Исследование особенности работы бетонных конструкций с комбинированным армированием (арматурой композитной полимерной и неметаллической фиброй)

Исследование особенности работы бетонных конструкций с комбинированным армированием

/ V» V V V I > V \

В.Ф.Степанова, А.В.Бучкин, Д.А.Ильин

Приводится информация по выполненным исследованиям арматуры композитной полимерной (АКП) в России и за рубежом. Названа действующая нормативная документация на АКП. Представлены основные характеристики волокон и связующих для изготовления АКП требуемого качества и отмечены её недостатки при использовании в конструкциях, работающих на растяжение при изгибе. Рассмотрены первоначальные характеристики фибробетона и намечены пути повышения трещиностойкости бетонных конструкций, армированных АКП и фиброй. Изготовлены и испытаны балки при кратковременной нагрузке.

Ключевые слова: арматура композитная полимерная, нормативные документы, полимерное связующее, комбинированное армирование, неметаллическая фибра, деформация, модуль упругости.

The Research of the Features of Concrete Structures with

a Combined Reinforcement (Reinforcement of Composite

Polymer and a Non-Metallic Fiber). By V.F.Stepanova,

A.V.Buchkin, D.A.Il'in

The article provides information on completed research of composite reinforcement polymer (AKP) in Russia and abroad including acting normative documentation on the AKP. The main characteristics of the fibers and binders for producing the required quality of the AKP and its marked drawbacks when used in constructions working under bending tension are given. The original characteristics of fiber-reinforced concrete and identified ways to improve the crack resistance of concrete structures reinforced with the AKP and fibers are considered. The results of short-termload tests of manufactured beams are presented.

Keywords: polymer composite reinforcement, standard documents, polymer binder, composite reinforcement, non-metallic fiber, deformation, modulus of elasticity.

Возможность применения арматуры композитной полимерной (далее - АКП) в строительстве впервые рассматривалась в шестидесятых годах ХХ века. Актуальность была связана с необходимостью повышения долговечности конструкций, работающих в условиях воздействия агрессивных сред, вызывающих коррозию металлической арматуры, а, следовательно, и преждевременное разрушение железобетонных конструкций. Широкому развитию производства АКП препятствовало отсутствие щёлочестойкого стеклянного ровинга. Целена-

правленные массовые исследования композитной арматуры в нашей стране были возобновлены в начале 90-х годов, что было связано с налаживанием производства щёлочестойкого стеклянного и базальтового ровинга [1; 2; 12; 13].

В настоящее время в Российской Федерации формируются взаимоувязанные нормативные документы, входящие в систему технического регулирования и стандартизации, регламентирующие технические требования к АКП в зависимости от области её применения и функционального назначения, гармонизированные с техническими требованиями передовых международных и региональных стандартов. Регламентируется нормирование методов испытаний АКП, позволяющее достоверно оценить её качественные характеристики.

Основные требования к АКП и методам её испытаний включены в нормативные документы [6-9].

Основными преимуществами применения АКП в бетонных конструкциях являются:

- коррозионная стойкость АКП, при воздействии агрессивных сред;

- электромагнитная нейтральность, диэлектрические свойства арматуры;

- высокая прочность и низкий удельный вес арматуры;

- относительно легко прорезаемые проёмы в конструкциях, простая заготовка на стройплощадке.

АКП представляет собой анизотропный полимерный композиционный материал, состоящий из полимерной матрицы и непрерывных высокопрочных армирующих волокон. Свойства основных волокон для производства АКП приведены в таблице 1.

Механические свойства АКП улучшаются при увеличении содержания армирующего материала. Однако существует предел, после которого увеличение количества волокна в композите не обеспечивает дальнейшего улучшения его свойств. Это объясняется тем, что полимерная матрица не может окружить все волокна, если они расположены слишком плотно.

Содержание волокон и матрицы по объёму определяется по формулам:

V, = — ; V = —,

г V м V

с у с

Практически более удобно пользоваться содержанием волокон по массе если известны плотности (су р) составляющих АКП:

где V, ус - объем волокон, матрицы и композита соответственно; т,- содержание по массе волокон; тс - масса композита.

В качестве полимерной матрицы для АКП в настоящее время широко используют эпоксидную модифицированную смолу, которая относится к термореактивным смолам, обладающим высокими упруго-прочностными характеристиками, хорошей технологичностью и термостойкостью [1]. Встречаются зарубежные и отечественные производители, использующие в качестве связующего полиэфирные смолы. Их недостатком является низкая вязкость разрушения, определяемая малой долей пластических деформаций. Свойства основных смол для производства АКП приведены в таблице 2.

Экспериментально установлено, что прочность на растяжение АКП в 2-2,5 раза выше, чем стали А500С, однако модуль упругости при растяжении в два-четыре раза ниже. Кроме того, существенное отличие АКП от стальной арматуры заключается в подверженности композитов ползучести. Выполненные на сегодня исследования по ускоренным методикам (в течение 100 часов), позволяют экстраполировать полученные результаты на период 50 лет [1].

