CC BY
114
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №4 (июль - август 2016)
http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 8, №4 (2016) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol8-4 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/01TVN416.pdf Статья опубликована 01.07.2016. Ссылка для цитирования этой статьи:
Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Чесноков Г.В., Михалдыкин Е.С. Анализ экспериментальных исследований по усилению железобетонных конструкций полимерными композитными материалами. Часть 2. Влияние температуры // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №4 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/01TVN416.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
УДК 624.042
Овчинников Илья Игоревич
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Россия, Саратов1 ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»
Филиал в г. Сочи, Россия, Сочи Кандидат технических наук, доцент E-mail: bridgeart@mail.ru
Овчинников Игорь Георгиевич
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», Россия, Пенза ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Россия, Саратов ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», Россия, Пермь
Доктор технических наук, профессор E-mail: bridgesar@mail.ru
Чесноков Георгий Владимирович
АО «НИИграфит» предприятие Госкорпорации «Росатом», Россия, Москва
Отдел строительных проектов Руководитель проекта E-mail: gchesnokov@niigrafit.org
Михалдыкин Евгений Сергеевич
«НИИграфит» предприятие Госкорпорации «Росатом», Россия, Москва
Отдел строительных проектов Главный инженер по строительству E-mail: emihaldikin@niigrafit.org
Анализ экспериментальных исследований по усилению железобетонных конструкций полимерными композитными материалами. Часть 2.
Влияние температуры
Аннотация. Экспериментальных исследований, посвященных анализу поведения усиленных полимерными композиционными материалами железобетонных конструкций, недостаточно, их описание разбросано по различным статьям, диссертационным работам, что затрудняет их сопоставление и анализ. Авторы данной работы поставили задачу собрать и проанализировать доступные отечественные экспериментальные данные, причем
1 410054, Саратов, Политехническая 77
рассмотрение ограничить только работами, в которых не просто приведены результаты экспериментальных исследований, но и описаны испытываемые образцы, применяемые материалы, режимы и условия проведения испытаний. В первой части работы были рассмотрены эксперименты при статическом нагружении. В данной части рассматриваются работы по исследованию влиянию температурного фактора на усиливающие элементы (клей, холсты их углеродных волокон), а также на поведение железобетонных балок, усиленных полимерными композиционными материалами. В результате исследований было установлено, что попеременное замораживание и оттаивание образцов полимерного композиционного материала, эпоксидного клея, а также железобетонных элементов, усиленных полимерными композиционными материалами на базе до 12 циклом практически не оказывает влияния ни на прочностные характеристики полимерного композитного материала, ни на адгезию клея к бетонной поверхности, ни на несущую способность испытанных железобетонных балок. Испытания же железобетонных балок, усиленных холстами из углеродных волокон, показали, что характер разрушения балок зависит от температуры, при которой проводились испытания: при повышенных температурах разрушение происходило путем обрыва усиливающего холста, а при отрицательных температурах разрушение, в конечном счете, происходило по бетону защитного слоя металлической арматуры.
Ключевые слова: железобетон; усиление; полимерные композиционные материалы; эксперименты; влияние температуры
Введение
В части 1 данной работы [1] обсуждалась проблема анализа экспериментальных данных по усилению железобетонных конструкций полимерными композиционными материалами и отмечалось, что в подавляющем большинстве публикаций излагаются общие представления об усилении железобетонных конструкций с помощью полимерных композитных материалов, излагается с некоторыми нюансами технология наклеивания композитов, в ряде работ приводится описание методики расчета усиливаемых композитными материалами железобетонных конструкций по методу предельных состояний. Однако экспериментальных исследований, посвященных анализу поведения усиленных полимерными композиционными материалами железобетонных конструкций, недостаточно, их описание разбросано по различным статьям, диссертационным работам, что затрудняет их сопоставление и анализ. Поэтому авторы данной работы поставили задачу собрать и проанализировать доступные отечественные экспериментальные данные по усилению железобетонных конструкций полимерными композиционными материалами, причем рассмотрение ограничить только работами, в которых не просто приведены результаты экспериментальных исследований, но и описаны испытываемые образцы, применяемые материалы, режимы и условия проведения испытаний. С нашей точки зрения только такие результаты представляют ценность, ибо они могут быть подвергнуты проверке. Мы также полагаем, что ценность корректно поставленных и описанных экспериментальных исследований непреходяща, ибо на их основе можно разрабатывать и предлагать модели деформирования и разрушения различной сложности и точности и тем самым стимулировать развитие теорий деформирования и разрушения, конструкций армированных различными материалами.
При изложении основного материала был принят следующий порядок изложения:
• эксперименты при статическом нагружении;
• экспериментальные исследования влияния температуры;
• экспериментальные исследования влияния агрессивных сред, физических полей;
• длительные экспериментальные исследования (выносливость, ползучесть, длительная прочность);
• экспериментальные исследования при режимном или динамическом нагружении.
В первой части работы были рассмотрены результаты отечественных испытаний при статическом нагружении.
