Совместимость полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном в конструкциях Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 691.175.3

В.Г. ХОЗИН, д-р техн. наук (khozin.vadim@yandex.ru), А.Р. ГИЗДАТУЛЛИН, инженер (antonchiks@mail.ru)

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)

Совместимость полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном в конструкциях

Исследовано сцепление стеклопластиковой арматуры промышленно выпускаемых профилей с цементным бетоном при воздействии ряда технологических и эксплуатационных факторов. Установлено существенное различие в характере разрушения обоих материалов в зоне их контакта, зависящее от типа поверхностного профиля арматуры, класса бетона и агрессивности внешней среды. Лучшие результаты по прочности сцепления получены для полимеркомпозитной арматуры (ПКА) с «вдавленным» винтовым профилем и опесчаненным. Испытания бетонных балок с разной схемой армирования позволили обнаружить «эффект малых диаметров», состоящий в повышенной жесткости и несущей способности балок с меньшим диаметром ПКА в сечении, обусловленной более полным включением их в работу при нагружении. Даны технологические рекомендации по производству ПКА и рекомендации по конструированию изгибаемых изделий и их расчету.

Ключевые слова: полимеркомпозитная арматура, цементный бетон, сцепление, агрессивная среда, армированные балки, жесткость при изгибе.

Для цитирования: Хозин В.Г., Гиздатуллин А.Р. Совместимость полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном в конструкциях // Строительные материалы. 2017. № 11. С. 30-38.

V.G. KHOZIN, Doctor of Sciences (Engineering) (khozin@kgasu.ru), A.R. GIZDATULLIN, Engineer (antonchiks@mail.ru) Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street, Kazan, 420043, Russian Federation)

Compatibility of Polymer-Composite Reinforcement with Cement Concrete in Structures

The adhesion of fiberglass reinforcement of industrially produced profiles with cement concrete under the impact of some technological and operational factors has been studied. A significant difference in the fracture characteristics of both materials in the zone of their contact, which depends on the type of surface profile of the reinforcement, concrete grade and the aggressiveness of the external environment, has been established. The best results concerning the adhesion strength were obtained for the polymer-composite reinforcement (PCR) with "sunken" screw and "sandy" profiles. The tests of concrete beams with difference scheme of reinforcement made it possible to discover an "effect of small diameters" which expresses in the increased rigidity and bearing capacity of beams with a smaller diameter of PCR in cross-section due to more complete inclusion of them in operation under loading. Technological recommendations on production of PCR and recommendations on design of flexural products and their calculation are made.

Keywords: polymer-composite reinforcement, cement concrete, adhesion, aggressive environment, reinforced beams, flexural rigidity.

For citation: Khozin V.G., Gizdatullin A.R. Compatibility of polymer-composite reinforcement with cement concrete in structures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 11, pp. 30-38. (In Russian).

В последние десять — двенадцать лет на строительном рынке все большее внимание привлекает полимеркомпозитная арматура, изготовленная из базальтовых, стеклянных или углеродных волокон и полимерных связующих на основе эпоксидных смол. Арматурные стержни производятся методом пултрузии — протяжки ровинга, пропитанного жидким связующим, через фильеру круглого сечения с одновременной обмоткой сформованного стержня с натягом по спирали тонким жгутом или (и) покрытием кварцевым песком. Образуется так называемый «вдавленный» профиль или опесчаненный. Второй метод — нидлтрузия — бес-фильерный, при котором формирование круглого стержня из собранных в пучок пропитанных прядей ровинга осуществляется винтовой обмоткой одной-двумя такими же прядями при непрерывной протяжке стержня с заданной скоростью. Высокая производительность технологических линий, малая металло- и энергоемкость оборудования, небольшие производственные площади обеспечили быстрое распространение в России малых предприятий по выпуску ПКА и насыщение ею рынка строительных материалов. Однако лозунг производителей и продавцов ПКА — «Замени металл!» — оказался неосуществимым и необоснованным по ряду причин.

Главным преимуществом ПКА перед стальной являются высокая коррозионная стойкость, обеспеченная стойкостью полимерного связующего (в основном эпоксидного), кратно более высокая прочность на растяжение и низкая плотность (1900 кг/м3). Однако мо-

дуль упругости у стекло- и базальтопластиковой арматуры в 4—5 раз меньше, чем у стальной, и это является главным препятствием для ее широкого применения в несущих, в первую очередь изгибаемых бетонных конструкциях, для которых арматура в основном и предназначена. По причине недостаточности исследований длительной прочности, ползучести и сцепления с бетоном фактически отсутствует полноценная отечественная нормативная база для проектирования несущих бетонных конструкций, армированных ПКА, и опыт их эксплуатации.

