В статье приводятся результаты контрольных испытаний на статический изгиб образцов армобетонных балок, у которых в растянутой зоне стержни стальной и стеклопластиковой арматуры расположены в два ряда с соотношением площадей сечений 50/50. Помимо этого для сравнения приведены данные об экспериментальных исследованиях эталонных образцов железобетонных балок с таким же суммарным содержанием растянутой арматуры. Установлено, что образцы балок с комбинированным армированием способны воспринимать большую нагрузку, но при этом обладают меньшей жесткостью и трещиностойкостью. Разрушение таких изгибаемых элементов происходит по наклонному сечению, чему в работе дается ряд объяснений. Для дальнейших исследований предлагается понизить содержание в сечении растянутой стеклопластиковой арматуры до 30 % от общего количества.
стеклопластиковая и стальная арматура, армобетонная балка, эталонный образец, разрушающая нагрузка, нормальная и наклонная трещина
Введение. Способность изгибаемых железобетонных элементов сопротивляться комплексному воздействию агрессивных и силовых факторов во многом определяется сохранностью в них растянутой стальной арматуры, в которой, при определенных условиях, могут интенсивно протекать коррозионные процессы, что уменьшает содержание рабочей арматуры в сечении и ухудшает ее деформативно-прочностные свойства. Как отмечено в работе [1], коррозионные повреждения арматурной стали являются одной из главных причин снижения долговечности железобетона.
Повысить долговечность армобетонных конструкций можно с помощью неметаллической полимеркомпозитной арматуры, которую в целом перечне нормативных документов рекомендуется применять в бетонных конструкциях при эксплуатации в агрессивных средах [2]. Однако, применение такого типа арматуры в отечественной практике строительства невелико по сравнению с соответствующим опытом стран Западной Европы и Северной Америки, а также Японии. Это объясняется излишним консерватизмом в данной области, малым количеством экспериментально-теоретических исследований армобетонных конструкций с полимеркомпозитной арматурой и самое главное отсутствием свода правил по их расчету и проектированию. В этой связи исследования, направленные на поиск эффективных путей частичного либо полного замещения в железобетонных элементах стальной арматуры на полимеркомозитную выглядят актуальными.
На сегодняшний день для внутреннего полимеркомпозитного армирования ограждающих и несущих конструкций используется стержневая стеклопластиковая арматура. Хотя находят применение и другие виды полимеркомпозитной арматуры (базальтопластиковая, арамидопластиковая и углепластиковая).
Промышленностью выпускается широкая номенклатура стержневой стеклопластиковой арматуры. В работах [3, 4, 5] определено, что она обладает стойкостью к щелочной среде бетона и стойкостью к агрессивному воздействию сульфатов и хлоридов, имеет высокую прочность при растяжении, неэлектропроводна, диамагнетик, имеет реологические свойства, нетепловроводна и не теряет свои прочностные свойства при сверхнизких температурах. В тоже время имеются следующие недостатки: низкий модуль упругости при растяжении, относительно малая огнестойкость, нецелесообразность применения в сжатой зоне бетона, сложность устройства соединений стрежней.
Из работ [6, 7], с учетом ранних авторских исследований [8], установлено, что армобетонные балки, содержащие в растянутой зоне только стеклопластиковую арматуру обладают намного меньшей несущей способностью, жесткостью и трещиностойкостью, чем железобетонные балки. Таким образом, в изгибаемых железобетонных элементах замена стальной арматуры на стеклопластиковую аналогичной площади не эффективна. В данной работе ставиться цель: на основании экспериментальных исследований оценить показатели напряженно-деформированного состояния образцов армобетонных балок, у которых в растянутой зоне стержни стальной и стеклопластиковой арматуры расположены в два ряда с соотношением площадей сечений 50/50 и сравнить их с соответствующими показателями эталонных железобетонных образцов.
Методология. Контрольныеиспытания образцов армобетонных балок на статический изгиб осуществлялись в соответствии с основными положениями ГОСТ 8829 на электромеханической универсальной разрывной машине марки Р-5. Деформации крайнего фибрового волокна бетона сжатой зоны изгибаемых элементов определялись при помощи индикатора часового типа ИЧ-1. Деформации балок в пролете и на опорах фиксировались при помощи индикаторов часового типа ИЧ-10.
Для более точного контроля образования и развития трещин одна из боковых поверхностей экспериментальных образцов была покрыта двумя слоями раствора строительной извести. В последующем на этой гране маркерами обозначено положение стержней стальной (красный цвет) и стеклопластиковой (зеленый цвет) арматуры.
Испытания образцов балок до разрушения проводились ступенчатым нагружением с выдержкой на каждом этапе 7–8 минут.
