CC BY
72023. Том 4, выпуск 1. С. 7-16 УМНЫЕ КОМПОЗИТЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
2023. Volume 4, issue 1. P. 7-16 SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
A
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ УДК 691.175.5/.8
DOI: 10.52957/27821919_2023_1_7
Исследование прочности
сцепления с бетоном композитной арматуры с частично деформированным
профилем
Д.А. Ильин1'2, Д.В. Новолодская2
Дмитрий Анатольевич Ильин
1ООО «Технониколь-строительные системы», Москва, Российская Федерация
2НИУ МГСУ, Москва, Российская Федерация
ilm.d@tn.ru
Диана Владиславовна Новолодская
2НИУ МГСУ, Москва, Российская Федерация
diana.novolodskaya@gmail.com
© Ильин Д.А., Новолодская Д.В., 2023
УМНЫЕ КОМПОЗИТЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
A
Совместная работа бетона и композитной арматуры преимущественно обеспечивается механическим сцеплением. Представлены экспериментальные результаты исследования прочности сцепления с бетоном композитной полимерной арматуры (АКП). Испытаны образцы стеклокомпозитной арматуры (АСК) с частично деформированным профилем. Исследования проводили на основании требований ГОСТ 32492-2015. Усредненное максимальное значение прочности сцепления АКП с периодично-деформированным профилем и бетона составило 12.7 МПа, что соответствует требованиям указанного стандарта.
Ключевые слова: композитная полимерная арматура, стеклокомпозитная арматура, профиль арматуры, сцепление с бетоном, напряжение, Pull-Out тест
Для цитирования:
Ильин Д.А., Новолодская Д.В. Исследование прочности сцепления с бетоном композитной арматуры с частично деформированным профилем // Умные композиты в строительстве. 2023. Т. 4, № 1. С. 7-16. URL:
http://comincon.ru/index.php/tor/issue/view/V4N1_2023.
DOI: 10.52957/27821919_2023_1_7
2023. Том 4, выпуск 1. С. 7-16 УМНЫЕ КОМПОЗИТЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
2023. Volume 4, issue 1. P. 7-16 SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
A
SCIENTIFIC ARTICLE
DOI: 10.52957/27821919_2023_1_7
Investigation of the concrete adhesion strength of composite reinforcement with a partially deformed profile
D.A. Ilyin1'2, D.V. Novolodskaya2
Dmitriy A. Ilyin
1OOO (Limited Liability Company) «Technonicol-Stroitelniye sistemy», Moscow, Russia
2Moscow State University of Civil Engineering, Moscow, Russia,
ilin.d@tn.ru
Diana V. Novolodskaya
2Moscow State University of Civil Engineering, Moscow, Russia diana.novolodskaya@gmail.com
© Ilyin D.A., Novolodskaya D.V., 2023
УМНЫЕ КОМПОЗИТЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
A
Generally the mechanical adhesion provides the mutual interaction of concrete and composite reinforcement. The paper presents the experimental results of a study of the adhesion strength to concrete of fiber-reinforced polymer (FRP). In the study we tested the samples of glass-reinforced plastic (GRP) with a partially deformed profile in accordance with GOST 32492-2015. The average maximum value of the adhesion strength of an ACP with a periodically deformed profile and concrete was 12.7 MPa. It agrees with the requirements of state standards.
Key words: fiber reinforced polymer, glass-reinforced plastic, rebar profile, adhesion to concrete, straining, Pull-Out test
For citation:
Ilyin, D.A. & Novolodskaya, D.V. (2023) Investigation of the concrete adhesion strength of composite reinforcement with a partially deformed profile, Smart Composite in Construction, 4(1), pp. 7-16 [online]. Available at: http://comincon.ru/index.php/tor/issue/view/V4N1_2023 (in Russian).
DOI: 10.52957/27821919_2023_1_7
DOI: 10.52957/27821919 2023 1 7
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
ВВЕДЕНИЕ
Прочность сцепления композитной полимерной арматуры (АКП) с бетоном является важным свойством. Исследованиям данного вопроса посвящен ряд научных работ [1-6].