На ПКА был разработан и принят межгосударственный стандарт ГОСТ 31938—2012 «Общие технические условия», в котором дана классификация арматуры по типу волокна (стеклянное, базальтовое, углеродное, арамидное, комбинированное), методы испытаний и минимально допустимые значения физико-механических свойств. По показателям последних, зависящих от типа волокна, наименьшие (и одинаковые) значения имеют стеклопластиковая и базальтопластиковая типы арматуры. Наибольшие, особенно прочность на растяжение и модуль упругости, имеет арматура на углеродном волокне. Позже был разработан второй вариант одноименного ГОСТа: приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 24 декабря 2015 г. № 2198-ст и № 2197-ст введены в качестве национальных стандартов РФ ГОСТ 32492—2015 «Методы определения физико-механических характеристик» и ГОСТ 32487—2015 «Методы определения характеристик стойкости к агрессивным средам».

Рис. 1. Схема испытательной установки

'J ;- 't jm"z" --~ ■ , --в 'йв

i - ■

3&« уЗщ?

I

Рис. 2. Картина вырыва ПКА из бетона: а - № 1; б - № 2; в - № 3; г - № 4

Следует заметить, что перечисленные нормативные документы отнюдь не безупречны в двух важнейших положениях: методе определения номинального диаметра арматуры и назначении вида агрессивной (щелочной) среды. По стандарту за номинальный диаметр арматуры принимается диаметр равновеликого по объему круглого гладкого стержня, определяемому методом гидростатического взвешивания, что неверно как для опесчаненного профиля (кварцевый или корундовый песок имеет большую, чем у полимеркомпозитного стержня, плотность и, главное, не вносит вклад в прочность последнего на растяжение), так и для арматуры с навитой на основной стержень обмоткой, по сути, при-

клеенной под разным углом к его оси выступающим винтовым профилем, неспособным воспринимать в той же мере растягивающие напряжения.

Предложенный метод для испытания устойчивости ПКА к щелочам, когда ведется выдержка в концентрированном растворе едких щелочей (КОН+№ОН) при 60оС в течение 30 сут, не является верным. Параметры по степени агрессивности совершенно не соответствуют реальным условиям работы арматуры в цементном бетоне — растворе Са(ОН)2 — слабого основания — в капиллярах цементного камня и потому могут явиться необоснованным барьером на пути внедрения ПКА в бетонное строительство.

Общеизвестно, что целостность, несущая способность и надежность армированной бетонной конструкции определяются прочным сцеплением цементного бетона с поверхностью арматурного стержня на весь период эксплуатации. Именно это является критерием совместной работы двух материалов в конструкции: сплошного бетонного камня и пронизывающего его арматурного каркаса из высокопрочных стержней. Однако до сих пор нет систематизированных данных о совместной работе ПКА с бетоном в различных условиях эксплуатации, в связи с чем сложно, а порой невозможно прогнозировать вероятность наступления предельного состояния конструкции и заложить соответствующие коэффициенты запаса при назначении длин анкеровки стержней в бетоне и их расположение в сечении.

По этой причине, несмотря на то что история исследований и применения ПКА в нашей стране началась еще в 60-70-х гг. прошло-, го века, а в США серийное производство стеклопластиковой арматуры начато в 70-х гг., она и в настоящее время не получила серьезного применения в несущих конструкциях, т. е. не заменила сталь и опыт ее использования в мире сводится к единичным опытным конструкциям например к армированию настилов мостов, монолитных бетонных полов и т. п. Следует отметить, что книга Н.П. Фролова «Стеклопластико-вая арматура и стеклопластбетоны» [1] была издана в 1980 г. и в ней были обобщены результаты исследований автора с 50-х гг. XX в.

Целью настоящей работы являлось исследование совместной работы полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном для оценки ее реальных возможностей применения в изгибаемых конструкциях и разработка практических рекомендаций. Для этого решались следующие задачи:

— исследование сцепления ПКА с различным типом поверхностного профиля с бетоном при моделировании

а

в

научно-технический и производственный журнал

&

^.■^r^VlVt® ноябрь 2017 31

25

20

15

10

0*

60 80 100 120 Проскальзывание А, 0,01 мм

Рис. 3. Диаграммы средних значений «т-Д» для контрольных образцов (бетон В25): 1 - ПКА № 1 вдавленная навивка; 2 - ПКА № 2 навивка; 3 - ПКА № 3 навивка; 4 - ПКА № 4 опесчаненные; 5 - стальная арматура

