CC BY
128
Бокарев Сергей Александрович
Bokarev Sergey Aleksandrovich Сибирский государственный университет путей сообщения
Siberian State Railway University д-р техн. наук, проф., проректор по научной работе, зав. каф. «Мосты»
Doctor of technical Science, professor vice-rector for research, head of department «Bridges»
05.23.11 Проектирование и строительство дорог метрополитенов мостов и транспортных тоннелей
E-Mail: [email protected]
Костенко Анна Николаевна
Kostenko Anna Nikolaevna
ООО «БАСФ Строительные Системы» BASF Srtoitelnye Sistemy Candidate of engineering Science head of strengthening systems in building systems departament
05.23.11 Проектирование и строительство дорог метрополитенов мостов и транспортных тоннелей
E-Mail: [email protected]
Смердов Дмитрий Николаевич
Smerdov Dmitry Nikolaevich Уральский государственный университет путей сообщения
Ural State Railway University канд. техн. наук, ведущий инженер отдела транспортных сооружений Candidate of engineering Science, leading engineer of transport facilities
05.23.11 Проектирование и строительство дорог метрополитенов мостов и транспортных тоннелей
E-Mail: [email protected]
Неровных Алексей Алексеевич
Nerovnykh Alexey Alexeevich Сибирский государственный университет путей сообщения
Siberian State Railway University аспирант каф. «Мосты», м.н.с. НИЛ «Мосты» post-graduate student of bridges department, junior researcher of bridges laboratory
05.23.11 Проектирование и строительство дорог метрополитенов мостов и транспортных тоннелей
E-Mail: [email protected]
Экспериментальные исследования при пониженных и повышенных температурах железобетонных образцов, усиленных полимерными
композиционными материалами
Experimental studies of reinforced with polymer composites ferroconcrete specimens
at low and high temperatures
Аннотация: Представлены результаты экспериментальных исследований влияния положительных и отрицательных температур на изменение несущей способности и деформативности изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами. В процессе проведения испытаний не установлено значимых изменений несущей способности усиленных изгибаемых элементов в зависимости от их температуры.
The Abstract: The results of experimental studies of the effect of high and low temperatures on bearing capacity and deformability of reinforced with polymer composite materials bending ferroconcrete specimens are presented. There is no serious changes in the bearing capacity of reinforced bending elements in different temperatures.
Ключевые слова: Углеродное волокно, композитный материал, фиброармированный пластик, несущая способность, повышенные и пониженные температуры, усиление композиционными материалами, прогибы, железобетонный элемент, прочность, жесткость, балка, арматура.
Keywords: Carbon fiber, composite material, fiber-reinforced materials with polymeric
matrix (FRP), bearing strength, low and high temperatures, strengthening by composite materials, deflections, reinforced concrete element, rigidity, stiffness, beam, reinforcement.
***
В строительной отрасли России все чаще находят применение полимерные композиционные материалы (ПКМ). Однако их широкому внедрению препятствует отсутствие нормативной документации, регламентирующей их использование. В настоящее время целый ряд организаций (в том числе и вузы Минтранса) разрабатывают отраслевые нормативно-технические документы в области применения ПКМ при усилении железобетонных элементов. Особое внимание при этом уделяют исследованию влияния различных факторов агрессивного воздействия окружающей среды, характерных для климата нашей страны, на прочность и долговечность усиленных конструкций, таких как действие высоких положительных и низких отрицательных температур, попеременное замораживание и оттаивание, увлажнение и высушивание и т.п.
На полигоне «Испытательного центра технических средств железнодорожного транспорта» Уральского государственного университета путей сообщения были проведены испытания железобетонных образцов, усиленных композиционными материалами, при воздействии на них отрицательных и положительных температур. Цель исследования -нормирование прочностных характеристик конструктивных материалов изгибаемых железобетонных элементов, усиленных холстами и ламелями на основе углеродного волокна в зависимости от экстремальных температурных условий их работы.