В публикациях В.Г. Хозина [1-3] отражен характер работы композитной арматуры с бетоном, изучено влияние профиля АКП на эксплуатационные параметры.
В Петербургском государственном университете путей сообщения проводятся исследования адгезии АКП с бетоном. На основании этих исследований выявлено, что у композитной арматуры с плоской навивкой показатели сцепления лучше, чем у арматуры с другими видами профиля. Смоделирован процесс «РиП-ОШ» теста [4-6].
В Ивановском государственном политехническом университете изучается влияние типов профиля стержня арматуры на силу анкеровки. В [7-10] показан вклад в разработку математических моделей напряженно-деформированного состояния в системе АКП - бетон.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследованы образцы стеклокомпозитной арматуры (АСК) с периодично-деформированным профилем. Формирование частично деформированного профиля осуществляли путем обмотки лавсановой нитью на производственной линии до полного отверждения стержня АКП. На рис. 1 представлены схема обмотки стержня (а) и изображение стеклокомпозитной арматуры под микроскопом (б).
а (а) б (b)
Рис. 1. Схема обмотки стержня (а) и стеклокомпозитная арматура под микроскопом (б) Fig. 1. Rod winding diagram (a) and glass-reinforced plastic microscopically (b)
Прочность сцепления с бетоном оценивали с использованием Pull-Out теста - методом выдергивания стержней АКП из бетонных кубов [2, 4-6, 11, 12]. Образцами для испытаний являлись бетонные кубы (150x150x150 мм), по центру которых перпендикулярно направлению укладки бетона устанавливался стержень АКП. При этом с бетоном контактировала только нижняя часть арматурного стержня, имеющего длину, равную пяти диаметрам (рис. 2, а). Размер куба зависел от диаметра АКП.
Работы по определению предела прочности сцепления с бетоном образцов композитной полимерной арматуры выполнялись по истечении 28 сут. после набора прочности бетоном класса В25 [13].
DOI: 10.S29S7/27821919_2023_1_7
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
а (а)
б (b)
Рис. 2. Схема установки АКП в бетон куба (а) и образец АКП при испытании на сцепление с бетоном (б) Fig. 2. Scheme for installing of fiber-reinforced polymer (FRP) in a concrete cube (a) and sample of FRP during the adhesion test with concrete (b)
Напряжение сцепления композитной полимерной арматуры с бетоном т„ МПа, при экспериментальном исследовании выдергиванием из куба определяли по формуле:
P
'cLj
Jfb
где Р - прилагаемая нагрузка, Н; с - номинальная длина окружности стержня, рассчитываемая как произведение л^ном, мм; Ьр - длина заделки стержня в бетон (5xdном), мм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Испытание прочности сцепления АСК с бетоном проводили ступенчатым нагружением с шагом 50 Н и выдержкой в течение 10 с на каждом этапе. На шаге нагрузки записывали значение перемещения свободного торца образца арматуры. Были приняты отчетные показатели перемещения стержня АСК (0.05, 0.10, 0.25 мм) и максимальное перемещение. Результаты испытаний на прочность, статистически обработанные [14], представлены ниже в табл. 1.
Основываясь на результатах исследований, приведенных в табл. 1, усредненное значение максимальной прочности сцепления с бетоном стеклокомпозитной арматуры с периодично-деформированным профилем составил 12.7 МПа, что соответствует требованиям ГОСТ 319382022 [15].
На основании испытаний сцепления с бетоном стеклокомпозитной арматуры с песчаной обсыпкой авторы наблюдали, что вследствие низкой прочности связи между песком и полимерной арматурой при высоких напряжениях разрушается бетон и частично песчаная обсыпка АСК [16-18].
