CC BY
490
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ АРМАТУРЫ ПРИ АРМИРОВАНИИ БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Максимов Сергей Павлович
канд. техн. наук, доцент, декан факультета техники и технологии, филиал Южно-Уральского государственного университета в г. Златоусте,
РФ, г. Златоуст Е-mail: [email protected]
Башкова Юлия Борисовна
старший преподаватель кафедры ПГС, филиал Южно-Уральского
государственного университета в г. Златоусте,
РФ, г. Златоуст Е-mail: [email protected]. ru
Вшивков Евгений Павлович
студент 3 курса,
филиал Южно-Уральского государственного университет в г. Златоусте,
РФ, г. Златоуст Е-mail: laitol [email protected]
EXPERIMENTAL STUDIES OF FIBERGLASS REINFORCEMENT’S WORK WHEN REINFORCING OF CONCRETE STRUCTURES
Sergej Maksimov
Candidate of Engineering Sciences, associate professor, Dean of the faculty of engineering and technology, South Ural State University, Zlatoust branch,
Russia, Zlatoust
Julija Bashkova
senior lecturer, Department of industrial and civil construction, South Ural State University, Zlatoust branch,
Russia, Zlatoust
Максимов С.П., Башкова Ю.Б., Вшивков Е.П. Экспериментальные исследования работы стеклопластиковой арматуры при армировании бетонных конструкций //
Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2015. № 6 (18) .
URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2255
Eugene Vshivkov
A 3rdyear student, South Ural State University, Zlatoust branch,
Russia, Zlatoust
АННОТАЦИЯ
Показаны особенности и сравнительные характеристики металлической и композитной арматуры. Приведены теоретические и экспериментальные исследования прочностных характеристик бетонных балок, армированных стеклопластиковой и металлической арматурой. Выполнен анализ полученных результатов и определены области использования композитной арматуры.
ABSTRACT
It is shown the features and comparison characteristics of metallic and composite reinforcement. Data are given about the theoretical and experimental studies of strength characteristics of concrete beams, that are reinforced with fiberglass and metallic reinforcement. It is analyzed the results and identified fields to use composite reinforcement.
Ключевые слова: бетонная балка, несущая способность,
стеклопластиковая, композитная арматура, прочностные характеристики, деформация, разрушение, экспериментальные исследования, область рационального использования.
Keywords: concrete beam, beam strength, fiberglass and composite
reinforcement, strength characteristics, deformation, destruction, experimental studies, field of rational use.
Стеклопластиковая арматура сравнительно недавно появилась на строительном рынке, хоть и была разработана в 80-х годах XX века. На тот момент стоимость композитной арматуры была выше металлической, что сдерживало ее применение в строительстве. В наше время ситуация кардинально поменялась — рост цен на металлическую продукцию, разработка новых прогрессивных материалов, отработка прогрессивных технологий
производства и модернизация известных процессов дали новый толчок для активного внедрения стеклопластиковой композитной арматуры (СПА) [4]. Сегодня это стремительно развивающаяся часть строительной индустрии с большим и перспективным потенциалом.
Характеристики и качество изготовления СПА регламентируется государственным стандартом, принятым в 2012 [1], поэтому вся производимая продукция данного класса должна удовлетворять установленным требованиям.
Цель экспериментальных исследований — изучение конструкций, работающих на изгиб, усиленных СПА, и сравнение полученных результатов с аналогичными характеристиками конструкций, армированных металлической арматурой. Подтверждение свойств и характеристик СПА, а также проверка заявленных производителем прочностных характеристик.
В таблице 1 приведены характеристики СПА и базальтопластиковой арматуры [3] в сравнении с металлической класса А-III [2; 6].