Для испытания были изготовлены железобетонные образцы полной длиной 1550 мм, прямоугольного поперечного сечения шириной 120 и высотой 220 мм. Проектный класс бетона всех балок по прочности В30, морозостойкости F300, водонепроницаемости W6. Схема армирования балок приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Конструкция железобетонных образцов
При усилении балок использовали ткань (холст) из углеродных волокон BASF MBrace Fib CF 230/4900.530g и углепластиковые ламели BASF MBrace LAM CF210/2400.50x1,4. Для испытания балок было подготовлено две группы образцов. В первую группу вошли не усиленные железобетонные балки серии «А» (см. рисунок 1). Во вторую группу вошли железобетонные балки, усиленные композиционным материалом по нижним граням: серия «Б» - один слой холста шириной 120 мм; серия «В» - один слой ламели шириной 50 мм. Конструкция усиления балок представлена на рисунке 2.
а)
б)
Рис. 2. Конструкции усиленных балок: а) серия «Б»; б) серия «В»
Железобетонные образцы серии «А» испытывали на прочность в лабораторных условиях при температуре воздуха + 15-22 °С. Железобетонные образцы серии «Б» и «В» разделили на три подгруппы - контрольные, «холод» и «тепло». Контрольные образцы испытывали в лабораторных условиях при комнатной (“нормальной”) температуре воздуха + 15-22 °С. Образцы подгруппы «холод» подвергали замораживанию до - 50 °С, образцы
подгруппы «тепло» - нагреву до + 50 °С. Охлаждение и нагрев выполняли в климатической камере Techno 7010Wi объемом 10 м3 в течение 6 часов до достижения температурной стабилизации. Затем проводили выдержку при заданной температуре в течение 2 часов и при таких внешних условиях испытывали на прочность. На рисунке 3 показан специально изготовленный стенд, установленный в климатической камере, с железобетонной балкой, приготовленной к испытаниям.
Рис. 3. Испытательный стенд с железобетонной балкой, в климатической камере Techno 7010Wi
Расчетный пролет балок 1265 мм. Для получения эффекта чистого изгиба в середине пролета нагрузку на балку передавали через распределительную траверсу, установленную на двух опорах с межосевым расстоянием 365 мм. Прогиб балки в середине пролета фиксировали на каждом этапе нагружения при помощи тензометрического датчика перемещения. Нагрузку прикладывали ступенями по 500 кгс, со средней скоростью нагружения 100 кгс/мин. Значение испытательной нагрузки на балку фиксировали тензометрическим динамометром (мессдозой). На рисунке 4 представлена конструкция испытательного стенда, схемы нагружения образцов и установки приборов при проведении испытаний.
В качестве примера на рисунке 5 показан вид образцов серии «Б», а - подгруппы «тепло», б - подгруппы «холод», после их разрушения. На рисунке 6 представлены графики изменения прогибов под нагрузкой балок серий А, Б и В при нормальной температуре, построенные по показаниям мессдозы и тензометрического датчика перемещения. В таблице
1 приведены результаты испытания образцов на прочность.
МД - мессдоза; ДП - тензометрический датчик перемещения Рис. 4. Схемы нагружения образцов и установки приборов
а)
б)
Рис. 5. Вид усиленных образцов серии «Б» подгруппы «тепло» и «холод» после испытания на
прочность при температуре: а) +50 °С; б) -50 °С
б)
2 3 4 5 6 7 8 9101112131415161718 Прогиб в середине пролета, мм
о.
№
со
>.
о.
■_
<0
X
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0,
в -Н 1-3^ Л А 1-"
-ijr \ //
i { ФКГ..
--
0 12345678 9101112131415161718 Прогиб в середине пролета, мм
Рис. 6. Графики изменения прогиба балок под нагрузкой а) серии «Б» совместно с «А»; б) серии «В» совместно с «А»
Таблица 1
Результаты испытания образцов на прочность________________________
№ п/п Серия СЗ Я з СР ю о Материал усиления Температу ра, °С P, кН Рср, кН 5ср, мм Увеличение несущей способности, %
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 55,45
1 А 2 - + 15-22 64,02 60,69 17,17 -
3 62,59
4 FIB CF 230/4900.530g 148,48
2 5 - 50 126,55 133,30 6,08 119,65
6 124,86
Б 7 FIB CF 230/4900.530g 129,92
3 Б 8 + 15-22 116,42 122,61 9,36 102,03
9 121,48
4 10 FIB CF + 50 93,64 104,61 11,95 72,38
11 230/4900.530g 115,58
12 LAM CF 210/2400.50x1.4 105,45
5 13 - 50 127,39 109,39 4,85 80,25
14 95,33
В 15 LAM CF 210/2400.50x1.4 80,99
6 16 + 15-22 101,24 97,30 5,20 60,33
17 109,67
18 LAM CF 210/2400.50x1.4 81,83
7 19 + 50 114,74 98,29 3,81 61,95
Примечание: Р - несущая способность балок; Рср - средняя прочность; 5ср - средний прогиб.