Основная часть. В контрольных испытаниях на статический изгиб опытными образцами выступали армобетонные балки с поперечным сечением 80 120 мм и длиною 1200 мм, в растянутой зоне армированные стержнями стальной арматуры класса по прочности на растяжение А400 (ГОСТ 5781) и стержнями стеклопластиковой арматуры с песчаным покрытием ROCKBAR (ООО «Гален»). Данные о маркировке и принятом продольном армировании сечений образцов балок указаны в таблице 1. Поперечное армирование всех балок выполнено стержнями стальной арматуры класса А400 диаметром 6 мм с шагом 80 и 100 мм (рис. 1).
Соединения стальных и стеклопластиковых стержней в плоских каркасах выполнялись при помощи вязальной оцинкованной проволоки диаметром 0,9 мм (рис. 2, а).
Все образцы балок были изготовлены из однопартийного тяжелого бетона класса по прочности на сжатие В30 и до испытаний выдержаны 28 суток при нормальных условиях твердения.
Общий вид образцов балок при испытаниях показан на рис. 2, б.
Таблица 1
Маркировка образцов балок и характеристики продольного армирования
|
Маркировка образцов |
Схема продольного армирования сечений |
Армирование, см2 |
Примечание |
|
|
Растянут. зона |
Сжат. зона |
|||
|
Ast / Aft |
Asc |
|||
|
БМ1; БМ2 |
0,503 / 0,000 |
0,283 |
Исходное металлическое армирование |
|
|
БС1; БС2 |
0,283 / 0,255 |
0,283 |
Комбинированное армирование |
|
Схема опирания и нагружения образцов (рис. 3) -– балка, свободно опертая по двум сторонам и нагруженная двумя сосредоточенными силами с образованием в пролете зоны чистого изгиба l / 4 (l – расстояние между опорами).
Ввиду конструктивных особенностей устройства испытательного оборудования участок появления и развития нормальных трещин оказался в зоне ограниченной видимости, что не позволило использовать микроскоп МПБ-2 для контроля ширины раскрытия трещин. Также не удалось анализировать характер изменения относительных деформаций бетона сжатой зоны в связи с неполадками датчика ИЧ-1 при испытаниях.
Результаты испытаний всех образцов балок на изгиб после аналитической обработки представлены в табл. 2.
Характер трещинообразования и разрушения образцов балок показан на рис. 4.
Испытаниями установлено, что у эталонных железобетонных балок в растянутой зоне первые нормальные трещины появляются при нагрузке равной 31 % от разрушающей. Второй этап их появления соответствует нагрузке 40–41 % от разрушающей. В дальнейшем, до разрушения балок идет раскрытие и развитие только нормальных трещин, появившихся на первых этапах, без образования наклонных трещин. Количество трещин у образцов БМ1 и БМ2 равно 7. Они расположены на расстоянии 85–100 мм друг от друга. Разрушение обоих образцов балок сопровождалось выкрашиванием бетона сжатой зоны (разрушение по бетону). Значения прогибов таких балок в середине пролета при нагрузке равной разрушающей находятся в диапазоне (1/69-1/72) l.
Таблица 2
Результаты испытаний образцов балок на изгиб
|
Параметр исследования |
Маркировка образцов балок |
|||
|
БМ1 |
БМ2 |
БМС1 |
БМС2 |
|
|
Разрушающая нагрузка, кН |
16.58 |
17.17 |
18.54 |
18.17 |
|
Нагрузка при образовании первой трещины , кН |
5.12 |
5.32 |
4.81 |
5.45 |
|
Нагрузка при , кН |
16.29 |
16.74 |
14.67 |
14.91 |
|
Прогиб при нагрузке , мм |
13.95 |
14.46 |
19.25 |
18.11 |
|
Прогиб при нагрузке , мм |
2.60 |
3.08 |
6.21 |
5.85 |
|
Количество трещин, шт. |
7 |
7 |
7 |
8 |
|
Максимальная высота развития трещин, мм |
101 |
103 |
104 |
102 |
|
Характер разрушения |
Разрушение по нормальному сечению с выкрашиванием бетона сжатой зоны |
Разрушение по наклонному сечению с глубокими повреждениями бетона растянутой зоны |
||
В ходе испытаний образцов балок с комбинированным армированием выявлено, что у них первые трещины образовываются на этапе нагружения соответствующем 26–30 % от разрушающей нагрузки. Характер трещинообразования у образцов БМС1 и БМС2 следующий: первыми в зоне чистого изгиба появляются нормальные трещины, затем при нагрузке примерно 60 % от разрушающей на расстоянии l/ 4 от опор появляются наклонные трещины. В дальнейшем, с увеличением нагрузки активное развитие нормальных трещин прекращается, а интенсивное раскрытие и развитие наклонной трещины по сечению к месту приложения сосредоточенной силы приводит к разрушению образцов. Разрушение по наклонному сечению не наблюдалось в схожих исследованиях [9, 10]. Данное явление может быть объяснено малой жесткостью соединений стержней стальной поперечной и продольной стеклопластиковой арматуры, недостаточной интенсивностью поперечного армирования и низким модулем упругости стеклопластиковой арматуры, и как следствие повышенной деформативностью образцов. У обеих балок образовалось по 7–8 трещин удаленных друг от друга на расстоянии 75–110 мм.