20

100

120

40 60 80

Прочность бетона при сжатии, МПа

Рис. 4. Влияние прочности бетона на его сцепление с ПКА: 1 - ПКА № 1 вдавленная навивка; 2 - ПКА № 2 навивка; 3 - ПКА № 3 навивка; 4 - ПКА № 4 опесчаненные; 5 - стальная арматура

технологических и эксплуатационных факторов: тепловлажностной обработки бетона (ТВО), повышенной и отрицательной температуры и ее попеременного воздействия, циклического водонасыщения, действия агрессивных сред (воды и щелочей);

— оценка влияния класса бетона по прочности на его сцепление с ПКА (в сравнении со стальной);

— выявление характера и картины разрушения бетона и поверхности арматуры в контактной зоне, выбор оптимального профиля ПКА по величине ее сцепления с бетоном;

— исследование характера распределения напряжений сцепления по длине заделки стержней методами математического моделирования;

— установление влияния удельной поверхности стержней ПКА в растянутой зоне на жесткость изгибаемых бетонных балок;

— разработка практических рекомендаций по производству ПКА и ее применению в бетонных конструкциях.

Исследование сцепления ПКА с бетоном выполнялось методом прямого вырыва в соответствии с методикой ГОСТ 31938—2012 на разрывной машине Р-5 со скоростью перемещения активной траверсы 10 мм/мин. Величина деформаций проскальзывания (выдергивания из бетонного образца) определялась часовым индикатором с точностью 0,01 мм, установленным на нена-груженном конце стержня (рис. 1). Длина сопряжения образцов ПКА с бетоном составляла 50 мм, что позволяло определить касательные напряжения при вырыве, близкие к средним.

Для исследований использовались промышленные образцы стеклопластиковой арматуры с номинальным диаметром 8 мм на основе эпоксидного связующего — смолы типа ЭД-20, отверждаемой изометилтетрагид-рофталевым ангидритом (изо-МТГФА), по технологии пултрузии и нидлтрузии. Диаметр стекловолокна 24—27 мкм, их число в ровинге — 4000, количество ро-вингов в ПКА диаметром 8 мм — 15 шт.

Характеристика образцов представлена в табл. 1.

Образцы бетона с установленным стержнем ПКА согласно рис. 1 формовались в полиэтиленовых формах внутренним диаметром 100 мм и высотой 100 мм.

Бетонная смесь изготавливалась в лабораторном смесителе ЛС-ЦБ-10. Образцы тяжелого бетона имели класс по прочности при сжатии В25 (М350), за исключением серии испытаний № 7, в которой марка бетона

Рис. 5. Характер повреждения образцов при испытании на вырыв из бетона В60: а - ПКА № 1 (ттах=24,3 МПа); б - ПКА № 4 (ттах=25,9 МПа)

менялась: М250, М450, М600, М800, М1000. Для марок М800 и М1000 применялся высокопрочный песчаный бетон специального состава. Количество испытанных образцов каждого класса бетона — шесть штук.

Результаты испытаний контрольных образцов всех типов, твердеющих и испытанных в нормальных условиях, представлены фотографиями бетона и арматуры в зоне вырыва на рис. 2 и в виде усредненных диаграмм т—Д (касательные напряжения — деформации проскальзывания образца в бетоне) на рис. 3.

По рис. 2 можно заключить, что в случае ПКА № 1 с вдавленной навивкой наблюдается частичное разрушение бетона в винтовых углублениях стержня и частичный срез эпоксидного покрытия на винтовых выступах стержня.

Образцы ПКА № 2 и № 3 при выдергивании из бетона оставляют наклеенную винтовую навивку в теле бетонного образца, т. е. срезаются по площади склейки и выдергивается «голый» стержень. Стержни ПКА № 4 (опесчаненные) выдергиваются с частичным разрушением бетона (точнее, цементного камня) в контактной зоне, частично со срезом песчаной посыпки. Стальной стержень вырывается со срезом бетона между выступами периодического профиля.

Представленные картины вырыва образцов арматуры из бетона характеризуются усредненными диаграммами т—Д при вырыве (рис. 3). Наибольшее сопротивление вырыву оказывает стальная арматура (тип № 5), затем опесчаненная (№ 4), далее ПКА с вдавленной на-

5

Таблица 1

№ проф.

