скачать


УДК 624.072.012
Климов Ю.А., Солдатченко О.С.
Киевский национальный университет строительства и архитектуры
м. Киев, Украина

Орешкин Д.А.
ООО Технологическая группа «Экипаж»
г. Харьков, Украина

Экспериментальные исследования сцепления композитной неметаллической арматуры с бетоном

© Климов Ю.А., Солдатченко О.С., Орешкин Д.А., 2010

In the articles described experimental researches of bond of glass and basalt fiber reinforcement polymer armature made by the method of pultrusion and comparison of findings results with requirements for the steel armature of periodic section.

Keywords – composite armature, glass fiber armature, basalt fiber armature, roving, pultrusion.

В статье приведены результаты экспериментальных исследований композитной стеклопластиковой и базальтопластиковой арматуры с бетоном и сравнения полученных данных с соответствующими требованиями для сцепления стальной арматуры периодического профиля.

Ключевые слова – агрессивная среда композитная арматура, стеклопластиковая арматура, базальтопластиковая арматура, ровинг, пультрузия.



Постановка проблемы

В современной мировой практике наряду с традиционной металлической арматурой все большее применение находит композитная неметаллическая, которая применяется в конструкциях эксплуатирующихся в условиях агрессивной среды.

Композитная арматура представляет собой материал, который состоит с основы в виде базальтового или стеклянного ровинга(соединенные в пучок тонкие волокна диаметром 14…16 мкм) и связующего термореактивной синтетической смолы (пластика). Композитная арматура изготовляется методом пультрузии – протяжкой пропитанных связующим армирующих волокон через нагретую формообразующую π?ильеру или методом нидлтрузии – без применения фильеры.

При этом периодический профиль поперечного сечения формируется путем вдавливания обматывающего жгута в несущий стержень, или путем спиральной обмотки уступами несущего стержня обматывающим жгутом. Временное сопротивление композитной арматуры, в зависимости от вида ровинга, базальтового или стеклянного, составляет соответственно 750…1200 МПа и 600…800 МПа, модуль упругости 40…43 ГПа, плотность – 2,03 т/м3.

В последние годы в Украине освоено производство неметаллической композитной арматуры на основе базальтового и стеклянного ровинга – базальтопластиковой и стеклопластиковой. Для применения композитной арматуры в строительстве необходимо проведение целенаправленных экспериментальных исследований от сцепления с бетоном до прочности, жесткости и трещиностойкости конструкции с композитной арматуры.

Эта работа является первым шагом таких исследований и посвящена экспериментальному изучению сцепления композитной арматуры с бетоном.



Анализ последних исследований и публикаций

В существующей мировой практике основным методом оценивания сцепления арматуры с бетоном является балочный метод RILEM/CEB/FIP [1], который предусматривает испытания специальных образцов бетонной балки на изгиб.

Балка состоит из двух половинок, соединенных между собой в растянутой зоне испытуемыми арматурными стержнями, а в сжатой зоне шарниром в виде двух закладных деталей и стальным цилиндром между ними. Испытуемый арматурный стержень на середине каждой из половинок имеет сцепления с бетоном длиной 10d (d – диаметр стержня), а на других участках расположен в специальных трубках, которые исключают его сцепление с бетоном.

В качестве критерия соответствия сцепления с бетоном требованиям проектирования, в частности EN 1992-1-1 [2] для стальной арматуры, при испытаниях балочным методом RILEM/CEB/FIP [1] принимаются такие условия:


среднее значение касательных напряжений , (1)
касательные напряжения при разрушении(выдергивании) , (2)

где

символ - среднее значение касательных напряжений в МПа сцепления при сдвиге свободного конца стержня на 0,001 мм, 0,1 мм и 1 мм по результатам испытаний;
символ - касательные напряжения при разрушении(выдергивании);
d - диаметр стержня в мм.


Формулирование цели статьи

Цель экспериментальных исследований заключается в определении параметров сцепления композитной базальтопластиковой и стеклопластиковой арматуры с бетоном и сопоставлении полученных данных с требованиями (1), (2) к стальной арматуре для армирования железобетонных конструкций.

Проведение экспериментальных исследований включали в себя испытания на сцепление композитной базальтопластиковой и стеклопластиковой арматуры с бетоном балочным методом RILEM/CEB/FIP [1].

В качестве исследуемых образцов для проведения испытаний были приняты стержни стеклопластиковой арматуры диаметром 8 мм, 12 мм и базальтопластиковой арматуры диаметром 8 мм, 10 мм и 12 мм. Композитная арматура была изготовлена методом пультрузии, общий вид образцов арматуры приведен на рис. 1


а  стеклопластиковая и базальтопластиковая арматура
б 
Рис.1 Общий вид образцов стеклопластиковой (а) базальтопластиковой (б) арматуры.


Изложение основного материала

Испытуемые образцы (балки) для проведения эксперимента имели прямоугольное поперечное сечение 120х220 мм, полную длину - 1230 мм, длина половинок - 600 мм, зазор между половинками балки - 30 мм (см. рис. 2).

Плечё внутренней пары (расстояние от оси испытуемого стержня до оси цилиндра в сжатой зоне) составляло 167 мм (см. рис. 2). На участках без сцепления испытуемый стержень находился в пластиковых трубках.

Конструкция балок приведена на рис. 2. Всего испытывалось по 5 балок-близнецов каждого из диаметров стеклопластиковой и базальтопластиковой арматуры.