Основные характеристики СПА — малый вес, высокий предел прочности на растяжение, стабильность при воздействии агрессивных сред — солей, кислот и т. п. Она полностью сохраняет свои прочностные показатели под воздействием магнитного и электрического полей и радиоволн. Прочностные характеристики стабильны и при воздействии низких температур. Коэффициент теплового расширения стеклопластиковой арматуры
соответствует аналогичным показателям бетона, что положительно сказывается на совместной работе материалов и исключает возникновение
трещинообразования и порывов в бетонном слое. Стеклопластиковая арматура легко транспортируется и технологична в обработке при резке, вязке и возможности формировании криволинейных участков.
Предел прочности на растяжение СПА в 2,5 раза выше,
чем у металлической (см. таблицу 1). Однако, при высокой прочности на растяжение, СПА имеет значительно меньший, в 3,6 раза, модуль упругости, чем у металлической, а следовательно, низкую сопротивляемость деформациям [1]. Кроме того, недостатком арматуры из стеклопластика
является сравнительно невысокие показатели по огнестойкости. Хотя она считается самозатухающим материалом и относится к группе горючести Г-1 [5], ее предельная рабочая температура в толще бетона не может превышать 200 0С, после которых резко изменяются ее свойства, что может привести к внезапному разрушению конструкций.
Таблица 1.
Характеристики различных видов арматуры
Характеристики Металлическая Композитная арматура
арматура класса А-III Стеклопластиковая Базальтопластиковая
Стеклоровинг,
Материал Сталь связанные полимером Базальтовые волокна,
на основе эпоксидной связанные полимером
смолы
Предел прочности при растяжении, МПа 390 1000 1100
Модуль упругости, МПа 200000 55000 60000
Относительное удлинение, % 14 2,5 2,2
Стойкость к агрессивным средам Коррозирует Не коррозирует Не коррозирует
Теплопроводность Теплопроводная Нетеплопроводная Нетеплопроводная
Электропроводность Электропроводная Диэлектрик Диэлектрик
Сортамент d, мм 6—80 4—20 4—20
Длина, м Стержни длинной 6—12 По требованию заказчика По требованию заказчика
Экологичность Экологичная Экологичная Экологичная
6А-Ш 4АСП 4АБП
Предполагаемая 8A-III 6АСП 6АБП
условная замена по 10A-III 8АСП 8АБП
физико-механическим 12A-III 10АСП 10АБП
свойствам 14A-III 12АСП 12АБП
(равнопрочная замена) 16A-III 14АСП 14АБП
18A-III 16АСП 16АБП
Плотность, т/м3 7,85 1,9 1,9
Поэтому стеклопластиковая арматура не применяется в настоящее время в конструкциях, которые подвергаются или могут испытывать воздействия высоких температур.
Разрушение СПА происходит без площадки текучести (рисунок 1) и носит хрупкий характер разрушения, что, с одной стороны, при этом имеет более
высокий показатель прочности, а с другой — приводит к резкому, внезапному, без предварительно видимых дефектов разрушению конструкций.
Для оценки работы СПА в бетонных конструкциях, работающих на изгиб, в лаборатории филиала были изготовлены балки сечением 80х160х1400. Балки заливались одной бетонной смесью класса В25 в составе: цемент 13,2 кг; щебень 45 кг; песок 21,6 кг; вода 6,48 л. При этом использовалась арматурная сетка с монтажным шагом 7х80 мм, длиной поперечных стержней 130 мм, длиной рабочей арматуры 1380 мм. В первом варианте применялась стальная рабочая диаметром d=12 мм класса A-III, (стержни арматурной сетки соединены точечной сваркой). Во втором варианте была использована СПА диаметром d=10 мм (стержни арматурной сетки соединены пластиковыми хомутами). Арматура разного диаметра подобрана из условий равнопрочной замены (см. таблицу 1).
Перед проведением испытаний балки набирали прочность в течение 28 суток в нормальных одинаковых условиях. При проведении испытаний (рисунок 2) балки закреплялись на платформе. Левая опора — неподвижный шарнир, правая — подвижный. Усилия передавались через плечи, посредством гидравлического домкрата. На левой опоре был установлен датчик, измеряющий реакцию опоры. На балке установлены два датчика и один индикатор часового типа, измеряющий прогиб балки. Непосредственно
на арматуре закреплён тензометр Гугенбергера, определяющий изгиб арматуры.