D номинал. (по сердечнику), мм, тип профиля ПКА

Содержание волокна, мас. %

Геометрия стержня

Образец

8 (8)

Вдавленный профиль

82

8 (7.8-8) Спирально наклеенная навивка

84,5

Я

8(7.5)

Спирально наклеенная навивка

79,87

8 (8)

Покрытие песком («опесчаненное»)

76,36

8

Периодический профиль

2

3

4

5

вивкой (№ 1). Сопротивление вырыву образцов с наклеенной навивкой (№ 2 и 3) наименьшее, что свидетельствует об их низкой эффективности, несмотря на внешнее сходство со стальной периодичной. Ближе всех других к поведению стальной арматуры находится ПКА № 4 (опесчаненная) и затем № 1. По величине прочности сцепления с бетоном в нормальных условиях опесчаненная арматура имеет явное преимущество перед другими типами ПКА.

Влияние температуры и агрессивных сред на прочность сцепления неоднозначно для разных видов ПКА. Нагрев до +80оС приводит к снижению прочности сцепления во всех случаях, но в разной степени, от 9-13% для ПКА № 4 до 48-53% для ПКА № 2-3. При охлаждении образцов до -40оС у всех образцов прочность сцепления возрастает на 21-36%, что объясняется известной закономерной чувствительностью всех органических полимеров к температуре. К остальным внешним факторам: насыщению водой, ТВО, выдержке в щелочном растворе, попеременным температур-

ным воздействиям наиболее стойкой оказалась ПКА № 1 с вдавленным профилем. Все остальные типы ПКА: № 2, 3, 4 испытаний на стойкость в едкой щелочи не выдержали.

Во всех случаях при испытаниях образцов ПКА № 2 и № 3 вырыв из бетона сопровождался срезом навивки и оголением сердечника, что свидетельствует о недостаточной прочности клеевого слоя и основной роли адгезии и трения в обеспечении сцепления данных типов ПКА.

Для образцов стальной арматуры существенных изменений величин сцепления относительно контрольных не установлено, кроме его снижения при +80оС на 11-15%, обусловленного уменьшением прочности самого бетона. Характер разрушения образцов - срез бетона между витками профиля.

По результатам испытаний на вырыв ПКА из бетона разной прочности установлено, что независимо от вида поверхностного профиля прочность сцепления с бетоном увеличивается с ростом его прочности.

ноябрь 2017

33

Образцы с навивкой ПКА № 1, 2, 3

аг ш ти

г ^

Трение

Мех. зацепление+ ■ F^ \

трение с Fd

Мех. зацепление+ _к-

адгезия _

0 Su

Проскальзывание

Образцы ПКА № 4, стальная арматура

Трение

Мех. зацепление+ трение

Мех. зацепление+ адгезия

Рис. 6. Схема изменения напряжений при вырыве: б - образцов ПКА № 4 и стальной арматуры

Проскальзывание а - образцов ПКА № 1, 2, 3;

Однако данный рост существенно замедляется или прекращается при достижении определенных значений прочности бетона, различных для каждого типа ПКА: № 1 - 46 МПа; № 2 - 59 МПа; № 3 - 59 МПа; № 4 — 46 МПа. Это объясняется тем, что прочность сцепления композитной арматуры лимитируется в отличие от стальной прочностью самого композитного материала, и в частности адгезией эпоксидного покрытия к волокну.

Влияние прочности бетона на его сцепление с ПКА видно из кривых на рис. 4.

На рис. 5 представлен характер повреждения образцов ПКА № 1; 4 при испытании вырывом из бетона В60.

Как известно [2—4], сцепление арматуры с бетоном представляет собой непрерывную связь по поверхности контакта между арматурой и бетоном. Ранее [5, 6]

было установлено, что сцепление композитной арматуры с бетоном обеспечивается благодаря действию трех факторов:

- адгезии цементного камня к поверхности ПКА

- механического зацепления поверхностного рельефа арматуры за бетон ^ь);

- трения

На начальном этапе приложения нагрузки работает адгезионная составляющая и механическое зацепление, а с началом проскальзывания первая «обнуляется» (в исследованиях авторов за критерий потери адгезии принято проскальзывание не-нагруженного конца ПКА, равное 0,1 мм); сопротивление вырыву осуществляется за счет трения и механического зацепления профиля.

Адгезия цементного камня к поверхности ПКА возникает в период схватывания и твердения бетона и определяется химическими и физическими процессами, которые приводят к появлению на контактной поверхности цементный камень - эпоксидный полимер межмолекулярных (физических) связей. Адгезия нарушается при сравнительно небольших напряжениях и деформациях сдвига стержня относительно бетона. Эти связи межмолекулярные и обусловливают высокую чувствительность полимера к температуре и жидким агрессивным средам.