Среднее значение разрушающей нагрузки образцов балок с комбинированным армированием растянутой зоны на 8,8 % выше, чем у эталонных железобетонных балок. Стеклопластиковая арматура при разрушении балок работает в условиях среза, что приводит к глубоким повреждениям бетона нижней растянутой грани.
Прогибы в середине пролета балок БМС1 и БМС2 в момент их разрушения находятся в диапазоне значений (1/62-1/66) l и на всех этапах деформирования выше, чем у балок со стальной арматурой. Так, при значении нагрузки 0.67Рu прогибы больше в 1,9-2,4 раза. Деформативность образцов балок с включениями стержней стеклопластиковой арматуры резко увеличивается сразу после появления нормальных или наклонных трещин.
При максимально допустимом относительном прогибе изгибаемых элементов, в соответствии с СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия» равном 1/120 от расчетной величины пролета, предельная нагрузка исследуемых балок с комбинированным армированием снижается в 1,2-1,3 раза, что на 12% меньше соответствующего среднего значения эталонных образцов. Таким образом, на несущую способность этих балок гораздо большее влияние оказывает не прочность полимеркомпозитной арматуры, а ее количество и низкий (порядка 50 ГПа) модуль упругости.
Выводы. На основании анализа результатов испытаний следует отметить, что образцы армобетонных балок с двухрядным расположением в растянутой зоне стержней стальной и стеклопластиковой арматуры с соотношением площадей сечений 50/50, по сравнению с эталонными железобетонными образцами, способны воспринимать большую нагрузку, но при этом обладают меньшей жесткостью и трещиностойкостью. Поэтому предлагается понизить содержание в сечении растянутой стеклопластиковой арматуры до 30 % от общего количества. Особенности работы таких конструкций под нагрузкой будут определены и изучены авторами в ходе проведения дальнейших экспериментально-теоретических исследований.
1. Смоляго Г.А., Дронов В.И., Дронов А.В., Меркулов С.И. Изучение влияния дефектов железобетонных конструкций на развитие коррозионных процессов арматуры // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 12. С. 25-27.
2. Римшин В.И., Меркулов С.И. Элементы теории развития бетонных конструкций с неметаллической композитной арматурой // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 5. С. 38-42.
3. Степанова В.Ф., Степанов А.Ю. Неме-таллическая композитная арматура для бетонных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 1. С. 45-47.
4. Римшин В.И., Меркулов С.И. О Нормировании характеристик стержневой неметаллической композитной арматуры // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 5. С. 22-26.
5. Кустикова Ю.О. Состояние вопроса по применению неметаллической арматуры в бетоне // Естественные и технические науки. 2015. № 11. С. 554-556.
6. Селяев В.П., Соловьев А.А., Парамонов Р.Н., Алимов М.Ф., Шабаев И.Н. Работа балок, армированных композитной стеклопластиковой арматурой // Региональная архитектура и строительство. 2013. № 3. С. 67-73.
7. Хишмах М., Маилян Д.Р., Польской П.П., Блягоз А.М. Прочность и деформативность изгибаемых элементов из тяжёлого бетона, армированных стеклопластиковой и стальной арматурой // Новые технологии. 2012. № 4. С. 147-152.
8. Фролов Н.В. Экспериментальные исследования образцов армобетонных балок, в растянутой зоне армированных стеклопластиковыми стержнями // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 2. С. 46-50.
9. Маилян Д.Р., Польской П.П., Мерват Х., Кургин К.В. О прочности балок из тяжелого бетона при использовании стальной, углепластиковой и комбинированной арматуры, расположенной в два ряда // Инженерный вестник Дона. 2013. Т. 27. № 4. С. 212.
10. Маилян Д.Р., Польской П.П., Мерват Х., Кургин К.В. О деформативности изгибаемых элементов из тяжелого бетона при двухрядном расположении углепластиковой и комбинированной арматуры // Инженерный вестник Дона. 2013. Т. 27. № 4. С. 211.