> - 270 * Е-К - 27D 7
J 5 J Р t > р t
1—1—Г -1—I—Г“1—1 Г Т -1—1—Г -1—1—г 4-—1—1- — -1—1—1-—1—1 |__L_K_|__L_U_|__L
1
J
Рисунок 2. Схема нагружения балок
Теоретически балки были рассчитаны по первому предельному состоянию — моменту образования трещин, результаты расчетов сведены в таблице 2.
Как видно из расчётов, момент трещинообразования балки со стальной арматурой в 1,2 раза выше, чем балки с СПА. Это объясняется более низким модулем упругости у СПА арматуры.
Таблица 2.
Теоретические результаты расчетов
Сталь(ст) СПА
Максимальный теоретический момент трещинообразования, кНм
Mcrc,cal,st = Rbt • Wpl,cm = 0,676 Mcrc,cal,fiberglass = Rbt ' Wpl,CnA = 0,558
^crc,cal,cm Rbt ^Wpl, cm Rbt 1,'2Wpl,CnA -| ^
Mcrc,cal,CnA Rbt ' Wpl,CnA Rbt ' Wpl,CnA
M , crc,cal,st = 1,2 W, " pl,cm
По результатам проведённых испытаний были построены эпюры возникающих усилий (рисунки 3, 4). Момент трещинообразования, полученный в ходе эксперимента, в балке армированной СПА, ниже, чем в балке, армированной стальной арматурой в 3,7 раза. Расхождение теоретических и экспериментальных данных можно объяснить несовершенством способа определения момента трещинообразования и возможным отклонением расчетных значений показателей бетонной смеси и арматуры.
Рисунок 3. Эпюры усилий в балке, армированной стальной арматурой
Рисунок 4. Эпюры усилий в балке, армированной СПА
Важно отметить характер разрушения балок, армированных стеклопластиковой арматурой. Так, первая трещина появилась в середине балки, в зоне чистого изгиба, что еще раз подтверждает низкую жесткость СПА и высокую деформативность. Она легко поддается изгибу, а не препятствует ему как металлическая.
Исходя из проведенных опытов и анализа имеющихся данных, можно сделать вывод, что СПА нельзя использовать в капитальном строительстве в бетонных конструкциях ригелей, плит перекрытия, колоннах, поскольку она имеет низкий модуль Юнга, и, следовательно, жесткость и практически не сопротивляется изгибу. Применение СПА нужно ограничить на данном этапе армированием дорожного полотна на участках с агрессивным воздействием реагентов, ленточных фундаментов и других малоответственных конструктивных элементов. Поиск новых связующих компонентов, технологий
изготовления или создания преднапряженных состояний для повышения
упругих свойств СПА является актуальной задачей строительной отрасли.
Это позволит активнее использовать СПА при изготовлении и эксплуатации
ответственных нагруженных конструктивных элементов зданий и сооружений.
Список литературы:
1. ГОСТ 31938-2012 Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. — М.: Стандартинформ, 2014. — 38 с.
2. ГОСТ 5781-82 Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. — М.: Издательство стандартов, 1994. — 29 с.
3. Композитная арматура STEKLORMIN / [Электронный ресурс]. — Режим
доступа: URL: http://steklormin.ru/characteristics (дата обращения:
12.03.2015).
4. Максимов С.П., Башкова Ю.Б., Шкуркина А.И. и др. Особенности армирования деревянных балок стеклопластиковой арматурой // Технические науки — от теории к практике. — 2015. — № 45. — С. 79—84.
5. Ремонт и строительство / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://vseproremontjimdo.com/строительные-материалы/композитная-арматура/ (дата обращения: 12.03.2015).
6. СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции. — М.: Госстрой СССР, 1989. — 94 с.