1. Экспериментальные исследования влияния циклического замораживания и оттаивания на не усиленные и усиленные железобетонные балки
Если в железобетонных конструкциях коэффициенты температурного расширения бетона и арматуры близки и поэтому при изменении температуры в них практически не возникает температурных напряжений, то коэффициенты температурного расширения бетона и полимерного композитного материала, используемого для усиления железобетонных конструкций, различаются, и потому представляет интерес экспериментальное исследование поведения усиленных конструкций при различных температурах.
По всей видимости, исследование влияния температуры на усиленные полимерными композиционными материалами железобетонные конструкции в России впервые было проведено под руководством С.А. Бокарева [2, 3, 4].
В работе [2] описаны экспериментальные исследования морозостойкости железобетонных балок прямоугольного поперечного сечения, размерами 120*140 мм, длиной 1 м из бетона с характеристиками В 30, F300, W6. Для испытаний было изготовлено две партии балок, партия А - без усиления, и партия Б с усилением одним слоем композиционного материала (ткань из углеродных волокон Sika Wrap R 530 C(VP)) шириной 120 мм, то есть по всей ширине нижней грани (рис. 1).
Рисунок 1. Схемы армирования балок различных партий [3]
Ткань наклеивалась с помощью двухкомпонентного эпоксидного клея марки Sikadur R - 530. В каждой партии были контрольные образцы, не подвергаемые испытаниям в морозильной камере, и образцы, подвергаемые попеременному замораживанию и оттаиванию в морозильной камере «WEISS» WT11000 в соответствии с требованиям ГОСТ 10060.2-95 по
третьему ускоренному методу определения морозостойкости с замораживанием до -50° С. Все испытываемые образцы балок подвергались насыщению 5% водным раствором хлористого натрия в емкостях из оцинкованной стали, причем уровень раствора был выше верхней грани насыщаемых балок на 20 мм. Насыщение проводилось в течение 96 часов при температуре 18оС. Контрольные балки из партии А (не усиленные) после насыщения раствором извлекались из емкостей и после подсушивания в течение 2-4 часов подвергались испытаниям на изгиб на прессе WPM-300 по схеме трехточечного изгиба. Усиленные образцы из партии Б после насыщения раствором помещались в емкости с раствором и подвергались попеременному замораживанию и оттаиванию в камере. После четырех, восьми и двенадцати циклов замораживания и оттаивания образцы из партии Б также подвергались силовому нагружению.
При испытаниях все не усиленные образцы из партии А разрушались в середине пролета в зоне максимального изгибающего момента по сжатой части сечения.
Разрушение усиленных образцов из партии Б после 4 циклов замораживания и оттаивания происходило вследствие отслоения композиционного материала по контакту «клей - бетон» но не в середине пролета балки, а в зоне образования наклонной трещины (где наибольшие главные напряжения). Такой же характер разрушения обнаружен при испытаниях усиленных балок, но без замораживания и оттаивания, причем оказалось, что после четырех циклов замораживания и оттаивания практически не произошло снижения несущей способности балок. При этом на поверхности балок после 4 циклов наблюдалось незначительное морозное разрушение бетона. Разрушающая нагрузка для балок из партии А (не усиленных) составила 8,12 тс, а балок из партии Б (усиленных) 11,2 тс. Причем, если разрушение балок партии А происходило путем постепенного и значительного увеличения прогиба (как при деформировании балок из пластического материала), то разрушение усиленных балок происходило без значительного развития прогибов (то есть имело характер деформирования как у балок из хрупкого материала).
Результаты испытаний балок партии Б (усиленных) после 8 и 12 циклов попеременного замораживания и оттаивания позволили установить, что разрушение балок происходило из-за образования наклонной трещины с разрушением бетона защитного слоя (между рабочей арматурой и слоем усиления). После 8 циклов замораживания и оттаивания разрушающая нагрузка для балок партии А (не усиленных) составила, как и ранее 8,12 тс, а для партии Б (усиленных) 10,2 тс, после же 12 циклов замораживания и оттаивания разрушающая нагрузка для балок партии А (не усиленных) составила 7,87 тс, а для партии Б 10,06 тс. Графики, иллюстрирующие кинетику нарастания прогибов при нагружении балок партии А и партии Б после 8 циклов попеременного замораживания и оттаивания приведены на рисунке 2, а после 12 циклов - на рисунке 3.
Рисунок 2. Кривые нагрузка - прогиб для не усиленных (А) и усиленных (Б) балок после 8 циклов попеременного замораживания и оттаивания [3]
Рисунок 3. Кривые нагрузка - прогиб для не усиленных (А) и усиленных (Б) балок после 12 циклов попеременного замораживания и оттаивания [3]
Как видно, на обоих графиках увеличение прогиба балок партии А (не усиленных) протекает подобно деформированию балок из пластического материала со значительным увеличением прогиба перед разрушением, в то же время увеличение прогиба балок партии Б (усиленных) напоминает деформирование балок из хрупкого материала, то есть без значительного увеличения прогиба перед разрушением. В этом есть определенная опасность, так как получается, что усиленные балки при быстром увеличении нагрузки могут внезапно разрушиться, не предупредив об этом развитием больших деформаций.
