ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
В статье приводятся данные о результатах испытаний на изгиб образцов армобетонных балок, в растянутой зоне армированных стеклопластиковыми стержнями. Для сравнительного анализа были также исследованы аналогичные железобетонные балки, которые в работе рассматриваются в качестве эталонных образцов. Установлено, что образцы балок со стеклопластиковой арматурой способны воспринимать меньшую нагрузку, обладают меньшей жесткостью и трещиностойкостью. Разрушение таких изгибаемых конструкций происходит по наклонному сечению. Это объясняется выключением из работы стержней поперечной арматуры и малым модулем упругости продольной стеклопластиковой арматуры, и как следствие повышенной деформативностью образцов. В связи с этим делается вывод, что стеклопластиковую арматуру в растянутой зоне армобетонных балок будет целесообразнее использовать совместно со стальной арматурой.
стеклопластиковая арматура, армобетонная балка, разрушающая нагрузка, нормальная и наклонная трещина
Введение. Полимерные материалы и изделия из них находят все более частое применение в строительстве. Это в полной мере относится и к неметаллической полимеркомпозитной арматуре.
Полимеркомпозитная арматура представляет собой относительно новый конструкционный материал, состоящий из непрерывного армирующего наполнителя (волокон) и полимерной матрицы (связующего). Волокна, составляющие порядка 70–90 % объема, отвечают за механическую прочность, а связующее – за целостность и химическую стойкость полимеркомпозитной арматуры.
Тенденции к снижению стоимости полимеркомпозитной арматуры возможны с совершенствованием технологии ее изготовления и при продажах в условиях рыночной конкуренции. А пока из-за существенной разницы в ценах со стальной арматурой применение полимеркомпозитной целесообразно и эффективно только в случае необходимости использования ее свойств, которыми традиционная стальная арматура не обладает [1]. Так частичная или полная замена стальной арматуры полимеркомпозитной позволяет повысить долговечность конструкций, эксплуатируемых при воздействии агрессивных сред, при наличии блуждающих токов, а также расширить область применения антимагнитных и диэлектрических бетонных армированных конструкций [2]. В то же время следует отметить, что такая замена в железобетонных элементах возможна не повсеместно. Например, нельзя или не рекомендуется использовать полимеркомпозитную арматуру в качестве сжатой ни в колоннах, ни в балочных конструкциях [3]. Имеются и другие ограничительные сложности по применению.
На протяжении последних 30–40 лет полимеркомпозитная арматура активно изучается в странах Северной Америки, Западной Европы и Японии, где ее производство и использование закреплено на уровне государственных стандартов и норм проектирования. В нашей стране соответствующая нормативная база только формируется, что объясняется недостаточным количеством проведенных экспериментально-теоретических исследований в затронутом тематическом направлении.
Производство полимеркомпозитной арматуры в России регламентируется
ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия». Совсем недавно был введен в действие
СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования», а СП на проектирование армобетонных конструкций с полимеркомпозитной арматурой находится лишь в стадии разработки. Поэтому необходимы дополнительные экспериментальные данные об особенностях работы таких конструкций. В данной статье речь пойдет об изгибаемых конструкциях.
Методология. Испытания образцов армобетонных балок на изгиб осуществлялись в соответствии с основными положениями ГОСТ 8829 при помощи электромеханической универсальной разрывной машины марки Р-5. Деформации крайнего фибрового волокна бетона сжатой зоны определялись при помощи индикатора часового типа ИЧ-1. Деформации балок в пролете и на опорах определялись при помощи индикаторов часового типа ИЧ-10.
Для удобства мониторинга трещинообразования одна из боковых поверхностей балок была окрашена двумя слоями раствора строительной извести. В последующем на эту грань цветными маркерами условно нанесено положение арматурных стержней.
Испытания балок до разрушения проводились ступенчатой нагрузкой. Выдержка на каждом этапе нагружения с учетом снятия показаний с приборов составляла 7–8 минут.
Основная часть. Из всех видов полимеркомпозитной арматуры особый научный интерес представляет арматура на основе стеклянного волокна и синтетической смолы. Поисковые результаты исследований и испытаний на прочность, щелочестойкость, на сцепление с бетоном, показали высокую эффективность стеклопластиковых стержней при их эксплуатации в условиях воздействия агрессивных сред [4, 5, 6]. Поэтому в рамках программы экспериментальных исследований диссертационной работы были произведены испытания на изгиб образцов армобетонных балок, в растянутой зоне которых, по сравнению с аналогичными железобетонными балками, стальная арматура полностью заменена на стеклопластиковую. На основании испытаний для последующего анализа получены данные о прочности, жесткости и трещиностойкости таких конструкций. При этом балки с обычной стальной арматурой условно рассматриваются в качестве эталонных образцов.
Опытными образцами являлись 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 или стержнями стеклопластиковой арматуры с песчаным покрытием ROCKBAR. Данные о принятой маркировке и продольном армировании сечений образцов балок приведены в таблице 1. Поперечное армирование всех балок выполнено стержнями стальной арматуры класса А400 диаметром 6 мм с шагом 80 и 100 мм (рис. 1).
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 |
|
0,442 / 0,000 |
0,283 |
Полимеркомпозитное армирование |
Рис. 1. Схема поперечного армирования образцов балок
Из-за невозможности сварки стальных и стеклопластиковых стержней их соединения в плоских каркасах выполнялись при помощи вязальной оцинкованной проволоки диаметром 0,9 мм (рис. 2, а).