Механическое зацепление арматуры в бетоне (IЬ) обусловлено выступающими элементами ее профиля, витками и песчаной посыпкой. Механическое зацепление для ПКА № 1 и № 4 (с деформированным профилем и опесчаненных) зависит как от прочности бетона, так и от прочности эпоксидного покрытия на срез. Для типов ПКА № 2 и 3 с навивкой величина механического зацепления постоянна и зависит только от качества склейки навивки с сердечником.

Трение между поверхностью ПКА и бетоном можно разделить на статическое и динамическое. В паре арматура - бетон статическое трение обусловлено адгезией, поэтому целесообразно учитывать только динамическое трение скольжения, реализующееся после нарушения адгезионного сцепления в момент начала проскальзывания арматуры в бетоне.

Напряжение сцепления т определяется как сумма трех вышеуказанных факторов:

а

I1

Рис. 7. Распределение касательных напряжений на первой стадии

Рис. 8. Распределение касательных напряжений на второй стадии

Рис. 9. Распределение касательных напряжений на третьей стадии

Р

Р

т

Таблица 2

Тип армирования Диаметр арматуры ^), мм Количество стержней Площадь арматуры (A), мм2 Удельная поверхность сцепления (С=я-я-^10 мм), мм2 Коэффициент а (С/A-10)

1 2 12 37,7 75,39 20

2 4+2 (доп.) 4 37,73 43,98 11,7

3 5 2 39,27 31,42 8

4 7 1 38,48 21,99 5,7

Таблица 3

№ п/п Тип армирования При f = 1/300 = 4,57 мм При f= 1/150 = 9,13 мм

Нагрузка, кг Напряжения в арматуре as, МПа Нагрузка, кг Напряжения в арматуре as, МПа

1 12x2 мм 1375 588,4 1650 707,5

2 3x4 мм+ 1x2 мм 1300 555,5 1720 737,3

3 2x5 мм 1220 500,6 1550 635,9

4 1x7 мм 930 388,6 1350 565,8

Рис. 10. Схема испытания и типы армирования балок

Fp = Fd + Fb + Жу.

Соответственно, изменения значений касательных напряжений, установленные в ходе испытаний, объясняются изменением одного из значений Жь, Жу.

Обобщая вышеизложенное, вклад каждого из факторов на всех этапах работы при вырыве образцов ПКА из бетона можно описать кривыми, приведенными на рис. 6, подобными экспериментальным диаграммам «т -А».

Из рис. 6, б следует, что поведение ПКА № 4 (с опес-чаненным покрытием) подобно поведению при вырыве стальной арматуры.

По результатам численного моделирования в ПК ANSYS установлено, что распределение касательных напряжений по длине сопряжения ПКА с бетоном в

процессе нагружения неравномерно и может быть условно разделено на три стадии:

1-я стадия — упругая, при которой деформации нагруженного стержня пропорциональны прилагаемому усилию и в основном обратимы. При этом напряжения в стержне по мере удаления от загруженного конца быстро снижаются (рис. 7). На данном этапе сцепление обусловлено адгезией и механическим зацеплением.

2-я стадия — частично упругая, в которой линейность и обратимость деформаций нарушаются, но смещение свободного (ненагруженного) конца арматуры еще не происходит (рис. 8). Пик максимальных значений напряжения сцепления по мере увеличения прилагаемых усилий перемещается в сторону ненагруженного конца стержня.

j j. ®

научно-технический и производственный журнал

ноябрь 2017 35

Рис. 11. Микрофотографии фрагмента поперечного среза арматурного стержня диаметром 8 мм (ПКА № 4 - опесчаненный профиль). Увеличение: а - 100x; б - 300x; в - 1000x

3-я стадия — проскальзывание, когда стержень перемещается относительно бетона по всей длине анкеров-ки. Максимальные значения сил сцепления перемещаются к ненагруженному торцу образца. Бетон контактного слоя в начале заделки уже разрушен, но разрушенные частицы еще обеспечивают трение и расклинивающие напряжения (рис. 9)

Как известно, любая арматура находит главное применение в изгибаемых бетонных конструкциях, где она устанавливается в растянутой зоне сечения, обеспечивая прочность, трещиностойкость и жесткость изделия. При этом последние два критерия определяются модулем упругости арматуры, а он у ПКА, как известно, низок по сравнению со стальной: 40-50 ГПа против 200 ГПа. Поэтому 2-й этап исследований был посвящен испытанию бетонных балок, армированных разными вариантами размещения ПКА № 4 в сечении конструкции.