Деформации ползучести зависят от внешних условий (температуры, влажности), диаметра и типа АКП. Аналитическая модель учёта ползучести в нормах пока не предложена, а её учёт выполняется с помощью обобщённых понижающих коэффициентов к прочностным характеристикам.

Усталостные повреждения АКП, характерные для многоцикловых нагрузок, связаны с микроповреждениями (микротрещины в матрице, разрывы отдельных волокон, расслаивание и т.п.). На усталостную прочность АКП существенное влияние оказывают внешние условия (влажность агрессивной щелочной среды, температура, срок эксплуатации и т.п.).

Экспериментальные исследования показали, что усталостная прочность может составлять от 50 до 80% для различных типов АКП. За рубежом разработаны и нормированы методики для определения длительной и усталостной прочности [5].

Одним из путей повышения трещиностойкости бетонных конструкций является комбинированное армирование композитной полимерной арматурой и неметаллической фиброй. Исследования и опыт применения изделий из фибробетона с неметаллической фиброй (далее - ФБ) показали целесообразность его применения в тех случаях, когда напряжения находятся на реально безопасных уровнях. Само изделие экономично в изготовлении, а последствия его разрушения сведены к минимуму.

Поскольку ФБ - это композиционный материал, используемые расчётные напряжения будут зависеть от выбора состава и технологии изготовления. Кроме того, каждый отдельный материал будет иметь несколько уровней расчётного напряжения, так как характеристики материала приводят к различиям в прочностных свойствах, зависящих от типа нагрузки и нагружаемого сечения.

На основании литературных данных и проведённых исследований [11] установлены характеристики фибробетона для пневмонабрызга и виброформования (табл. 3).

Важнейшей характеристикой ФБ является прочность на растяжение, что способствует не только улучшению физико-технических характеристик бетона, но и повышению долговечности. Интегральные свойства ФБ, как и любого композита, обусловливаются свойствами его компонентов (фибры и бетона-матрицы) и условиями их совместной работы. В ФБ такая

Таблица 1. Свойства волокон, применяемых для изготовления АКП

Тип волокна Плотность, кг/м3 Прочность на растяжение, МПа Модуль упругости, ГПа Предельная относительная деформация, % Коэффициент температурного расширения, хю-6/°С Коэффициент Пуассона

Стекло (тип Е) 2500 2450 72-74 2,3-2,4 5 0,22

Стекло (тип S) 2500 2580 80-85 3,2-3,3 2,9 0,22

Стекло (тип AR) 2270 1800-3500 70-76 2,0-3,0 - 0,21

Углерод (высокомодульный) 1950 2500-4000 350-650 0,5 -1,2___-0,1 0,20

Углерод (высокопрочный) 1750 3400-3500 220-240 1,1 -0,6...-0,2 0,20

Базальт 2800 2840 80-89 2,8-3,1 8 0,21

Таблица 2. Свойства смол, применяемых для изготовления АКП

Смола Плотность, кг/м3 Прочность на растяжение, МПа Модуль упругости, ГПа Коэффициент Пуассона Коэффициент температурного расширения, х10-6/°С

Эпоксидная 1200-1400 55-130 2,75-4,10 0,38-0,40 45-65

Полиэфирная 1320 100 3,24 0,40 47

работа обеспечивается за счёт сцепления и анкеровки фибры в бетоне. Высокие начальные предельные свойства ФБ являются преимуществом для начального периода эксплуатации изделия, позволяя использовать более высокие расчётные напряжения.

Для существующих российских норм расчёта строительных конструкций более близкой является европейская система обеспечения надёжности расчётов. Одно из отличий российских

норм от рассматриваемых зарубежных заключается в методике проверки прочности при длительных и многоцикловых нагрузках.

Длительные и многоцикловые воздействия в соответствии с российскими нормами выделяются из суммарной расчётной нагрузки при расчёте по первому предельному состоянию, а при определении расчётной несущей способности учитываются соответствующие коэффициенты условий работы. Таким

Рису. 1 Схема армирования балок для испытаний на кратковременное действие изгибающих моментов

Таблица 3. Усредненные основные характеристики ФБ

Характеристика Единица измерения Пневмонабрызг Виброформование

Плотность сухой массы т/м3 1,9-2,1 1,9-2,0

Сопротивление сжатию МПа 50-80 40-60

Модуль упругости ГПа 10-20 10-20

Ударная прочность кДж/м2 10-25 10-15

Коэффициент Пуассона - 0,24 0,24

Предел прочности при растяжении МПа 7-11 4-8

Модуль упругости при растяжении МПа 20-30 10-14

Момент образования первой трещины при растяжение МПа 5-7 4-6

Таблица 4. Результаты испытаний бетона без фибры и базальтофибробетона

Характеристика Бетон без фибры Базальтофибробетон

Прочность при сжатии, Н/мм2 41,76 39,32

Прочность на осевое растяжение, Н/мм2 1,74 4,67

Прочность на растяжение при изгибе, Н/мм2 4,48 7,78

Таблица 5. Сводная таблица результатов испытаний балок

Маркировка Первое предельное состояние Второе предельное состояние Нагрузка при прогибе в центре f=10,0 мм * ^ кН

Б-С 59,6 25,5 69,1

Б-К 68,5 31,7 49,2

*Примечание: контрольный прогиб/=1/120 =10,0 мм по второму предельному состоянию определяли в соответствии с СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85» для изгибаемых элементов с пролётом 1=1,2 м.