схема балки
схема балки
Рис.2 Конструкция экспериментальных образцов.
  1 - композитная арматура
2 - пластиковая трубка
3 - стальной цилиндр

Балки испытывались двумя сосредоточенными силами. В процессе испытания измерялись перемещения расположенных на торце балок свободного конца исследуемого стержня. Схема испытания балок приведена на рис. 3.



схема балки

Рис.3 Схема испытания исследуемых образцов.



Касательные напряжения сцепления с бетоном на длине 10d вычисляются по функции осевого усилия в стержне в середине балки, которое определяется по формуле:

касательное напряжение сцепления с бетоном композитной арматуры , (3)

где

M - общий момент в сечении, который разделяет балку на половинки;
z - плече внутренней пары в сечении, разделяющему балку на две половины, которое равно расстоянию от оси исследуемого стержня до оси цилиндра в сжатой зоне.

Касательные напряжения между исследуемыми арматурными стержнями и бетоном вычисляются по формуле:

касательные напряжения между арматурными стержнями и бетоном , (4)

где

As - фактическая площадь поперечного сечения арматурного стержня;
l - плече внутренней пары в сечении, разделяющему балку на две половины, которое равно расстоянию от оси исследуемого стержня до оси цилиндра в сжатой зоне.

Исследуемые образцы изготавливались из бетона класса В30 с фракцией крупного заполнителя 10-20 мм.

Схватывание образцов происходило в нормальных условиях, разопалубка производилась на 3-4 сутки после бетонирования. Для контроля прочности бетона на давление (класс бетона) изготавливались кубические образцы размерами 100х100х100 мм.

Испытания образцов (балок и кубов) проводились в возрасте 30-38 суток.

Загрузка образцов осуществлялась пошагово по 0,1 от предполагаемой граничной нагрузки вырова арматурного стержня из бетона. Величина нагрузки контролировалась опытным динамометром с индикатором стрелочного типа.

Сдвиг свободных концов исследуемого арматурного стержня измерялся индикатором стрелочного типа с границей измерения 1 мм и точностью 0,001 мм.

На каждом шаге нагрузки выдерживалось 15 секунд, во время которых снимались показания индикаторов.

Средние данные результатов проведенных экспериментальных исследований по пяти образцам-балкам каждого диаметра и типа арматуры приведены в табл.1 и на рис. 4-7 в виде:

  • средних значений исследуемых касательных напряжений  τmτr и нормированных по (1) и (2) (см. табл.1);


  • графики средних зависимостей касательных напряжения-деформации сдвига для композитной стеклопластиковой арматуры диаметром 8, 12 мм (см. рис.4);


  • графики средних зависимостей касательных напряжения-деформации сдвига для композитной базальтопластиковой арматуры диаметром 8, 10, 12 мм (см. рис.5);


  • графики средних зависимостей касательных напряжения-деформации сдвига для композитной стеклопластиковой и базальтопластиковой арматуры диаметром 8 мм (см. рис.6);


  • графики средних зависимостей касательных напряжения-деформации сдвига для композитной стеклопластиковой и базальтопластиковой арматуры диаметром 12 мм (см. рис.7).

Таблица 1

Диаметр образца, мм Тип волокна основы Средние экспериментальные значения касательных напряжений, МПа Нормированные значения касательных напряжений по (1) и (2), МПа
символ символ символ символ
1 8 Стекло 16,00 23,15 6,90 11,25
2 Базальт 18,02 25,84 6,90 11,25
3 10 Базальт 13,84 21,55 6,66 10,88
4 12 Стекло 11,54 17,30 6,43 10,51
5 Базальт 13,34 18,08 6,43 10,51



Рис.4 Зависимость касательных напряжения-деформации сдвига для стеклопластиковой арматуры диаметрами 8, 12 мм.




Рис.5 Зависимость касательных напряжения-деформации сдвига для базальтопластиковой арматуры диаметрами 8, 10, 12 мм.




Рис.6 Зависимость касательных напряжения-деформации сдвига для стеклопластиковой и базальтопластиковой арматуры диаметром 8 мм.




Рис.7 Зависимость касательных напряжения-деформации сдвига для стеклопластиковой и базальтопластиковой арматуры диаметром 12 мм.



Выводы

1. Внешний вид кривых зависимостей касательных напряжения-деформации сдвига для композитной базальтопластиковой и стеклопластиковой арматуры периодического профиля, изготовленного методом пультрузии (см. рис. 4-7), отвечают аналогичным кривым для стальной арматуры традиционного периодического (серповидного) профиля.

2. Полученные контролируемые экспериментальные значения касательных напряжений , (см. табл. 1) для композитной стеклопластиковой и базальтопластиковой арматуры удовлетворяют требованиям EN 1992-1-1 [2] к профилю арматуры, которая применяется для армирования бетонных конструкций.

3. Параметры сцепления с бетоном композитной базальтопластиковой и стеклопластиковой арматуры, полученной методом пультрузии, при других равных условиях, близки (см. рис.1-7), что позволяет использовать для расчета анкерирования этой арматуры в бетоне общие зависимости.

4. Учитывая вышеприведенное, для расчета анкерирования в бетоне композитной базальтопластиковой и стеклопластиковой арматуры периодического профиля, полученной методом пультрузии, могут быть применены зависимости для стальной арматуры периодического (серповидного) профиля.



Список литературы

1. RILEM/CEB/FIP Recommendations RC 5: Bond test for reinforcing steel, 1. Beam Test, 1978.

2. EN 1992-1-1:2004 Eurocode 2: Design of concrete structures General rules and rules for building.