Образцы балок были изготовлены из 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.
Схема опирания и нагружения образцов
(рис. 3) – балка, свободно опертая по двум сторонам и нагруженная двумя кратковременно приложенными сосредоточенными нагрузками с образованием в пролете зоны чистого изгиба l / 4 (l – расстояние между опорами).
|
б) |
|
а) |
Рис. 2. Соединения стержней арматуры вязальной проволокой
(а) и общий вид образцов балок при испытаниях (б)
Рис. 3. Схема опирания и нагружения образцов балок
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 у образцов балок, за исключением БС2, 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.
В ходе испытаний образцов балок со стеклопластиковой арматурой выявлено, что у них первые трещины появляются на этапе нагружения соответствующем 26–27 % от разрушающей нагрузки. Характер трещинообразования у образцов БС1 и БС2 следующий: первыми в зоне чистого изгиба появляются нормальные трещины, затем при нагрузке примерно 50 % 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 [7, 8]. Данное явление может быть объяснено выключением из работы стержней поперечной арматуры и малым модулем упругости продольной стеклопластиковой арматуры, и как следствие повышенной деформативностью образцов. У обеих балок образовалось по 7 трещин, расстояния между которыми находятся в диапазоне 75–105 мм.
Таблица 2
Результаты испытаний образцов балок на изгиб
|
Параметр исследования |
Маркировка образцов балок |
|||
|
БМ1 |
БМ2 |
БС1 |
БС2 |
|
|
Разрушающая нагрузка |
16.58 |
17.17 |
14.52 |
15.11 |
|
Нагрузка при образовании первой трещины |
5.12 |
5.32 |
3.92 |
3.98 |
|
Нагрузка при |
16.29 |
16.74 |
10.39 |
10.04 |
|
Прогиб при нагрузке |
13.95 |
14.46 |
15.97 |
16.98 |
|
Прогиб при нагрузке |
2.60 |
3.08 |
7.28 |
8.16 |
|
Предел. относит. деформация сжатой зоны бетона |
– |
– |
– |
0.00265 |
|
Количество трещин, шт. |
7 |
7 |
7 |
7 |
|
Максимальная высота развития трещин, мм |
101 |
103 |
103 |
104 |
|
Максимальная ширина раскрытия трещин, мм |
– |
– |
– |
– |
|
Характер разрушения |
Разрушение по нормальному сечению с выкрашиванием бетона сжатой зоны |
Разрушение по наклонному сечению |
||
Рис. 4. Характер трещинообразования и разрушения образцов балок соответственно
сверху вниз БМ1, БМ2, БС1 и БС2
Среднее значение разрушающей нагрузки образцов балок со стеклопластиковой арматурой на 13,9 % меньше эталонных железобетонных. Стеклопластиковая арматура при разрушении балок работает в условиях среза, что приводит к глубоким повреждениям бетона нижней растянутой грани.
Прогибы в середине пролета балок БС1 и БС2 в момент их разрушения находятся в диапазоне значений (1/58-1/62) l и на всех этапах деформирования выше, чем у балок со стальной арматурой. Так, при значении нагрузки 0.67Рu прогибы приблизительно больше в 2,4–3,1 раза. Деформативность балок со стеклопластиковой арматурой резко увеличивается сразу после появления нормальных или наклонных трещин.
При максимально допустимом относительном прогибе обычных балок, в соответствии с СП 20.13330.2011 равном 1/120 от величины пролета l, предельная нагрузка опытных балок со стеклопластиковой арматурой снижается в 1,4–1,5 раза, что на 39 % меньше соответствующего среднего значения эталонных образцов. Таким образом, на несущую способность этих балок гораздо большее влияние оказывает не прочность полимеркомпозитной арматуры, а ее малый (порядка 50 ГПа) модуль упругости.
Выводы. На основании результатов проведенных испытаний следует отметить, что образцы балок со стеклопластиковой арматурой, по сравнению с эталонными железобетонными образцами, способны воспринимать меньшую нагрузку, обладают меньшей жесткостью и трещиностойкостью. Поэтому предлагается стержневую стеклопластиковую арматуру в растянутой зоне армобетонных балок использовать совместно со стальной арматурой. Особенности работы таких конструкций будут определены и изучены автором в ходе дальнейших экспериментально-теоретических исследований.
1. Уманский А.М., Беккер А.Т. Перспективы применения композитной арматуры // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2012. № 2 (11). С. 7-13.
2. Степанова В.Ф., Степанов А.Ю. Неметаллическая композитная арматура для бетонных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 1. С. 45-47.
3. Лапшинов А.Е. Исследование работы СПА и БПА на сжатие // Вестник МГСУ. 2014. № 1. С. 52-57.
4. Фролов. Н.В., Никулин А.И., Обернихин Д.В., Лапшин Р.Ю. Исследование свойств композитной арматуры на основе стеклянных и базальтовых волокон // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 3. С. 18-21.
5. Низин Д.Р., Ошкина Л.М., Селяев В.П., Чернов А.Н.. Щелочестойкость эпоксидных композитов с повышенными реологическими характеристиками // Огарёв-Online. 2015. № 13 (54). С. 7.
6. Есипов С.М. Анализ методик проектирования усиления железобетонных конструкций композитными материалами // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 6. С. 114-118.
7. Антаков А.Б., Антаков И.А. Экспериментальные исследования изгибаемых элементов с полимеркомпозитной арматурой // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2014. № 3. С. 7-13.
8. 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.
