ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ДЕТАЛИ МАШИН

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МАТЕРИАЛАХ

Бетон—это искусственный камень, получающийся при за­твердении смеси, составляемой из цемента, воды, песка и щебня.

Основными вяжущими для изготовления железобетонных де­талей машин являются: портландцемент, быстротвердеющий порт­ландцемент (БТЦ), глиноземистый цемент и пуццолановый порт­ландцемент.

Для изготовления железобетонных деталей машин целесооб­разно применять цементы высоких марок (500—800). Для изде­лий, твердеющих в естественных условиях, нужны быстротвер- деющие цементы. Мелкий заполнитель для бетона — песок при­меняется: речной, морской и горный. Мелкий заполнитель должен удовлетворять требованиям ГОСТа 2781—50. Рекомендуется при­менять крупнозернистые и среднезернистые мытые кварцевые пески с модулем крупности 2,4 и более.

Крупным заполнителем для бетона является щебень. Приме­нение гравия не рекомендуется. Фракцию крупного заполнителя выбирают исходя из размеров отдельных элементов железобетон­ных деталей (полок, стенок, ребер) и насыщенности этих деталей арматурой. Максимальный размер фракции щебня не должен пре­вышать 3/4 наименьшего расстояния между стержнями арматуры. Содержание в крупных заполнителях глинистых и пылевидных частиц должно составлять не более 1 % (по весу). Для изготовления железобетонных деталей машин рекомендуется использовать ще­бень из естественных каменных материалов прочностью не ниже 1000 кГІсм2. Вода для затворения бетона не должна содержать масел, щелочей и других вредных примесей.

Для деталей машин из обычного и предварительно напряжен­ного железобетона применяют тяжелые бетоны (объемным весом 2300—2400 кг/м3) следующих марок:

Для станин:

Металлорежущих станков прессов и клетей.... плит

Марка бетона

Для шаботов молотов.......................................................... 600—800

Для деталей:

Прокатного оборудования (типа рам рольгангов) . 400—500 сборочных приспособлений 200—300

К базовым деталям машин (станины металлорежущих станков и др.) предъявляются требования стабильности их геометрических размеров и формы в течение длительного времени эксплуатации. Бетоны высоких марок менее подвержены усадке и ползучести, поэтому их целесообразно применять для изготовления базовых железобетонных деталей.

В бетоне базовых деталей крупных машин (тяжелые и сверх­мощные прессы) должно быть малое тепловыделение при его твер­дении, так как большие разности температур, возникающие при последующем наружном охлаждении, приводят к деформациям и напряжениям. В результате на наружных поверхностях появ­ляются трещины.

Бетон в железобетонных деталях должен быть максимально плотным. Это достигается применением жестких бетонных смесей с водоцементным отношением от 0,31 до 0,42 и тщательным вибро­уплотнением.

Бетоны должны хорошо противостоять ударным нагрузкам и обладать повышенной выносливостью и сопротивлением растяже­нию. Они должны быть стойкими к вредным воздействиям агрес­сивных сред (масел, эмульсий, щелочей, кислот и др.) и повы­шенным температурам.

На вибрированные бетоны высоких марок (400 и выше, водо - цементное отношение 0,31—0,42), как показали исследования авторов, масляные и эмульсионные среды не оказывают сущест­венного влияния.

Таблица 1

Пределы прочности бетона для основных видов напряженного состояния

„ к («Л

Прочность бетона зависит От качества цемента, заполнителей, состава бетона, водоцементного отношения, способа приготовления и уплотнения, возраста и условий его твердения.

Марку бетона выбирают в каждом конкретном случае, исходя из технико-экономических соображений, в зависимости от назна­чения железобетонной детали, условий ее работы, способа изго­товления, транспортировки и мон­тажа. В табл. 1 приведены проект­ные марки бетона по прочности на сжатие и соответствующие им нор­мативные сопротивления бетона на осевое сжатие (призменная проч­ность), растяжение и сжатие при изгибе. Прочность бетона при ска­лывании в 1,5—2 раза выше проч­ности бетона при растяжении. Пре­дельная сжимаемость бетона е"/ = ==0,002 (2 мміпог. м). Предель­ная растяжимость бетона є£рр = = 0,00015(0,15 мміпог. м). Коэф­фициент линейного расширения Рис. 6. График зависимости между бетона принимают а = 1-Ю"5. деформациями и напряжениями Между деформациями и напряже­ниями в бетоне имеет место нелинейная зависимость (рис. 6). Модуль упругости бетона — величина переменная, зависящая от величины напряжений и других факторов.

Начальный модуль упругости бетона Еб соответствует лишь мгновенному загружению образца, при котором имеют место только упругие деформации. Величины модулей упругости Еб различных марок бетона при сжатии и растяжении приведены в табл. 2. Модуль сдвига бетона G6 = 0,43Еб, где Еб — началь­ный модуль упругости бетона при сжатии. Деформации ползу­чести и усадки в бетоне зависят от водоцементного отношения, возраста бетона, влажности окружающей среды и других факто­ров [36, 32, 21 ]. Бетон, как и другие материалы, при переменных

Нагрузках имеет более низкую прочность, чём при однократном приложении нагрузки, постоянной по величине.

Выносливость бетона зависит в основном от пределов изме­нения нагрузки.

Проф. Берг О. Я. отмечает, что предел выносливости при сжа­тии и растяжении неармированного бетона и изгибе бетонных ба­лок за полный асимметричный цикл нагрузки в среднем состав­ляет 50—55% соответствующего предела прочности бетона при статическом нагружении до разрушения. На предел выносливости бетона влияют сроки и условия его хранения. Предел выносливости с ростом возраста бетона увеличивается, а с ухудшением условий хранения снижается [2,25].