DOI: 10.52957/27821919 2023 1 7
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
Таблица 1. Прочность сцепления образцов стеклокомпозитной арматуры с периодично-деформированным профилем
Table 1. Adhesion strength of glass composite reinforcement samples with a periodically deformed profile
№ п/п Номинальный диаметр, мм Маркировка Напряжение тг, МПа
0.05 мм 0.10 мм 0.25 мм max, мм
1 12.04 АСК-1 4.39 5.71 8.35 12.70
2 АСК-2 3.52 5.27 7.91 12.80
3 АСК-3 3.52 5.27 7.03 12.50
4 АСК-4 3.52 4.83 7.03 12.30
5 АСК-5 4.39 6.15 8.79 13.60
6 АСК-6 4.39 5.71 7.47 12.50
8 ср. 3.96 5.49 7.76 12.70
9 Среднеквадратическое отклонение S 0.50
10 Коэффициент вариации v, % 3.60
11 Минимальное значение тг. min для партии, МПа 12.00
В настоящем исследовании профиль композитной полимерной арматуры частично-деформированный (см. рис. 1), что способствует стабильному и равномерному поведению стержня в бетоне. Это четко прослеживается при анализе диаграммы «напряжение-перемещение», которая составлена на основе результатов РиП-ОШ тестов (рис. 3).
—АСК-1 —АСК-2 АСК-3 —•—АСК-4 -*—АСК-5 —♦—АСК-6
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Перемещение, мм
Рис. 3. Диаграмма «напряжение-перемещение» при испытании образцов АСК Fig. 3. Diagram "straining-displacement" when testing samples of glass-reinforced plastic
На графиках прослеживается криволинейная зависимость перемещения образцов АСК от напряжения. Выделяются три зоны:
1) от 0 до 2.2 МПа - зона упругих деформаций; отсутствуют перемещения стержня композитной полимерной арматуры;
2) до 0.4-0.6 мм - с увеличением нагрузки появляются сдвиговые трещины, участки с локальным проскальзыванием;
3) исчерпание несущей способности бетона, арматура еще имеет сцепление с бетоном (за счет деформированного профиля и сил трения).
Такая картина разрушения образца полностью совпадает с нормативными данными по математическому моделированию процесса нарушения сцепления с бетоном [17, 18].
По результатам исследований [19] выявлено, что вырывание образцов АСК под действием нагрузки происходит по зоне контакта «арматура - бетон» (рис. 4). Высокие напряжения сцепления не приводят к разрушению бетонного куба (см. рис. 4, а).
DOI: 10.52957/27821919_2023_ 1_7 SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
а (а)
б (b)
Рис. 4. Образец АКП и бетонный куб (а); бетонный куб после испытания (б) Fig. 4. Fiber reinforced polymer sample and concrete cube (a); concrete cube after testing (b)
Частично-деформированный профиль полимеркомпозитной арматуры соприкасается с бетоном по максимальной площади, что обеспечивает стабильную совместную работу арматуры и бетона (см. рис. 4, б).
Усредненная прочность сцепления стеклокомпозитной арматуры с периодично-деформированным профилем и бетона в ходе исследований составило 12.7 МПа, что соответствует требованиям ГОСТ 31938-2022. Проведен анализ поведения стержня АКП при вырывании из бетонного образца. Установлено, что для обеспечения стабильной совместной работы композитной полимерной арматуры и бетона арматуре необходим частично-деформированный профиль, обеспечивающий соприкосновение с бетоном по максимальной площади.
1. Старовойтова И.А., Хозин В.Г., Сулейманов A.M и др. Одноосно ориентированные армированные пластики: анализ состояния, проблемы и перспективы развития // Изв. КГАСУ. Строит. мат. и изделия. 2012. № 4 (22). С. 332-339.
2. Хозин В. Г., Пискунов А.А., Гиздатуллин А.Р., Куклин А.Н. Сцепление полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном // Известия КГАСУ. 2013. № 1 (23). С. 214-220.
3. Хозин В.Г., Гиздатуллин А.Р., Куклин А.Н. Полимеркомпозитная арматура в сборных дорожных плитах // Актуальные вопросы теории и практики применения композитной арматуры в строительстве: сборник докладов научно-технической конференции (Ижевск, 11 декабря 2014 г.). Ижевск: ИжГТУ, 2015. С.14-24.