Интересно, что не обнаружено влияние попеременного замораживания и оттаивания на адгезию эпоксидного клея к бетону.
Ниже, в таблице 1 приведены величины разрушающей нагрузки для усиленных и не усиленных балок при разных значениях марки F по морозостойкости бетона балок и числе циклов замораживания и оттаивания.
По результатам испытаний можно сделать два замечания. Во-первых, количество циклов замораживания и оттаивания в эксперименте не такое уж большое. Ведь реальные железобетонные конструкции подвергаются гораздо большему количеству циклов замораживания и оттаивания, особенно в центральной части России, где в последнее время увеличилось количество «сиротских» зим, когда в течение зимнего периода наблюдается до 10 - 15 циклов потепления и понижения температуры с переходом через ноль. Поэтому было бы интересно проанализировать в эксперименте поведение усиленных конструкций после значительно большего числа циклов замораживания и оттаивания.
Во-вторых, усиления железобетонных балок производилось наклеиванием композиционного материала на здоровый бетон, не подвергающийся каким-либо силовым и климатическим воздействиям. В реальности, усиливать приходится не здоровые, а поврежденные в процессе эксплуатации железобетонные конструкции, поверхности которых перед усилением приходится залечивать, выравнивать и оказывается, что после ремонта в эксплуатации находится конструкция, состоящая из слоев бетона разного возраста и разных механических характеристик. Поэтому представляет интерес выяснить, а как поведут себя такие конструкции после усиления при попеременном замораживании и оттаивании.
Таблица 1
Разрушающая нагрузка для усиленных (Б) и не усиленных (А) балок при разных значениях марки Г по морозостойкости бетона балок и числе циклов замораживания и оттаивания [3]
Номер балки Количество циклов Марка бетона по Разрушающая Среднее значение
Партия замораживания и морозостойкости, нагрузка, Р, тс разрушающей
оттаивания F (кН) нагрузки, Рср, тс (кН)
А 1 8,25 (80,93) 8,12 (79,66)
2 0 0 7,99 (78,38)
Б 1 11,01 (108,01) 11,2 (109,87)
2 11,39 (111,74)
3 8,24 (80,83)
А 4 8,06 (79,07) 8,12 (79,66)
5 4 150 8,05 (78,97)
3 10,69 (104,87)
Б 4 11,23 (110,17) 11,2 (109,87)
5 11,67 (114,48)
6 8,51 (83,48)
А 7 8,08 (79,26) 8,12 (79,66)
8 8 300 7,76 (76,13)
6 10,74 (105,36)
Б 7 9,98 (97,90) 10,2 (100,06)
8 9,88 (96,92)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №4 (июль - август 2016)
http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru
Номер балки Количество циклов Марка бетона по Разрушающая Среднее значение
Партия замораживания и морозостойкости, нагрузка, Р, тс разрушающей
оттаивания F (кН) нагрузки, Рср, тс (кН)
9 8,16 (80,05)
А 10 7,91 (77,60) 7,87 (77,20)
11 12 400 7,54 (73,97)
9 9,57 (93,88)
10 9,65 (94,67) 10,06 (98,69)
11 10,95 (107,42)
В статье [5] приведены результаты экспериментальных исследований влияния положительных (до +50оС) и отрицательных (до -50оС) температур на поведение изгибаемых железобетонных элементов (балок длиной 1550 мм, шириной 120 мм и высотой 220 мм) из бетона класса B30, F300, W6 со схемой армирования согласно рисунку 4.
Рисунок 4. Схема армирования испытываемых балок [5]
Усиление балок выполнялось одним слоем холста шириной 120 мм из углеродных волокон BASF Mbrace Fib СА 230/4900.530g и одним слоем ламелей BASF Mbrace LAM СА 210/2400.50x1,4. Испытанию подвергались три партии балок: А - не усиленные, Б -усиленные холстом, В - усиленные ламелями.
Мы не будем здесь приводить описание эксперимента и результаты, так как все это отражено в статье [5], в легкодоступном электронном издании. Отметим только, что эксперименты показали, что снижения прочности и полимерного композиционного материала и клея - адгезива при отрицательных температурах до - 50оС не происходит.
2. Исследование применимости системы ЕШАКМ во влажных и агрессивных средах
Эти исследования, по данным работы [6] проводились на базе Испытательного центра технических средств железнодорожного транспорта Уральского государственного университета путей сообщения и Московского государственного университета путей сообщения.
Сначала были проведены испытания холстов и клеевого соединения в условиях попеременного замораживания и оттаивания, а уж потом испытания железобетонных балок, усиленных полимерным композиционным материалом.
2.1. Испытания холстов из углеродных волокон FibARM Tape 230/300
Для испытания использовались полоски холста из углеродных волокон FibARM Tape 230/300 размерами 20хТх250 мм, пропитанных полимерным связующим FibARM Resin 230.