Арматура в виде стальных стержней, пучков, сеток или карка­сов применяется для армирования бетона и располагается глав­ным образом в тех частях конструкции, которые подвержены рас­тягивающим усилиям.

Стали для армирования железобетонных конструкций должны удовлетворять основным техническим требованиям, регламенти­рованным нормамиапроектирования.

В зависимости от основной технологии изготовления арматур­ная сталь разделяется на две основные группы: горячекатаную стержневую и холоднотянутую проволочную, а в зависимости от профиля — на гладкую и периодическую.

Механические характеристики основных видов арматурных сталей, применяемых в деталях машин из обычного и предвари­тельно напряженного железобетона, приведены в «Строительных нормах и правилах» (СН и П) [40].

Чугун (ГОСТ 1412-54) широко применяют для изготовления литых закладных частей железобетонных деталей машин. Области его применения приведены в табл. 3.

Для отливок закладных частей можно применять также высо­копрочный чугун с шаровидным графитом (ГОСТ 7293—54).

Сталь, применяемая в закладных частях железобетонных деталей машин, должна обладать хорошей свариваемостью, так как большинство соединений деталей этих машин осущест­вляется сваркой.

При выборе марки стали для закладных частей необходимо руководствоваться следующим: при возможности шире применять углеродистую сталь обыкновенного качества Ст. 3 и углеродистые конструкционные 15,35 и 45; в сварных конструкциях следует применять углеродистые стали марок Ст. 3, Ст. 5, Ст. 6, 15, 35, 45, 60 Г; в литых конструкциях — применять стали марок: 25Л, 35Л, 40Л, 40ГЛ, 45Л, 45ГЛ, 55Л.

Металлопрокат тоже широко применяют для изготовления закладных частей. Например, прокатная угловая равнобокая сталь (ГОСТ 8509—57) и неравнобокая (ГОСТ 8510—57), горяче­катаные трубы диаметром 60—120 мм (ГОСТ 8732—56) из мате - 12

Риала Ст. 3 и Ст. 10, тонколистовая (ГОСТ 3680—57), толсто­листовая (ГОСТ 5681—57) сталь и др.

Железобетон представляет собой конструктивное сочетание двух материалов: бетона и стали, которые работают совместно. Это обеспечивается сцеплением бетона с арматурой и конструктив­ным зацеплением арматуры в бетоне. Физико-механические свой­ства железобетона зависят от свойств составляющих материалов, но не аналогичны им. Усадка железобетона примерно вдвое меньше, чем усадка бетона.

Для тяжелого железобетона коэффициент укорочения от усадки Еу. а = 0,00015. Применяя безусадочный и расширяющийся цемент для изготовления железобетонных деталей, можно исклю­чить деформации усадки в бетоне.

При длительном действии нагрузки в железобетоне разви­ваются деформации ползучести, являющиеся следствием ползу­чести бетона. Однако свободным деформациям ползучести бетона препятствует стальная арматура.

Подробные сведения о ползучести железобетона изложены в специальной литературе [21, 28, 36].

При продолжительном воздействии на железобетон ВЫСОКИХ температур в нем возникают значительные внутренние напряже­ния из-за различия коэффициентов линейного расширения цемент­ного камня, заполнителя и стальной арматуры.

При температуре до 373,15° К (100° С) деформации и дополни­тельные напряжения в железобетонных деталях невелики и не приводят к снижению их прочности. Некоторое снижение проч­ности бетона наблюдается в интервале температур от 473,15° К (200° С) до 573,15° К (300° С). Нагревание бетона до 673,15° К (400° С) вызывает снижение его прочности в 2 раза, а до 773,15° К (500° С) до 3 раз.

Железобетонные детали машин, подвергающиеся в процессе эксплуатации постоянному воздействию повышенных температур, должны быть изготовлены из жаростойких бетонов или иметь спе­циальную защиту в виде изоляции {21, 38, 39].

Для получения жаростойкого бетона применяют заполнители, имеющие достаточную степень жаростойкости и малый коэффи­циент температурного расширения. В качестве вяжущих при­меняют глиноземистый цемент, портландцемент и жидкое стекло.

Данные по техническим требованиям к основным свойствам жаростойких бетонов приведены в табл. 1 приложения [39]. (стр. 196).

Для предотвращения коррозии бетона и арматуры предусма­триваются соответствующие мероприятия, учитывая степень агрессивности сред. Одним из основных мероприятий по повыше­нию коррозионной стойкости бетона является повышение его плотности. Большое значение имеет выбор вида цемента и подбор состава бетона с учетом агрессивности среды. Для защиты арма­туры от коррозии необходимо, чтобы толщина защитного слоя бетона у арматуры была не менее предусмотренной нормами [37]. Бетон в защитном слое должен быть плотным, без раковин и дру­гих дефектов, повышающих степень его проницаемости. От среды большой агрессивности поверхности железобетонных деталей необходимо защищать покрытиями.

Обычные строительные железобетонные конструкции нор­мально работают при наличии трещин в растянутой зоне. В желе­зобетонных деталях машин трещины недопустимы. Если этого достичь не удается в обычном железобетоне, применяют предва­рительно напряженный железобетон. Детали из него проекти­руются, как правило, так, чтобы при эксплуатационных нагруз­ках они работали без трещин в растянутой зоне или чтобы растя­гивающие напряжения в бетоне не появлялись.

В машиностроении из обычного железобетона изготавливают базовые детали станин металлорежущих станков, подмоторные плиты, а из предварительно напряженного — станины прессов, клетей прокатных станов и другие базовые детали. 14