Бетонные балки сечением 150x220 мм, длиной 1,5 м. Армирование производилось стержнями ПКА № 4 диаметром 7, 5, 4, 2 мм с обеспечением постоянной суммарной площади сечения Л, = п-п^ 2/4, что достигалось изменением числа стержней в сечении. При этом площадь поверхности контакта ПКА с бетоном с = п-п-&1 была переменной. Схема испытания и типы армирования балок приведены на рис. 10.

Теоретической предпосылкой этого эксперимента является известный структурно-механический эффект анизотропии волокнистых полимерных композитов, классическим представителем которых является поли-меркомпозитная арматура с одноосно ориентированными высокопрочными волокнами, связанными в монолит полимерной матрицей. На рис. 11 представлены микрофотографии поперечного сечения ПКА № 4, на которых виден характер упаковки стеклянных волокон, связанных эпоксидным полимером.

Ранее Н.П. Фролов [1] установил, что эпюра нормальных напряжений в сечении при растяжении ПКА нелинейна (рис. 12) ввиду передачи растягивающих усилий от наружных слоев (волокон) к внутренним через податливые прослойки полимера, модуль упругости которого в десятки раз ниже, чем у волокна (в нашем случае Еэ=2,4 ГПа против Е=72,5 ГПа у стекловолокна).

Поэтому разрушение стержня ПКА начинается с разрыва наиболее напряженных волокон, расположенных по периметру его сечения, а далее последовательно перераспределяется на внутренние слои. Происходящее смещение волокон относительно друг друга вдоль оси стержня происходит без нарушения их сцепления с полимерной матрицей вплоть до разрушения. Эта особенность ПКА присуща и другим издели-

ям из волокнистых полимерных композитов, в частности оболочкам [7, 8].

Учитывая большую зависимость прочности ПКА от диаметра (при неизменном модуле упругости), можно рассчитывать на более полное использование прочности малых диаметров, имеющих к тому же большую суммарную поверхность стержней при равной площади поперечного сечения. А это увеличивает объем адгезионно связанного бетона, вовлеченного в работу арматуры и сдерживающего ее деформацию.

В табл. 2 представлены количественные параметры армирования бетонных балок с разными вариантами размещения в их сечении стержней ПКА разных диаметров при соблюдении равной суммарной площади их поперечного сечения А.

Из табл. 2 следует, что удельная поверхность сцепления с бетоном С - наибольшая при армировании двенадцатью стержнями ПКА, как и безразмерный коэффициент а, равный отношению удельной поверхности стержней к суммарной площади их поперечного сечения.

Деформативность балок оценивалась по значениям прогибов, достигаемых при контрольных нагрузках 1000, 1500 и 2000 кг. Так, при контрольной нагрузке 1000 кг прогибы балок первого типа армирования (12x2 мм) находились в интервале 1,82-2,65 мм, у балок второго типа выше в среднем на 70%, у балок третьего типа выше на 89%, а у балок четвертого типа выше на 138%. Аналогичная тенденция, хоть и в меньшем выражении, прослеживается и при нагрузках 1500, 2000 кг.

Как следует из данных табл. 3, с увеличением параметров С и а, характеризующих величину удельной поверхности сцепления бетона со стержнями ПКА, увеличивается изгибная жесткость балок при фиксированной нагрузке и их несущая способность при одинаковом прогибе.

Механизм эффекта малых диаметров ПКА в бетонных балках заключается как в полном включении в работу стержней малых диаметров, так и в вовлечении в процесс их деформирования адгезионно связанных прилегающих слоев бетонной матрицы. Аналогом второго фактора - вовлечения матрицы в процесс деформирования - является известная в полимерных композитах [9] картина взаимодействия волокна с полимерной матрицей (рис. 13).

Установлено, что характер разрушения балок при нагружении зависит от степени распределения арматуры в сечении: в первом случае (12x2 мм) а=20, балка разрушается классически - по нормальному сечению с разрывом рабочей арматуры; в остальных случаях происходит разрушение бетона по наклонным сечениям без разрыва ПКА.

[

Рис. 12. Распределение нормальных напряжений по сечению ПКА при растяжении

Матрица

4 Ч V. ^ ^ \ н-i--ь

Рис.13. Картина распределения деформаций в матрице, окружающей волокно, к которому прилагается растягивающее усилие [9]

На основании полученных данных можно сформулировать следующие рекомендации при изготовлении, испытании и применении полимеркомпозитной арматуры в бетонных изгибаемых конструкциях:

1. Рекомендовать для армирования изгибаемых конструкций арматуру с опесчаненной поверхностью (ПКА № 4), имеющую наибольшие значения сцепления с бетоном. Для получения опесчаненной арматуры с высокой щелочестойкостью целесообразно применять песок из щелочестойких материалов (карбонатных и прочих), а в качестве отвердителя эпоксидных смол использовать ароматические амины, эффективность которых была показана ранее [10].

