Главная  Свойства 

 

Добавочные вещества ,добавки,

 

Одни из самых рациональных конструктивных форм, которыми располагает человечество, — арочные и висячие системы. В этом случае режим работы строительного материала доведен до совершенства: это в основном или чистое сжатие (у арочных конструкций), или чистое растяжение (у висячих систем).

 

Мы уже познакомились с изгибающим моментом — наиболее неприятной формой конфликта между конструкцией и нагрузкой. Мы убедились, что восприятие этого момента элементами балочного типа связано с неполноценным использованием вложенного материала: средние слои, например, работают с напряжениями, которые намного ниже реальных возможностей материала. В решетчатых балках (фермах) — более сложной, высшей конструктивной форме — материал концентрируется только в определенных направлениях, чем объясняется его более полное использование. Но и здесь изгибающий момент присутствует, хотя и в скрытой форме: в одном и том же сечении фермы наблюдается как растяжение, так и сжатие. Такая двузначная работа сечения представляет собой естественный предел несущих возможностей ферм.

 

Однако существуют возможности полного исключения изгибающего момента из игры сил . Одной из них являются арочные конструкции. В этом случае обеспечивается равновесие нового типа, представление о котором нам может дать 21.

 

Если мы мысленно вырежем фрагмент арки и обозначим действующие на него силы (соответствующая часть внешней нагрузки и сжимающие усилия в местах разрезов), то увидим, что фрагмент находится в состоянии равновесия. Нет никаких остаточных сил, которые стремились бы его переместить или повернуть в пространстве. Но это необходимое и достаточное условие работы произвольного фрагмента и конструкции в целом под действием внешней нагрузки в так называемом безмоментном состоянии столь ценное и желательное, — увы, возможно только в конструкциях с нелинейными очертаниями.

 

Итак, единственным внутренним усилием будет чистое сжатие, а мы уже знаем, что при этом в работу активно включается все сечение, каждый его квадратный сантиметр. Следовательно, можно говорить о полном использовании вложенного материала. В данном случае и общие деформации имеют другой, более благоприятный характер. Непосредственный прогиб, так ярко выраженный у балок и ферм, здесь отсутствует, имеет место лишь общее скручивание арки вследствие неизбежных деформаций сжатия.

 

Арочные конструкции обладают большой несущей способностью и жесткостью и предназначены для крупных пролетов. Это одно из самых мощных средств, которыми располагает инженер-конструктор для покрытия значительных пространств без промежуточных опор. И, естественно, мостостроение является той территорией, где арки и своды встречают самый теплый прием.

 

Можно ли исключить изгиб. При конструктивных формах определенного и при определенных условиях да. Принцип действия арочных конструкций.

 

Каждый из нас не однажды видел арочные мосты. Это, несомненно, наиболее масштабное проявление одной из древнейших конструктивных форм, превосходящей возрастом даже ферму. Свод пришел в Европу с Востока. У арабов он находил применение в культовых и религиозных зданиях (мечетях, медресе), .где с помощью конструкций дугообразного очертания перекрывались проемы, а позже устраивались и покрытия. В Риме свод был неотъемлемой частью знаменитых виадуков и акведуков, некоторые из которых сохранились до наших дней. В эпоху средневековья свод и его пространственный эквивалент — купол были вообще единственным средством для перекрытия определенных площадей без промежуточных опор (храмы, дворцы и т. п.), точнее — единственным средством, позволяющим использовать камень и кирпич не только для стен и колонн, но и для конструкций покрытия. Благодаря постоянному и относительно равномерному сжатию швы между отдельными каменными блоками не нуждались в специальных связях.

 

Замечательные образцы арочных мостов оставили средневековые болгарские строители. Дьявольский мост на р. Арда прекрасный пример средневекового мостостроения Болгарии. При центральном пролете 38 м и высоте арки (стреле подъема) 16 м его толщина в верхней части (ключе или замке) составляет всего лишь 45 см! Замечательный образец синтеза архитектурного облика, конструктивной формы и слияния с окружающим ландшафтом — мост на р. Янтра, построенный знаменитым болгарским мастером Николой Фичевым.