Испытания производились путем попеременного замораживания (до - 50оС) и оттаивания полосок холста при количестве замораживания и оттаивания 4, 5, 8, 12 (рис. 5), после чего полоски холста образцы высушивались и подвергались испытанию на растяжение согласно рисунку 6. Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 25.601-80. Для испытаний использовалась морозильная камера ЕРМ 710 и универсальная испытательная машина Testometric.В процессе испытания определялась прочность холста при разрыве и модуль упругости материала. Результаты испытания приведены в таблице 2.
Рисунок 5. Образцы холста в 5%растворе хлорида натрия в морозильной камере [6]
Рисунок 6. Схема испытания полоски холста на растяжение (слева) и образцы после
испытания на разрыв [6]
Таблица 2
Прочность образцов при испытаниях на сдвиг до разрушения [6]
Номер образца Количество циклов замораживания и оттаивания Прочность при разрыве, МПа Модуль упругости при растяжении, ГПа
1 0 3321 228
2 4 3372 230
3 5 3197 232
4 8 3302 229
5 12 3312 230
Анализ результатов испытаний позволяет заключить, что при реализованном в экспериментах количестве циклов попеременного замораживания и оттаивания полосок холста изменения прочностных (прочность при разрыве) и деформационных (модуль упругости) характеристик практически не происходит.
2.2. Испытания клеевого слоя из эпоксидного клея FibARM Resin 230
Для испытания использовались бетонные кубики со стороной 100 мм, к которым клеем FibARM Resin 230 приклеивались полоски холста размерами 20хТх250 мм FibARM Tape 230/300 (рис. 7).
Рисунок 7. Образцы кубиков и полоски холста, выдерживаемые в 5%растворе хлорида
натрия согласно ГОСТ 10060.2-95 [6]
Испытания производились путем попеременного замораживания (до -50оС) и оттаивания кубиков с приклеенными к ним полосками холста. Количество циклов замораживания и оттаивания составляло 4, 5, 8, 12, после чего образцы высушивались и подвергались испытанию на сдвиг согласно рисунку 8. Разрушение происходило не по клеевому слою, а по поверхностному слою бетона.
Рисунок 8. Схема испытания клеевого слоя на сдвиг (слева) и образцы после
испытания на сдвиг [6]
Результаты испытаний приведены в таблице 3. Анализ результатов показывает, что попеременное замораживание и оттаивание не ухудшает адгезию эпоксидного клея FibARM Resin 230 к поверхности бетона, мало того, наблюдается даже некоторое увеличение прочности на сдвиг после предварительного замораживания и оттаивания.
Таблица 3
Прочность образцов при испытаниях на сдвиг до разрушения [6]
Номер Количество циклов замораживания и Средняя прочность при испытании на
образца оттаивания сдвиг, МПа
1 0 2,2
2 4 3,1
3 5 2,7
4 8 2,5
5 12 2,9
Заметим, что здесь, как уже выше отмечалось, исследовалось поведение полосок холста и клеевого соединения при количестве циклов замораживания и оттаивания не превышающем 12, а приклеивание полосок холста осуществлялось не к ремонтному составу бетона, а к поверхности недавно изготовленных бетонных образцов.
2.3. Испытания холстов из углеродных волокон FibARM Tape 230/300 на действие положительных и отрицательных температур
Для испытания использовались полоски холста из углеродных волокон FibARM Tape 230/300 размерами 20хТх250 мм, пропитанных полимерным связующим FibARM Resin 230. Испытания производились в испытательной машине MTS Insigt30 с температурной камерой
(рис. 9). На рис. 10 показан процесс испытания образца холста на растяжение при отрицательной температуре.
Рисунок 9. Испытательная машина ЫТ8 Insigt30 с температурной камерой [6]
Рисунок 10. Процесс испытания образца при отрицательной температуре [6]
Результаты испытаний образцов холста при разных температурах приведены на рис. 11. Как видно, в интервале температур от -60оС до +30оС прочность практически не изменяется, и только при нагреве образцов выше 30оС происходит снижение прочности, причем при температуре +90оС прочность снижается в два раза.
ллпп
я и % п о f Й 3500
- » ^ллл
"3 ^лл
"ЗЛЛЛ
ibuu 1 ллл
гпп
ьии п.
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 Температура, °С
Рисунок 11. Зависимость прочности образцов холста от температуры испытаний [6]
3. Исследование поведения железобетонных балок, усиленных полимерными композиционными материалами при пониженных и повышенных температурах
Для проведения испытаний использовались железобетонные балки с размерами и армированием, показанными на рис. 12. Было изготовлено две партии балок: партия А - не усиленные полимерными композиционными материалами балки и партия Б - усиленные по нижней грани одним слоем холста FibARM Tape 230/300 шириной 120 мм.