Испытания показали, что схема разрушения железобетонных образцов, усиленных холстами на основе углеродного волокна, зависит от температуры окружающей среды. Разрушение контрольных образцов серии «Б» при температуре + 15-22 °С происходило вследствие отслоения композиционного материала по контакту «клей-бетон». При температуре +50 °С разрушение усиленных образцов произошло в результате разрыва композиционного материала в середине пролета балок от действия изгибающего момента (см. рисунок 5, а). При отрицательных температурах усиленные балки разрушались вследствие отслоения композитного материала по контакту «клей-бетон» в месте образования вертикальных трещин от действия изгибающего момента (см. рисунок 5, б). Разрушение образцов серии «В» контрольных, «холод» и «тепло», усиленных ламелями, всегда происходило вследствие разрушения бетона по защитному слою арматуры в месте образования наклонных трещин от совместного действия изгибающего момента и поперечной силы. Из шести испытанных образцов серий «Б» и «В» при повышенных температурах по одному в каждой подгруппе имели сомнительные значения несущей способности и были исключены из обработки. Возможно это может свидетельствует о нестабильной работе конструкции в таких высоких температурах.
Увеличение несущей способности усиленных образцов серии “Б” в среднем составило около 100 %, серии “В” - около 70% по сравнению с контрольными не усиленными образцами. Температура, при которой проводили испытания, оказала гораздо меньшее влияние на несущую способность усиленных элементов. Для образцов подгрупп “холод” отклонение от среднего значения для каждой серии в сторону увеличения несущей способности от их средних значений составило не более 9%. Для образцов подгрупп “тепло” -в сторону уменьшения не более 15%. Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что пониженные температуры (до -50°С) не оказывают негативного влияние на прочность усиленных ПКМ изгибаемых железобетонных элементов.
Кривую изменения величины прогиба не усиленной балки можно разделить на два характерных участка. Первый, - линейный (балка работает как монолитная конструкция без трещин), второй, - криволинейный (идет процесс образования и раскрытия трещин, затем лавинообразное нарастание деформаций, возникновение необратимых деструктивных процессов и разрушение). Кривая изменения прогиба усиленной балки на первом участке совпадает с кривой не усиленной. На втором участке кривые деформирования расходятся, за счет того, что усиление существенно увеличивает жесткость конструкции. В таблице 2 приведены данные о величинах максимальных прогибов изгибаемых образцов, полученные при проведении испытаний. Из приведенных данных видно, что прогиб усиленных балок в момент предшествующий разрушению в два, три раза меньше прогиба не усиленных.
Кроме того, по полученным в ходе испытаний прогибам были вычислены величины деформаций в ПКМ в момент, предшествующий разрушению. На рисунке 7 приведена схема к их определению. Относительные деформации ПКМ вычисляли по формуле:
(!)
/2
Р
где 8 - максимальный прогиб балки в середине пролета, м; к - высота сечения балки, м; х - высота сжатой зоны, м; / - расчетный пролет балки, м.
Значения деформаций, полученные по приведенной формуле, а также напряжения в композиционном материале в момент, предшествующий разрушению образцов, приведены в таблице 2.