4. Бенин А.В., Семенов С.Г. Экспериментальные исследования сцепления композитной арматуры с плоской навивкой с бетоном // Промышл. и гражд. стр-во. 2013. № 9. С.74-76.
5. Коковцева А.В., Семенов А.С., Семенов С.Г., Бенин А.В. Моделирование процесса выдергивания стеклопластиковой арматуры из бетонного блока // Сб. тр. конф. с междунар. участием "XIII неделя науки СПбГПУ". СПб.: СПбГПУ, 2013. С.182-184.
6. Бенин А.В., Семенов С.Г. Особенности испытаний композитной полимерной арматуры // Промышл. и гражд.стр-во. 2014. № 9. С.42-46.
7. Караваев И.В., Румянцева В.Е., Коновалова В.С. К вопросу о прочности сцепления композитной
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
DOI: 10.52957/27821919_2023_ 1_7
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
арматуры с бетоном // Физика волокн. мат.: структура, свойства, наукоемкие технол. и мат. (SMARTEX). 2016. Т. 2, № 1. С. 124-127.
8. Караваев И.В., Румянцева В.Е. Теоретические предпосылки к верификации моделей напряженно-деформированного состояния в системе «Композитная арматура - Бетон» // Мол. ученые - развитию текстильно-промышленного кластера (ПОИСК). 2016. № 1. С. 506-507.
9. Румянцева В.Е., Караваев И.В. К вопросам методики проведения испытаний анкеровки арматуры неметаллической композитной в бетоне // Стр-во и реконструкция. 2015. № 1 (57). С. 108-113. URL: https://rucont.ru/efd/484874
10. Караваев И.В., Румянцева В.Е., Караваев В.И. Исследование влияния покрытия на анкеровку композитной арматуры в бетоне // Теор. и прикл. аспекты соврем. науки. 2015. № 9-2. С. 84-87.
11. ISO 10406-1:2008. Fibre-reinforced polymer (FRP) reinforcement of concrete - Test methods. Part 1: FRP bars and grids.
12. RILEM Recommendations for the Testing and Use of Constructions Materials. RILEM, 1994. 618 p.
13. ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. М.: Изд-во Стандартинформ, 2013. 35 с.
14. ГОСТ Р 8.736-2011 Национальный стандарт Российской Федерации. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. М.: Изд-во стандартов, 2019. 24 с.
15. ГОСТ 31938-2022 Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2022. 20 с.
16. Холмянский М.М. Контакт арматуры с бетоном. М.: Стройиздат, 1981. 184 с.
17. Cruz J.S., Barros J. Modeling of bond between near-surface mounted CFRP laminate strips and concrete // Computer and Structures. 2004. No. 82. P. 1513-1521.
18. Зиннуров Т.А., Пискунов А.А., Сафиюлина Л.Г., Петропавловских О.К., Яковлев Д.Г. Численное моделирование сцепления композитной арматуры с бетоном // Интернет-журн. "Науковедение". 2015. Т. 7, № 4. С. 1-12. URL: https://naukovedenie.ru/PDF/11TVN415.pdf
19. Ильин Д.А. Композитная арматура на основе стеклянных и углеродных волокон для бетонных конструкций: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2017. 22 с.
Поступила в редакцию 23.01.2023
Одобрена после рецензирования 17.03.2023
Принята к опубликованию 22.03.2023
1. Starovoitova, I.A., Khozin, V.G., Suleimanov, A.M. et al. Uniaxially oriented reinforced plastics: analysis of the state, problems and development prospects (2012), Izvestiya KGASU. Stroitel'nye materialy i izdeliya, 4(22), pp. 332-339 (in Russian).
2. Khozin, V.G., Piskunov, A.A., Gizdatullin, A.R. et al. (2013) Adhesion of polymer composite reinforcement with cement concrete, Izvestiya KGASU, 1(23), pp. 214-220 (in Russian).