Балки партии А испытывались на четырехточечный изгиб при температуре +30оС. Балки партии Б разделялись на три группы: контрольные, охлаждаемые и нагреваемые. Охлаждение балок производилось до уровней температуры 0оС, -30оС, -60оС. Нагревание производилось до уровней +60оС, +90оС. И для охлаждения и для нагревания использовалась температурная камера Techno 7010Wi объемом 10 м3.
Обозначения: 1 - стержневая металлическая арматура класса А400 диаметром 10 мм, 2 - стержневая металлическая арматура класса А400 диаметром 8 мм, 3 - поперечная металлическая арматура класса А240 диаметром 6,5 мм. Источник [7]
Рисунок 12. Размеры и армирование испытываемых балок: а) балки партии А, не усиленные, б) балки партии Б, усиленные одним слоем холста FibARM Tape 230/300 шириной 120 мм
Испытываемые балки устанавливались на специальном стенде, который затем помещался в климатическую камеру, где и производилось охлаждение или нагревание. Балки испытывались по схеме симметричного четырехточечного изгиба, расчетный пролет балок составлял 1,265 м, а расстояние между прикладываемыми силами 36,5 см. Нагрузка прикладывалась с шагом 500 кг при скорости нагружения менее 100 кг/мин. Прогибы измерялись тензометрическим датчиком перемещения, а прикладываемая нагрузка тензометрическим динамометром. Все датчики были подключены к измерительному комплексу «Тензор - МС». На рис. 13 показана схема испытательного стенда, который помещался в климатическую камеру. Каждая серия включала не менее трех образцов.
Результаты испытаний в виде графиков зависимости прогибов в середине пролета балок от величины приложенной нагрузки при разных уровнях температуры (от -60оС до +60оС) приведены на рисунках 14, 15, 16, 17, 18, заимствованных из [7]. Далее в таблице 4 приведены значения нагрузок, при которых произошло разрушение испытываемых при различных температурах балок.
Рисунок 13. Схема испытательного стенда с размерами, на которой обозначено: ДП датчик перемещения, МД - мессдоза. Источник [7]
Нагрузка, кН_
120
40
/ Б1-. / 1 \
л /
А1- / 1 ЗН
< 1/
/Г Л"
Прогиб, мм
Рисунок 14. Диаграммы «нагрузка - прогиб» полученные при испытании балок партии Б (усиленных) охлажденных до -60оС. Черным цветом показаны диаграммы «нагрузка-прогиб» полученные при испытании не усиленных балок партии А. Источник [7, 8]
Рисунок 15. Диаграммы «нагрузка - прогиб» полученные при испытании балок партии Б (усиленных) охлажденных до -30оС. Черным цветом показаны диаграммы «нагрузка-прогиб» полученные при испытании не усиленных балок партии А. Источник [7, 8]
Рисунок 16. Диаграммы «нагрузка - прогиб» полученные при испытании балок партии Б (усиленных) охлажденных до -0оС. Черным цветом показаны диаграммы «нагрузка-прогиб» полученные при испытании не усиленных балок партии А. Источник [7, 8]
160
Нагрузка, кН
ы \ О X
\ <и-з н
\ /
ш (7
><*
Прогиб, мм 16
Рисунок 17. Диаграммы «нагрузка - прогиб» полученные при испытании балок партии Б (усиленных) нагретых до +30оС. Черным цветом показаны диаграммы «нагрузка-прогиб» полученные при испытании не усиленных балок партии А. Источник [7, 8]
Рисунок 18. Диаграммы «нагрузка - прогиб» полученные при испытании балок партии Б (усиленных) нагретых до +60оС. Черным цветом показаны диаграммы «нагрузка-прогиб» полученные при испытании не усиленных балок партии А. Источник [7, 8]
Таблица 4
Влияние температуры испытания на величину нагрузок, при которых произошло
разрушение испытываемых балок [8]
№ Партия балок Номер образца Температура испытания оС Разрушающая нагрузка, кН Среднее значение разрушающей нагрузки, кН
1 А, не усиленные 1 +30 55 61
2 64
3 63
2 Б, усиленные наклейкой слоем холста FibARM Tape 230/300 4 +30 126 118
5 125
6 105
3 7 +60 111 105
8 105
9 100
4 10 +90 57 58
11 51
12 65
5 13 0 109 131
14 127
15 158
6 16 -30 121 121
17 122
18 119
7 19 -60 117 123
20 121
21 132
Представляет интерес сопоставить внешний вид и характер разрушения испытанных балок различных партий при разных температурах.
Оказалось, что разрушение балок партии А (не усиленных) происходило стандартным образом из-за наступления предельного состояния вследствие достижения напряжениями в рабочей арматуре и бетоне предельных значений.
Разрушение же усиленных балок партии Б, испытываемых при температурах от +30оС до -60оС, происходило путем отслоения полимерного композиционного материала по контакту клей-бетон с последующим сколом бетона защитного слоя рабочей металлической арматуры. Причем разрушение балок происходило в зоне действия максимальных главных напряжений где-то в четверти длины балки.
На рис. 19 приведены фотографии балок партии Б, испытываемых при температуре +30оС, до начала испытания, в процессе испытания и после испытания в разрушенном состоянии.