2. Не рекомендовать для армирования бетонных конструкций, где требуются высокие параметры сцепления, полимеркомпозитную арматуру типов 2 и 3 с наклеенной навивкой, образующей винтовой профиль, поскольку он срезается при вырыве, не позволяя полностью реализовать прочность основного стержня.

3. Целесообразно в ГОСТ 32487—2015 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Методы определения характеристик стойкости к агрессивным средам» в п. 5.3.2 заменить рекомендуемый состав щелочного раствора (№ОН+КОН) на насыщенный раствор Са(ОН)2 или (что еще ближе к реальным условиям эксплуатации арматуры в цементном бетоне) на цементную вытяжку — водный раствор продуктов гидратации портландцемента, полученный из цементной суспензии с рН>12.

4. С целью повышения модуля упругости арматуры целесообразно перейти на гибридный волокнистый наполнитель с использованием наряду со стеклянным и базальтовым высокомодульного углеродного волокна, распределенного с градиентом его концентрации к центру от периферии поперечного сечения стержня.

5. Учитывая высокую стойкость ПКА к коррозии, целесообразно снижать величину защитного слоя бетона до минимального значения, обеспечивающего со-

вместную работу арматуры с бетоном, но не менее 20 мм.

6. Для более полного использования прочностного потенциала полимеркомпозитной арматуры и повышения жесткости бетонных балок, армированных ею, рекомендуется применять более мелкие диаметры ПКА с сохранением суммарной площади сечения арматуры.

С целью проверки предложенных рекомендаций на предприятии ООО «Казанский ДСК» были изготовлены и испытаны образцы дорожных плит-аналогов плитам 2П30.18-30 по ГОСТ 21924.2-84* «Плиты железобетонные с ненапрягаемой арматурой для покрытий городских дорог». Плиты были выполнены в двух вариантах:

— с армированием ПКА, эквивалентной по прочности на растяжение стальной, и сохранением количества и раскладки стержней, как в ГОСТ 21924.2—84*;

— с уменьшением диаметров продольных рабочих стержней, но сохранением суммарной площади рабочей арматуры.

Испытания показали, что при замене стальной арматуры на равнопрочную ПКА дорожные плиты соответствуют предъявляемым ГОСТ 21924.0—84 требованиям по прочности и трещиностойкости. Проскальзывание арматуры отсутствует, что свидетельствует о достаточности сцепления ПКА при уменьшении ее диаметра по сравнению со стальной арматурой.

Установлено, что плиты со вторым типом армирования, в которых применялись стержни меньших диаметров при сохранении их суммарной площади сечения, имеют повышенную жесткость относительно плит со стандартным армированием:

— при контрольной нагрузке 4 т прогибы сократились на 25,6%;

— при контрольной нагрузке 8 т прогибы сократились на 26,9%.

Совместно с ООО «КомАр» были изготовлены и испытаны две серии бетонных балок, армированных полимеркомпозитной и стальной арматурой. Балки со стальной арматурой изготовлены в соответствии с типовой серией 1.038.1-1 выпуск 1, балки с композитной арматурой изготовлены по аналогии с сохранением геометрических размеров и прочности бетона балок, но с разным количеством и разными диаметрами арматуры в растянутой зоне.

Результаты испытаний подтвердили, что использование в растянутой зоне изгибаемых балок арматурных стержней меньших диаметров приводит к увеличению жесткости балок, особенно на начальном этапе нагру-жения, что является следствием более полного использования высокой прочности ПКА.

Характер разрушения балок также существенным образом различается в зависимости от процента армирования. В отличие от балок № 1, 2, когда фиксируется разрушение всех балок по наклонным сечениям из-за среза и частичного смятия бетона в сжатой зоне, в балках типов № 3, 4, 5 ввиду пониженного процента армирования растянутой зоны достижение предельного состояния в арматуре происходит до достижения предельных значений в сжатом бетоне. Развитие наклонных трещин при этом отсутствует.

Список литературы

References

1. Фролов Н. П. Стеклопластиковая арматура и стекло-пластбетонные конструкции. М.: Стройиздат, 1980. 104 с.

2. Мулин Н. М. Стержневая арматура железобетонных конструкций. М.: Стройиздат, 1975. 233 с.

3. Холмянский М.М. Контакт арматуры с бетоном. М.: Стройиздат, 1981. 184 с.