 

Вообще мосты представляют собой не только конструкции и пути сообщения, но и сильное средство эстетического воздействия, часто определяя облик всей местности или города. В этом смысле свод и арка прекрасно выполняют двойную функцию эстетически выразительной и рациональной конструктивной формы. Комплексное воздействие современных арочных мостов поистине неповторимо, их арки очень стройны: высота их сечения достигает 1/40 1/60 величины пролета (тогда как у балок и ферм это соотношение колеблется от 1/16 до 1/3 .

 

По вполне понятным соображениям, конструкция путевого полотна предполагает горизонтальную поверхность, в связи с чем арка должна быть надстроена . Это достигается с помощью сплошной надсводовой части, как делали прежние строители, или с помощью расчлененной надсводовой конструкции. В последнем случае стойки, выступающие над сводом, передают нагрузку от горизонтальных балок, находящихся под плитой путевого полотна. Существуют также сводовые конструкции с ездой понизу , когда мостовое полотно находится на уровне пяты (опоры) свода и висит на специальных подвесках.

 

Деформации свода не могут не вовлекать в работу и надсводовую конструкцию, так что в конечном счете получается единая сложная несущая система. Однако чаще всего вся над сводовая часть рассматривается как нагрузка на свод. Но есть системы, где подобное взаимодействие желательно, например, системы лангер (езда понизу) и консидер (езда поверху). Для этих систем характерны очень тонкие и высокие арки и относительно мощные главные балки мостового полотна. Последние здесь ведут себя уже не как нагрузка для арок, а как самостоятельный элемент. Арки же в этом случае являются вторичным, усиливающим элементом, который значительно увеличивает несущие возможности горизонтальной балки.

 

Ясная идеализированная схема, с которой мы начали, в действительности может быть намного сложнее. В ряде случаев это делается умышленно в стремлении к более целесообразной и эффективной конструкции. Однако чаще всего речь идет о нежелательных (и неизбежных) вторичных эффектах. Достаточно сказать о том, что безмоментное напряженное состояние предполагает сравнительно равномерно распределенную, но обязательно неподвижную, статическую нагрузку. Существуют аналитические и графические методы определения очертания арок (линии сжатия), обеспечивающего их работу под действием постоянной нагрузки без изгибающего момента. Но в случае мостов, кранов и т. п. подвижные нагрузки (транспорт) создают сложную и быстро меняющуюся картину внутренних сил, при которой каждому моменту времени соответствует своя форма равновесия. Но арка жесткая, она не может раздвинуться, принимая необходимую устойчивую безмоментную форму, а сохраняет прежнее положение. Так появляются изгибающие моменты, которые имеют временный характер. По величине они намного меньше моментов в балочных конструкциях. В целом арка работает преимущественно без моментов и остается исключительно рациональной и удобной конструктивной формой.

 

Существуют арки из стали и дерева, но поскольку речь идет о сжатии, то основной материал здесь, конечно, железобетон. Чаще всего исполнение бывает монолитным, что предполагает несущий каркас для опалубки. А это серьезный технологический минус. Но что делать? Без минусов не обойтись нигде.

 

Однако этот минус преодолим в условиях обычного надземного строительства. Поскольку в конструкциях покрытий зданий превалируют постоянные нагрузки, то в промышленном и гражданском строительстве почва для работы арок более благоприятна, чем в мостостроении. Другими словами, безмоментное состояние здесь будет преобладающим. Причем арки используются в чистом виде , без надстройки, так как в конструкциях покрытия естественный уклон необходим — по нему стекают дождевые воды. Арочные конструкции из железобетона выполняют с пролетом более 100 м (для ангаров), а в сочетании с оболочко-образными покрытиями — с пролетом свыше 200 м.

 

Формы с параболическим верхним поясом, которые мы рассматривали раньше, по существу, тоже можно считать одной из многообразных форм арок. Если действует только нагрузка, для которой и выбрана такая линия верхнего пояса, решетка фермы не нагружена, а следовательно, ферма работает как арка. Другой формой, широко применяемой в промышленном строительстве, является так называемая балка Виран-деля, которая состоит из прямолинейного нижнего пояса, параболического верхнего пояса и вертикальных стержней решетки. При постоянной равномерно распределенной нагрузке она тоже работает как арка. (Однако при неравномерной нагрузке возникают значительные изгибающие моменты, поскольку в решетке отсутствуют диагональные стержни. Такая система работает уже гораздо более сложным образом. Ее работа представляет собой нечто среднее между работой балки, фермы, арки и рамы.) В промышленном строительстве НРБ широко применяется типовая балка Виранделя из сборного железобетона для пролетов величиной 12, 18 и 24 м. В Берлине построено промышленное здание с пролетом 60 м, в Покрытии которого тоже применены балки этого типа. В Бельгии балки Виранделя были использованы при строительстве ряда стальных мостов с пролетами до 80 м. Катастрофа, которая произошла с одним из них, служит убедительным доказательством огромной роли горизонтального сжатия в случае применения арочных конструкций.