Рис. 7. Схема к определению деформаций балок при изгибе Как видно из таблицы, прогибы усиленных образцов, по сравнению с не усиленными, уменьшились на 46% при усилении холстом (серия «Б») и - на 73% при усилении ламелем (серия «В»). Средняя прочность холста, примененного в эксперименте, полученная по результатам испытаний, проведенным в Сибирском государственном университете путей сообщения, составила 3334 МПа. Среднее напряжения в холсте, при которых происходил его разрыв и разрушение экспериментальных образцов, составили 3621 МПа. Характер разрушения усиленных балок оказался связан с эффективностью включению ПКМ в совместную работу с железобетонной балкой. При отрыве холста по контакту «клей-бетон» средние напряжения в ПКМ составили 2214 МПа. При отрыве ламелей по защитному слою бетона - 1334 МПа.
Таблица 2
№ п/п Серия № образца Температура, °С Р, кН Максимальный прогиб, мм е ,е.о.д. аср, МПа
1 2 3 4 5 6 7 8
1 А 1 + 15-22 55,45 17,48 - -
2 64,02 16,32 -
3 62,59 17,70 -
2 Б Б 4 - 50 148,48 5,52 6800 1844
5 126,55 6,97 8600
6 124,86 5,76 7100
3 7 + 15-22 129,92 9,94 9200 2583
8 116,42 8,53 10600
9 121,48 9,61 11900
4 10 + 50 93,64 11,08 13700 3621
11 115,58 12,18 15900
5 12 - 50 105,45 4,57 5700 1469
13 127,39 5,75 7100
14 95,33 4,22 5200
6 15 + 15-22 80,99 4,70 3400 1377
16 101,24 5,17 6400
17 109,67 5,72 7100
7 18 + 50 81,83 2,58 3200 1155
19 114,74 5,04 6200
Примечание: £ - относительные деформации ПКМ; е.о.д. - единица относительной деформации (1 е.о.д.=1-10-6); аср - средние напряжения в материале усиления.
Проведенные испытания показали, что усиление изгибаемых железобетонных конструкций композиционными материалами приводит к значительному увеличению их несущей способности (от 60 до 120 %) по сравнению с не усиленными образцами. Жесткость усиленных образцов по сравнению с не усиленными также существенно увеличивается, что находит свое отражение в уменьшении прогибов балки в момент предшествующий их разрушению. Уровень напряжений, возникающий в ПКМ в момент, предшествующий разрушению образца, зависит от характера его разрушения и вида материала усиления. Уменьшения прочности адгезивов и полимерных композиционных материалов (в сравнении с их прочностью при нормальной температуре) не происходит при отрицательных температурах, вплоть до -50 °С.
ЛИТЕРАТУРА
1. СП 35.13330.2011 СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы. (Актуализированная редакция). ЦНИИС. М., 2011. 340 с.
2. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными
материалами / Разработано в развитие СП 52-101-2003 «Бетонные и
железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры». НИИЖБ. М., 2006. 48 с.
3. ТУ 5851-001-13613997-04. Технические условия. Системы внешнего армирования железобетонных мостов. Москва, 2004, 12 с.
4. Технические указания по применению материалов, изготавливаемых фирмой «81ка», для ремонта эксплуатируемых железобетонных мостов. - НИИ мостов. Том 1 - Санкт-Петербург, 2008. 90 с.
5. СТО 42010705-4.02.02-08. «Внешнее армирование железобетонных конструкций композитными материалами» / ЗАО «Триада-Холдинг». - М., 2008. 40 с.
6. СТО 2256-002-2011. «Комплексная система Б1ЬАРМ по ремонту и усилению строительных конструкций, путем внешнего армирования композитными материалами холодного отверждения / ЗАО «ПРЕПРЕГ - СКМ». - М., 2011. 13 с.
7. СТО 13623997-001-2011. «Стандарт организации ООО «Зика» Усиление железобетонных конструкций композитными материалами фирмы Б1ка / ООО «Зика». - М., 2011. 63 с.
8. ГОСТ 25.601-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах. Переиздание 200. - М., 1981. 8 с.
9. ГОСТ 14760-69. Клеи. Методы испытания прочности при отрыве. - М., 1969. 5 с.
10. ГОСТ 14759-69. Клеи. Метод определения прочности при сдвиге. - М., 1969. 12 с.
Рецензент: Овчинников Игорь Георгиевич, заместитель председателя Поволжского отделения Российской академии транспорта, профессор кафедры «Транспортное строительство» Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., д-р. техн. наук, профессор.
