии, устойчивость к агрессивным средам и т.д.
Однако не всянеметаллическая фибра устойчива к агрессивным средам. Например, стекловолокно или базальтовая фибра, имея высокий показатель упругости (от чего зависит пластичность материала), неустойчивы к щелочным средам, поэтомуданные материалы необходимо обрабатывать полимерами, которые позволяют14избежать данной проблемы. Но тогда применение данного типа фибры потребует дополнительных финансовых вложений [78].Практика показывает, что проведение крупномасштабных испытаний огнестойкости конструкции не всегда возможно.
Заключается это в больших трудозатратах подготовки к испытаниям, привлечению дополнительной техники длятранспортировки конструкций, их перемещения до испытательных лабораторийи установку на испытательный стенд, что в конечном итоге приводит к большимэкономическим затратам. Поэтому в мире все большее место занимает моделирование и расчёт огнестойкости строительных конструкций на ЭВМ. Но длявозможности оценки огнестойкости конструкций необходимо знать такие показатели, как прочностные и теплотехнические характеристики, зависящие от температуры. В случае с бетоном данные характеристики достаточно исследованы инашли отражение в нормативной базе, чего нельзя сказать про фибробетон.При добавке в состав бетона фибры, как уже отмечено выше, изменяютсяпрочностные показатели материала при нормальных условиях. То же можносказать и про коэффициенты теплоёмкости и теплопроводности [89–91].
Изменяются эти показатели и при воздействии высоких температур, как и у традиционного бетона. Однако данных по прочностным и теплофизическим характеристикам при воздействии температуры очень мало, а для некоторых фибробетонов они просто отсутствуют. Так как эти показатели неизвестны на данныймомент, то не представляется возможным оценить огнестойкость расчётнымиметодами. Основываясь на этом, на начальном этапе необходимо провести анализ существующих работ по определению этих показателей.1.2.Анализ исследования прочности фибробетонов и влияние добавкифибры на огнестойкость строительных конструкцийПри исследовании фибробетона следует учитывать множество свойствфибры, которые будут как положительно, так и отрицательно влиять на егопрочностные характеристики.
Определение этих свойств имеет большое значение в исследовании огнестойкости тоннельных сооружений.15Одним из таких свойств является равномерность распределения фибры вобъёме смеси. В 2014 году в Томском государственном архитектурностроительном институте проводились исследования по определению расходафибры в объёме смеси, ведь на прочность фибробетона отрицательно влияеткак недостаток, так и избыток волокна. За основу были взяты образцы кубической формы с углеродной фиброй. По результатам исследования (рисунки 1.1 и1.2) получен прирост прочности на осевое сжатие 43 % и на осевое растяжение18 %, также получен диапазон коэффициента армирования бетона углероднымПрочность на осевое сжатие,МПаволокном 0,2…0,3 % от массы цементного вяжущего [92].3835,4 35,1363534,6 34,2333432,3 31,83231,130282624,724220.10.20.30.4 0.5 0.6 0.7Расход фибры, μ, %0.80.91.0Прочность на растяжение, МПаРисунок 1.1 – Зависимость предела прочности углеродофибробетонапри осевом сжатии от процента армирования фиброй [92]3,43,33,33,273,23,243,213,183,133,13,053,12,9732,92,812,82,70.10.20.30.4 0.5 0.6 0.7Расход фибры, μ, %0.80.91.0Рисунок 1.2 – Зависимость предела прочности углеродофибробетонапри растяжении от процента армирования фиброй [92]16Разностороннее изучение сталефибробетона проводилось в ФГБОУ ВПОБелгородский государственный технологический университет им.
В.Г. Шуховав 2012 году [93–94]. Первое исследование было направлено на разработку составов сталефибробетона на различных составах бетона с различными по формефибрами для повышения прочностных характеристик. Для исследования использовались три вида вяжущих приведенные в таблице 1.1.Таблица 1.1 – Характеристики вяжущего, используемого при изготовлениифибробетона [93]ВяжущееУдельнаяНачалоКонецповерхность,схватывания, ч. схватывания, ч.м2/кгЦЕМ l42,5HТМЦ-70ВНВ-70Прочность бетонаПри изгибе,МПаПри сжатии,МПа3202,303,307,89,35045202,151,503,152,5010,211,157,468,9В состав бетона были введены три вида фибр: фибра стальная волнообразная – длина 30 мм, диаметр 0,8 мм (рисунок 1.3 а); фибра стальная анкерная– длина 50 мм, диаметр 0,8 мм (рисунок 1.3 б); фибра стальная плоская – длина32 мм, ширина 3,2 мм (рисунок 1.3 в), также были изготовлены образцы безфибры для сравнения характеристик бетона.авРисунок 1.3 – Стальная фибра, используемаяпри изготовлении фибробетона [93]Испытания проводились при нормальных условиях среды без прогревабетона, по методике ГОСТ [95].
Результаты испытаний сведены в таблицу 1.2.17Таблица 1.2 – Результаты испытаний бетона со стальной фиброй [93]ОпределяемаяхарактеристикаВиды фибрРазмерностьБез фибрыМПа50,2Плоскаяфрезерованная56,3МПа35,0МПаМПаКубиковаяпрочностьПризменнаяпрочностьПрочностьна растяжениепри изгибеМодульупругостиАнкернаяВолновая55,857,439,238,739,913,715,916,616,835,8·10341,1·10339,8·10341,7·103Исходя из данных, полученных при испытании сталефибробетона,можно сделать вывод, что фибра увеличивает характеристики примерно в1,2 раза (рисунки 1.4 и 1.5) по сравнению с бетоном без использования фибры, что объясняет превосходство фибробетона и описывает перспективудальнейшего исследования.Прочность на осевоесжатие, МПа5856,35657,455,8545250,2504846Без фибры ПлоскаяфрезеваяАнкерная ВолноваяРисунок 1.4 – Диаграммы прочности на осевое сжатие сталефибробетонас различной формой фибры [93]Прочность на растяжение,МПа1818161412108642016,615,916,813,7Без фибрыПлоскаяфрезеваяАнкерная ВолноваяРисунок 1.5 – Диаграммы прочности на растяжениесталефибробетона с различной формой фибры [93]Второе исследование [94] было направлено на определение влияния расхода стальной фибры на прочность при сжатии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