Рисунок 19. Усиленные балки партии Б, испытываемые при температуре +30оС, до начала испытания, в процессе испытания и после испытания [7]
На рис. 20 приведены фотографии балок партии Б, испытываемых в морозильной камере при температуре 0оС, до начала испытания, в процессе испытания и после испытания в разрушенном состоянии.
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №4 (июль - август 2016)
http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru
Рисунок 20. Усиленные балки партии Б, испытываемые при температуре 0оС, до начала испытания, в процессе испытания и после испытания [7]
На рис. 21 приведены фотографии балок партии Б, испытываемых в морозильной камере при температуре -30оС, до начала испытания, в процессе испытания и после испытания в разрушенном состоянии.
Рисунок 21. Усиленные балки партии Б, испытываемые при температуре -30оС, до начала испытания, в процессе испытания и после испытания [7]
На рис. 22 приведены фотографии балок партии Б, испытываемых в морозильной камере при температуре -60оС, до начала испытания, в процессе испытания и после испытания в разрушенном состоянии.
Рисунок 22. Усиленные балки партии Б, испытываемые при температуре -60оС, до начала испытания, в процессе испытания и после испытания [7]
Интересно, что разрушение усиленных балок партии Б при температурах +60оС и +90оС происходило ближе к середине балок путем обрыва наклеенного полимерного композиционного материала.
На рис. 23 приведены фотографии балок партии Б, испытываемых при температуре +60оС, в процессе испытания и после испытания в разрушенном состоянии.
Рисунок 23. Усиленные балки партии Б, испытываемые при температуре +60оС, в процессе
испытания и после испытания [7]
На рис. 24 приведены фотографии балок партии Б, испытываемых при температуре +90оС, в процессе испытания и после испытания в разрушенном состоянии.
• ^ j^TL I 11.ИКТ? ш 1
Рисунок 24. Усиленные балки партии Б, испытываемые при температуре +90оС, в процессе
испытания и после испытания [7]
Анализ представленных фотографий позволяет заключить, что характер разрушения балок, усиленных по нижней грани одним слоем холста FibARM Tape 230/300 зависит от температуры испытаний. Если температура испытаний выше +30оС, то разрушение наступает из-за обрыва волокон углепластика, причем при температуре +90оС происходит размягчение эпоксидного клея и снижение его прилипания к бетону. При низких температурах (ниже нуля градусов по Цельсию) разрушение происходит путем отслоения клеевого слоя от бетонной поверхности и последующего скалывания защитного слоя рабочей металлической арматуры.
Заключение
Проведенный анализ показывает, что в нашей стране к настоящему времени проводится недостаточное количество исследований по экспериментальному изучению поведения железобетонных конструкций, усиленных полимерными композиционными материалами в различных температурных условиях, кроме того, продолжительность экспериментальной базы в случае попеременного замораживания и оттаивания невелика, не исследован масштабный эффект, который должен иметь место и зависеть от соотношения размеров усиливаемой конструкции и усиливающих элементов. Не исследовано поведение железобетонных конструкций, усиленных полимерными композиционными материалами при различных температурных воздействиях во времени (с учетом эффектов ползучести).
Мы не ставили своей задачей анализ зарубежных публикаций по рассматриваемой проблеме, однако отметим работы [9-15], в которых исследуется поведение железобетонных конструкций, усиленных полимерными композиционными материалами, в различных температурных условиях, однако по этим работам можно высказать те же замечания, что и по отечественным публикациям.
В целом, анализ представленных в данной работе результатов экспериментальных исследований позволяет сделать такие предварительные выводы:
• попеременное замораживание и оттаивание образцов полимерного композиционного материала, эпоксидного клея FibARM Resin 230, а также железобетонных элементов, усиленных полимерными композиционными материалами на базе до 12 циклом практически не оказывает влияния ни на прочностные характеристики полимерного композитного материала, ни на адгезию клея к бетонной поверхности, ни на несущую способность испытанных железобетонных балок;
• испытания железобетонных балок, усиленных холстами из углеродных волокон FibARM Tape 230/300, показали, что характер разрушения изгибаемых балок зависит от температуры, при которой проводились испытания: при повышенных температурах разрушение происходило путем обрыва усиливающего холста, а при отрицательных температурах разрушение в конечном счете происходило по бетону защитного слоя металлической арматуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Чесноков Г.В., Михалдыкин Е.С. Анализ экспериментальных исследований по усилению железобетонных конструкций полимерными композитными материалами. Часть 1. Отечественные эксперименты при статическом нагружении // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №3 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/ (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI.
2. Смердов Д.Н. Оценка несущей способности железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами. Автореф. дисс. к.т.н. Новосибирск. 2010. 24 с.
3. Смердов Д.Н. Оценка несущей способности железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами. Дисс. к.т.н. Новосибирск. 2010. 158 с.