 

Речь идет о том, что работа арок предполагает не только вертикальное давление на опоры (как у балок), но и значительное горизонтальное сжимающее усилие. Это хорошо видно на 2 С одной стороны, это весьма неприятное явление, поскольку оно создает ряд проблем, связанных с восприятием подобной нагрузки. Необходим или специальный фундамент, который передавал бы это усилие на грунт, или когда геологические условия, а чаще всего вид и назначение конструкции не позволяет это сделать, дополнительный элемент (затяжка), который связывает две пяты арки и воспринимает горизонтальную силу. В случае ферм и балок Виранделя роль стяжки выполняет нижний пояс. Однако, с Другой стороны, горизонтальное сжатие является просто бесценным

 

2 Последовательное развитие катастрофы моста у города Хасселт

 

Так или иначе, но горизонтальное сжатие имеет место, а его восприятие обязательно. Однако вернемся к катастрофе бельгийского моста, в конструкции которого была применена балка Виранделя.

 

Утром 14 марта 1938 г. внезапно рухнул стальной мост на канале Принц Альберт близ города Хасселт. Очевидцы утверждают, что слышали звук, подобный выстрелу, после чего заметили разрыв в нижнем поясе между третьей и четвертой вертикалями. Мост начал сильно провисать и приблизительно через 6 мин, развалившись на три части, упал в замерзшие воды канала. Было минус 10°С.

 

Мы не будем останавливаться на причинах катастрофы: низкокачественная сталь, некачественная сварка, конструктивные погрешности и т. д. Важно то, что речь идет о крупном разрушении, которое у низкоуглеродистых сталей может происходить только при особых условиях, например при низких температурах. Однако гораздо интереснее механизм самого разрушения, стадии, через которые последовательно прошла конструкция, прежде, чем окончательно рухнула.

 

Сначала все было в порядке — транспорта на мосту не было, нагрузка только от собственной массы предполагала чистое сжатие в верхнем поясе. Конструкция работала как арка, а горизонтальное усилие воспринимал нижний пояс-затяжка. Внезапно он разорвался. Конструкция пыталась продолжать работать как арка, передавая горизонтальную силу на фундаменты, которые, разумеется, не были рассчитаны на такую ситуацию. В результате вершины фундаментов были срезаны ( 2 . Горизонтальная сила исчезла, исчез и эффект арки. С этого момента конструкция (вернее, ее верхний пояс)-стала работать как свободно опертая балка (хотя и с параболическими очертаниями, что, впрочем, несущественно) . Появились огромные изгибающие моменты, котЪрые верхний пояс был не в состоянии выдержать. Балка, естественно, переломилась и рухнула в канал.

 

Основное функциональное назначение добавок, и этим они отличаются от заполнителей и наполнителей, заключается в том, что они всегда достаточно активно взаимодействуют с одним или несколькими компонентами смеси в процессе формирования структуры вяжущей части или макроструктуры ИСК. В результате реакции возникают новые соединения, которых ранее не было в смеси, причем добавки или полностью расходуются, или утрачивают свои индивидуальные признаки. Понятно, что при избыточном количестве добавки могут частично остаться в смеси и в сформованном материале без каких-либо изменений, что не является желательным.

 

Твердые добавки в смесях могут оставаться не только в состоянии нерастворимых минеральных порошков. Используют и такие твердые добавки, которые в смесях сравнительно легко образуют растворы или расплавы. Они относятся либо к катализаторам и ингибиторам (замедлителям), либо вступают в химические связи с компонентами смеси и создают новые фазы в процессе структурооб-разования. Их действие может привести также к преобразованию свойств поверхности компонентов, например к минерализации древесной дробленки и стружки путем экранирования поверхности пленкой нерастворимого вещества. Среди добавок этого действия — водорастворимые соли (средние и кислые), основания и другие электролиты и неэлектролиты.