3. Khozin, V.G., Gizdatullin, A.R. & Kuklin, A.N. (2015) Polymer composite reinforcement in prefabricated road slabs, Aktual'nye voprosy teorii i praktiki primeneniya kompozitnoj armatury v stroitel'stve: sbornik dokladov nauchno-tekhnicheskoj konferencii (Izhevsk, 11 dekabrya 2014 g.). Izhevsk, IzhGTU, pp. 14-24 (in Russian).
4. Benin, A.V. & Semenov, S.G. (2013) Experimental studies of the adhesion of composite reinforcement with flat coiling to concrete, Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo, (9), pp. 74-76 (in Russian).
5. Kokovtseva A.V., Semenov A.S., Semenov S.G. & Benin A.V. Modeling the process of pulling out fiberglass reinforcement from a concrete block, Sbornik trudov konferencii c mezhdunarodnym uchastiem
REFERENCES
DOI: 10.52957/27821919_2023_ 1_7 SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
"XIII nedelya nauki SPBGPU". St. Petersburg: SPbGPU, pp. 182-184 (in Russian).
6. Benin, A.V. & Semenov, S.G. (2014) Features of testing composite polymer reinforcement, Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo, (9), pp. 42-46 (in Russian).
7. Karavaev, I.V., Rumyantseva, V.E. & Konovalova, V.S. (2016) Case study on the adhesion strength of composite reinforcement with concrete, Fizika voloknistyh materialov: struktura, svojstva, naukoemkie tekhnologii i materialy (SMARTEX), 2(1), pp. 124-127 (in Russian).
8. Karavaev, I.V. & Rumyantseva, V.E. (2016) Theoretical prerequisites for the verification of stress-strain state models in the system "Composite reinforcement - Concrete", Molodye uchenye - razvitiyu tekstil'no-promyshlennogo klastera (POISK), (1), pp. 506-507 (in Russian).
9. Rumyantseva, V.E. & Karavaev, I.V. (2015) Case study on the methodology for testing the anchoring of non-metallic composite reinforcement in concrete, Stroitel'stvo i rekonstrukciya, (1), pp. 108-113 URL: https://rucont.ru/efd/484874 (in Russian).
10. Karavaev, I.V., Rumyantseva, V.E. & Karavaev, V.I. (2015) Study of the effect of coating on the anchoring of composite reinforcement in concrete, Teoreticheskie i prikladnye aspekty sovremennoj nauki, (9-2), pp. 84-87 (in Russian).
11. ISO 10406-1:2008. Fiber-reinforced polymer (FRP) reinforcement of concrete - Test methods. Part 1: FRP barsandgrids.
12. RILEM Recommendations for the Testing and Use of Constructions Materials (1994) RILEM.
13. GOST 10180-2012. Concrete. Methods for determining the strength of control samples. M.: IzdateFstvo standartov (in Russian).
14. GOST R 8.736-2011. National Standard of the Russian Federation. The state system of ensuring the uniformity of measurements. Direct multiple measurements. Methods of processing measurement results. Basic provisions. M.: IzdateFstvo standartov (in Russian).
15. GOST 31938-2022. Composite polymer fittings for reinforcing concrete structures. General specifications. M.: IzdateFstvo standartov (in Russian).
16. Kholmyansky, M.M. (1981) Contact of reinforcement with concrete. M.: Stroyizdat (in Russian).
17. Cruz, J.S. & Barros, J. (2004) Modeling of bond between near-surface mounted CFRP laminate strips and concrete, Computer and Structures, (82), pp. 1513-1521.
18. Zinnurov, T.A., Piskunov, A.A., Safiyulina, L.G., Petropavlovskikh, O.K. & Yakovlev, D.G. (2015) Numerical simulation of the adhesion of composite reinforcement to concrete, Internet-zhurnal "Naukovedenie", 7(4), pp. 1-12 [online]. Available at: https://naukovedenie.ru/PDF/11TVN415.pdf (in Russian).
19. Ilyin, D.A. (2017) Composite fittings based on glass and carbon fibers for concrete structures: PhD. Moscow.
Received 23.01.2023
Approved after reviewing 17.03.2023
Accepted 22.03.2023