4. Бокарев, С.А. Стойкость изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами на основании углеродного волокна, к воздействию отрицательных и положительных температур / С.А. Бокарев, А.А. Неровных, Д.Н. Смердов // Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе. Международная научнопрактическая конференция, посвященная 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения. Тезисы конференции. Ч. I. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2012. -С. 127-128. (0,13 п.л./0,03 п.л.).
5. Бокарев, С.А. Экспериментальные исследования при пониженных и повышенных температурах железобетонных образцов, усиленных полимерными композиционными материалами / С.А. Бокарев, А.Н. Костенко, Д.Н. Смердов, А.А. Неровных // Интернет-журнал «Науковедение». - 2013. - №3 (16). - С. 1-9. (0,56 п.л./0,13 п.л.).
6. Лягуша Т.К. испытания на долговечность железобетонных конструкций, усиленных системой FibARM. ЗАО «ХК «Композит». 2016. 35 с.
7. Смердов М.Н. Исследование несущей способности железобетонных конструкций гидротехнических зданий и сооружений, усиленных композиционными материалами, с учетом температурных факторов. Диссертация ... к.т.н. Екатеринбург. 2015. 135 с.
8. Смердов М.Н., Неволин Д.Г., Смердов Д.Н. Экспериментальные исследования несущей способности железобетонных конструкций горнотехнических зданий и сооружений // Известия вузов. Горный журнал. 2015. №8, с. 138-142.
9. Petkova, Diana. Behaviour of RC beams strengthened with CFRP laminates at elevated temperatures. (PhD thesis), Kingston University. 2010.
10. Petkova, D. and Donchev, T. Residual strength of CFRP strengthened beams after heating and cooling. In: Concrete Solutions 2011, 4th International Conference on Concrete Repair; 26-28 Sep 2011, Dresden, Germany.
11. A.E. Salamaa, G.M. Ghanema, S.F. Abd-Elnabya, A.A. El-Hefnawyb, M. Abd-Elghaffarb. Behavior of thermally protected RC beams strengthened with CFRP under dual effect of elevated temperature and loading. HBRC Journal.Volume 8, Issue 1, April 2012, Pages 26-35.
12. Burke P.J., Bisby L.A., Green M.F. Effects of elevated temperature on near surface mounted and externally bonded FRP strengthening systems for concrete. Cem Concr Compos 2013;35(1):190-199.
13. Masoud Adelzadeh. Structural and thermal behaviour of insulated frp-strengthened reinforced concrete beams and slabs in fire. A thesis for the degree of Doctor of Philosophy. Queen's University Kingston, Ontario, Canada. 2013. 276 p.
14. Petkova, Diana, Donchev, Ted and Wen, Jennifer. Experimental study of the performance of CFRP strengthened small scale beams after heating to high temperatures. Construction and Building Materials,2014. 68, pp. 55-61.
15. Vikram P. Desurkar, Kishor S. Kulkarni. Performance of reinforced beam strengthened with carbon fiber reinforced polymer sheet at elevated temperatures. International Journal of Civil and Structural Engineering 8 Volume 6 Issue 1. 2015. P. 1-9.
Ovchinnikov Ilya Igorevich
Yuri Gagarin state technical university of Saratov, Russia, Saratov Moscow state automobile & road technical university Sochi branch, Russia, Sochi E-mail: bridgeart@mail.ru
Ovchinnikov Igor Georgievich.
Penza state university of architecture and construction, Russia, Penza Yuri Gagarin state technical university of Saratov, Russia, Saratov Perm national research polytechnic university, Saratov, Perm
E-mail: bridgesar@mail.ru
Chesnokov Georgiy Vladimirovich
«Research institute Grafit», Russia, Moscow E-mail: gchesnokov@niigrafit.org
Mikhaldykin Eugeny Sergeevich
«Research institute Grafit», Russia, Moscow E-mail: emihaldikin@niigrafit.org
Analysis of experimental studies strengthening of reinforced concrete structures by polymer composite materials. Part 2. Study of the effect of temperature
Abstract. Experimental studies on the analysis of the behavior of reinforced polymer composite materials reinforced concrete structures, insufficient description of them are scattered in various articles, dissertations, making them difficult to compare and analyze. The authors of this work have set the task to collect and analyze the available native experimental data, with consideration of limit only works in which not just the results of experimental studies, but also describes the test samples, the materials used, modes and test conditions. In the first part we were considered experiments under static loading. This part deals with work on the study of the influence of temperature on the reinforcing elements (glue, canvases of carbon fibers), as well as on the behavior of concrete beams reinforced polymer composites. As a result of studies, it was found that alternate freezing and thawing of the samples of the polymeric composite material of the epoxy adhesive and reinforced concrete elements, reinforced polymeric composites based on 12 cycle has practically no effect either on the strength characteristics of the polymer composite material nor adhesive adhesion concrete surface or on the bearing capacity of reinforced concrete beams tested. Test the concrete beams reinforced with webs of carbon fibers showed that the fracture of beams depends on the temperature at which the tests were carried out: at elevated temperatures the destruction occurred by breaking the reinforcing canvas, and at low temperatures the destruction, eventually going for concrete protection metal reinforcement layer.