 

При производстве ИСК кроме вяжущих веществ, заполнителей и наполнителей широкое применение находят добавочные вещества в смесях, именуемые добавками. На стадиях технологического процесса они облегчают выполнение операций, снижают количество затрачиваемой энергии, уменьшают расход дорогостоящих компонентов, снижают материалоемкость, способствуют обеспечению необходимых показателей свойств материала, благоприятствуют ускорению или замедлению процессов структурообразования и отвердевания. На стадии эксплуатации конструкций добавки, введенные ранее в ИСК, призваны упрочнить, стабилизировать структуры материала, максимально тормозить неизбежную деструкцию, возникающую и развивающуюся в материале под влиянием внешней среды и внутренних самопроизвольных явлений.

 

Поверхностно-активные вещества как добавки разделяют в основном на гидрофобизирующие и гидрофилизирующие, что зависит от механизма их контактирования с вяжущими веществами и от конечного эффекта их взаимодействия — соответственно гидрофо-бизация (несмачиваемость водой) после воздействия первого и гид-Рофилизация — после воздействия второго. Эти добавки способствуют также повышению морозостойкости и долговечности, что является следствием их способности, особенно при гидрофобизиру-*?щих добавках, к воздухововлечению при приготовлении смеси. Образуются замкнутые воздушные пузырьки, которые предохраняют разрушение материала при замерзании свободной воды, например, в бетоне с расширением льда. Вместе с тем практически не возникает воДопроницания материала, так как количество воздушных пузырьков невелико (Около 3—4%). Разновидностей ПАВ много, и они с большим эффектом используются в материалах для направленного структурообразования и обеспечения требуемых качественных показателей.

 

Распространенными являются порошкообразные добавки, по внешнему виду, а иногда и по химическому составу сходные с наполнителями. В качестве тонкомолотых активных минеральных добавок их вводят в состав неорганических вяжущих веществ с целью придания им требуемых свойств, например способности к твердению в водной среде при добавлении к воздушной извести, повышенной водостойкости и стойкости против коррозии при добавлении к портландцементу или стойкости к воздействию высоких температур с сохранением прочности при добавках, вводимых в портландце-менты, глиноземистый и некоторые другие вяжущие при производстве жаростойких бетонов, и т. д. Кислотостойкость материала повышают добавки из порошкообразного кварца, андезита, базальта и др. К другим распространенным порошкообразным добавкам относятся: из природных — осадочные горные породы (трепел, диатомит, опоки, магнезит и др.) или породы вулканического происхождения (пуццоланы, пемзы, туф, диабаз и др.); из искусственных — доменные гранулированные шлаки, зола-унос, нефелиновый шлам (побочный продукт алюминиевого производства), помол шамотного кирпича, обожженной глины (порошкообразный керамзит, агло-порит) и др. Все эти твердые добавки образуют с вяжущим новые, как правило, более сложные соединения типа силикатов кальция, алюминатов кальция и др.

 

Широкое распространение имеют жидкие добавочные вещества (добавки) — гомогенные или гетерогенные, как, например, водные дисперсии полимеров, или легко переводимые в жидкое состояние в виде истинных и коллоидных растворов, эмульсий, мыльных пен и др., именуемых как поверхностно-активные вещества (ПАВ). В этих органических соединениях молекулы имеют углеводородный радикал и полярную группу, обращаемую при адсорбции к среде или твердой фазе, производя структурирующее воздействие в материале.

 

Добавки, вводимые в цементно-бетонную смесь, разделяют по эффекту их действия на бетонную смесь и бетон. Пластифицирующие, стабилизирующие, водоудерживающие добавки регулируют реологические свойства. Ускорители и замедлители схватывания теста, противоморозные добавки регулируют процессы твердения. Воздухововлекающие, газообразующие, пенообразующие, уплотняющие регулируют пористость бетона. Специальные добавки придают, как отмечалось выше, бетонам кислотостойкость, жаростойкость и др. Ряд добавок носит комплексный характер и выполняет одновременно несколько функций в бетонных смесях и бетоне.

 



Фундаменты на проса дочных грунтах. Кровли из асбестоцементаых плоских и волнистых листов. Кровли из мягких материалов. Крыши бань и саун. Легированные стали и твердые сплавы. Малярные работы. Материалы и изделия из горных пород.

 

Главная  Свойства 



0.0041