1. Frolov N.P. Stekloplastikovaya armatura i stekloplastbe-tonnye konstruktsii [Glass-fiber plastic rebars and glassfiber plastic concrete structures]. Moscow: Stroyizdat. 1980. 104 p.

2. Mulin N.M. Sterzhnevaya armatura zhelezobetonnykh konstruktsiy [Bar reinforcement for concrete structures]. Moscow: Stroyizdat. 1975. 233 p. (In Russian).

а

max

а

а

а

f/r- научно-технический и производственный журнал

ЩЛГЗДОШ ® ноябрь 2017 37

4. Мадатян С.А. Арматура железобетонных конструкций. М.: Воентехлит, 2000. 256 с.

5. Baena M. Experimental study of bond behaviour between concrete and FRP bars using a pull-out test //An International Journal «Composites Part B: Engineering». 2009, pp. 784-797.

6. Wai How Soong, J. Raghavan, Sami H. Rizkalla. Fundamental mechanisms of bonding of glass fiber reinforced polymer reinforcement to concrete // Construction and Building Materials. 2011. Vol. 25. Iss. 6, pp. 2813-2821.

7. Турусов Р.А., Берлин А.А. Адгезия и адгезионная механика // Новости материаловедения. Наука и техника. 2016. № 2. С. 17-23.

8. Берлин А.А. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология. СПб.: ЦОП, Профессия, 2014. 592 с.

9. Каллистер У., Ретвич. Д. Материаловедение: от технологии к применению (металлы, керамика, полимеры) / Пер. с англ. / Под ред. А.Я. Малкина СПб.: Научные основы и технологии. 2011. 896 с.

10. Хозин В.Г., Зыкова Е.С., Фахрутдинова В.Х., Гиз-датуллин А.Р. Влияние щелочной среды бетона на эпоксидные связующие и полимеркомпозитную арматуру // Строительные материалы. 2015. № 1. С. 41-44.

3. Holmyansky M.M. Kontakt armaturi s betonom [Contact of reinforcement with concrete]. Moscow: Stroyizdat. 1981. 184 p.

4. Madatyan S.A. Armatura zhelezobetonnykh konstruktsiy [Reinforcement of reinforced concrete structures]. Moscow: Voentekhlit. 2000. 256 p.

5. Baena M. Experimental study of bond behaviour between concrete and FRP bars using a pull-out test. An International Journal «Composites Part B: Engineering». 2009, pp. 784—797.

6. Wai How Soong, J. Raghavan, Sami H. Rizkalla. Fundamental mechanisms of bonding of glass fiber reinforced polymer reinforcement to concrete. Construction and Building Materials. 2011. Vol. 25. Iss. 6, pp. 2813—2821.

7. Turusov R.A, Berlin A.A. Adhesion and adhesion mechanics. Materials Science News. Science and Technology. 2016. No. 2, pp. 17-23. (In Russian).

8. Berlin A.A. [Polymer composite materials: structure, properties, technology]. Saint Petersburg: COP, Profession. 2014. 592 p.

9. Kallister U., Rethvich D. Material Science: from technology to application (metals, ceramics, polymers). Translated with English. Ed. by Malkin A.Y. Saint Petersburg: Scientific bases and technologies. 2011. 896 p.

10. Khozin V.G., Zykova E.S., Fakhrutdinova V.Kh., Gizdatullin A.R. Influence of alkaline environment of concrete on epoxide binders and polymer-composite reinforcement. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 1. C. 41-44. (In Russian).

20-21 сентября 2018 г.

Республика Беларусь г. Минск

Оргкомитет: 140050, Московская обл., п. Красково, ул. К. Маркса, д. 117, РГА Телефон: +7 8-916-501-36-56 E-mail: rga-service@mail.ru www.rosgips.ru

Российская гипсовая ассоциация Московский государственный строительный университет Научно-исследовательский институт строительной физики

Девятая Международная конференция

«Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий»

Тематика конференции:

■ технический прогресс в области гипсовых материалов и изделий (исследования, производство и применение)

■ ангидритовые вяжущие

■ гипсовые материалы в малоэтажном строительстве

■ привлекательность и механизмы инноваций в гипсовой отрасли

■ современное оборудование для производства гипсовых вяжущих, материалов и изделий на их основе

■ лаборатории, менеджмент качества, экологический менеджмент и их роль в обеспечении качества и долговечности гипсовых материалов

■ нормативно-техническая документация в соответствии с современными требованиями

■ обучение и переподготовка специалистов в области производства и применения гипсовых материалов и изделий

Генеральный информационный спонсор: журнал

Строительные Материалы'

научно-технический и производственный журнал

¡SrrotfjSjiaiiJbds