Keywords: reinforced concrete; reinforcement; polymer composite materials; experiments; effect of temperature
REFERENCES
1. Ovchinnikov I.I., Ovchinnikov I.G., Chesnokov G.V., Mikhaldykin E.S. Analiz eksperimental'nykh issledovaniy po usileniyu zhelezobetonnykh konstruktsiy polimernymi kompozitnymi materialami. Chast' 1. Otechestvennye eksperimenty pri staticheskom nagruzhenii // Internet-zhurnal «NAUKOVEDENIE» Tom 8, №3 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/ (dostup svobodnyy). Zagl. s ekrana. Yaz. rus., angl. DOI.
2. Smerdov D.N. Otsenka nesushchey sposobnosti zhelezobetonnykh proletnykh stroeniy mostov, usilennykh kompozitnymi materialami. Avtoref. diss. k.t.n. Novosibirsk. 2010. 24 s.
3. Smerdov D.N. Otsenka nesushchey sposobnosti zhelezobetonnykh proletnykh stroeniy mostov, usilennykh kompozitnymi materialami. Diss. k.t.n. Novosibirsk. 2010. 158 s.
4. Bokarev, S.A. Stoykost' izgibaemykh zhelezobetonnykh konstruktsiy, usilennykh kompozitsionnymi materialami na osnovanii uglerodnogo volokna, k vozdeystviyu otritsatel'nykh i polozhitel'nykh temperatur / S.A. Bokarev, A.A. Nerovnykh, D.N. Smerdov // Innovatsionnye faktory razvitiya Transsiba na sovremennom etape. Mezhdunarodnaya nauchnoprakticheskaya konferentsiya, posvyashchennaya 80-letiyu Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta putey soobshcheniya. Tezisy konferentsii. Ch. I. - Novosibirsk: Izd-vo SGUPSa, 2012. - S. 127-128. (0,13 p.l./0,03 p.l.).
5. Bokarev, S.A. Eksperimental'nye issledovaniya pri ponizhennykh i povyshennykh temperaturakh zhelezobetonnykh obraztsov, usilennykh polimernymi kompozitsionnymi materialami / S.A. Bokarev, A.N. Kostenko, D.N. Smerdov, A.A. Nerovnykh // Internet-zhurnal «Naukovedenie». - 2013. - №3 (16). - S. 1-9. (0,56 p.l./0,13 p.l.).
6. Lyagusha T.K. ispytaniya na dolgovechnost' zhelezobetonnykh konstruktsiy, usilennykh sistemoy FibARM. ZAO «KhK «Kompozit». 2016. 35 s.
7. Smerdov M.N. Issledovanie nesushchey sposobnosti zhelezobetonnykh konstruktsiy gidrotekhnicheskikh zdaniy i sooruzheniy, usilennykh kompozitsionnymi materialami, s uchetom temperaturnykh faktorov. Dissertatsiya ... k.t.n. Ekaterinburg. 2015. 135 s.
8. Smerdov M.N., Nevolin D.G., Smerdov D.N. Eksperimental'nye issledovaniya nesushchey sposobnosti zhelezobetonnykh konstruktsiy gornotekhnicheskikh zdaniy i sooruzheniy // Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal. 2015. №8, s. 138-142.
9. Petkova, Diana. Behaviour of RC beams strengthened with CFRP laminates at elevated temperatures. (PhD thesis), Kingston University. 2010.
10. Petkova, D. and Donchev, T. Residual strength of CFRP strengthened beams after heating and cooling. In: Concrete Solutions 2011, 4th International Conference on Concrete Repair; 26-28 Sep 2011, Dresden, Germany.
11. A.E. Salamaa, G.M. Ghanema, S.F. Abd-Elnabya, A.A. El-Hefnawyb, M. Abd-Elghaffarb. Behavior of thermally protected RC beams strengthened with CFRP under dual effect of elevated temperature and loading. HBRC Journal.Volume 8, Issue 1, April 2012, Pages 26-35.
12. Burke P.J., Bisby L.A., Green M.F. Effects of elevated temperature on near surface mounted and externally bonded FRP strengthening systems for concrete. Cem Concr Compos 2013;35(1):190-199.
13. Masoud Adelzadeh. Structural and thermal behaviour of insulated frp-strengthened reinforced concrete beams and slabs in fire. A thesis for the degree of Doctor of Philosophy. Queen's University Kingston, Ontario, Canada. 2013. 276 p.
14. Petkova, Diana, Donchev, Ted and Wen, Jennifer. Experimental study of the performance of CFRP strengthened small scale beams after heating to high temperatures. Construction and Building Materials,2014. 68, pp. 55-61.
15. Vikram P. Desurkar, Kishor S. Kulkarni. Performance of reinforced beam strengthened with carbon fiber reinforced polymer sheet at elevated temperatures. International Journal of Civil and Structural Engineering 8 Volume 6 Issue 1. 2015. P. 1-9.