образом, в рамках расчёта по первому предельному состоянию выделяют два расчётных случая: расчёт на длительные и постоянные усилия и расчёт на суммарные (длительные и кратковременные) усилия. При этом нагрузки для обоих случаев принимают с коэффициентами надёжности по нагрузке.

Рекомендации по расчёту бетонных конструкций с комбинированным армированием в настоящее время в отечественной и зарубежной практике отсутствуют.

Имеется накопленный теоретический и экспериментальный материал [10] по расчёту бетонных конструкций, армированных АКП, и расчёту фибробетона со стеклянной и базальтовой фиброй, который использован при разработке Сводов правил по расчёту и проектированию таких конструкций. Для того чтобы подойти к расчёту и проектированию бетонных конструкций с комбинированным армированием, нами были изготовлены экспериментальные конструкции предварительно напряженные и без напряжения, испытания которых проводили в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева.

Были изготовлены балки в количестве трёх штук из ба-зальтофибробетона со стальной арматурой с маркировкой «Б-С», балки из базальтофибробетона с арматурой стекло-композитной диаметром 8 мм с маркировкой «Б-К». Схема армирования балок приведена на рисунке 1.

Опытные балки пролётом 1200 мм испытывали как свободно опёртые. При этом одна из опор (шарнирно-неподвижная) допускала только поворот балки, а вторая (шарнирно-под-вижная) - поворот и перемещение в плоскости изгиба.

Нагружение балок осуществляли двумя сосредоточенными силами, расположенными на расстоянии 400 мм от опор, расстояние между силами (длина зоны чистого изгиба) составляло 400 мм при испытании на кратковременное действие изгибающих моментов. Нагружение образцов-балок осуществляли по этапам с приращением нагрузки 2 кН, что составляло 2% от предполагаемой разрушающей нагрузки. Выдержка на каждом шаге нагружения составляла 3 мин., в это время фиксировали появление трещин и измеряли их ширину раскрытия.

Определены прочностные характеристики базальтофибробетона в возрасте 28 суток нормального твердения. Результаты испытаний образцов по ГОСТ 10180 представлены в таблице 4.

Образование трещин в различных зонах балок наблюдалось на этапах нагружения в диапазоне нагрузок от 20 до 32,5 кН. Как правило, первые трещины появлялись в центральной зоне чистого изгиба. В дальнейшем трещины появлялись в крайних нижних участках балки в сечениях приложения нагрузки. Впоследствии зоны образования трещин смещались к опорам. Наклонные трещины и трещины по нормальному сечению в балках с комбинированным армированием под внешними силами развивались с одинаковой скоростью до самых последних этапов, когда формировалась область разрушения в центральных сечениях.

Проведённые испытания показали, что все опытные балки разрушились по нормальным сечениям по первому случаю

разрушения. Нагрузка при появлении первой трещины для балок «Б-К» на 17,7% выше, чем для «Б-С», а предельная нагрузка для балок «Б-К» на 15,0% выше, чем для «Б-С». Результаты испытаний бетонных балок со стальной и стеклокомпозитной арматурой показывают, что нагрузка при появлении первых трещин: для «БС» - 25,5 кН, для «БК» - 31,7 кН (в 1,18 раза выше, чем для «Б-С»). Предельная нагрузка при этом: для «Б-С» - 59,6 кН, для «Б-К» - 68,5 кН. Таким образом, несущая способность балок «Б-К» выше, чем «БС». Началом разрушения балок серии «Б-С» послужило достижение во всей стальной растянутой арматуре своих предельных деформаций. Окончательное разрушение наблюдалось в зоне чистого изгиба.

Максимальные напряжения, установленные в испытаниях на растяжение образцов арматуры стеклокомпозитной, реализуются при изгибе балок на стадии разрушения. При этом усилие растяжения в арматуре значительно превышает усилие сжатия в бетоне.

В таблице 5 представлены результаты испытаний на кратковременное действие изгибающих моментов для балок из обычного мелкозернистого бетона, армированного стальной арматурой А400 («Б-С») и балок из базальтофибробетона («Б-К»), армированного стеклокомпозитной арматурой.

Сопоставление нагрузок предельных состояний из сводной таблицы по результатам испытаний показывает, что нагрузка первого предельного состояния существенно превышает значения второго предельного состояния.

В настоящее время разработан Свод правил по расчёту бетонных конструкций с комбинированным армированием. Однако необходимо продолжать испытания на длительное действие изгибающих моментов с различными коэффициентами армирования без предварительного напряжения и с предварительным напряжением с различными коэффициентами нагрузки.

Литература

1. Степанова, В.Ф. Арматура композитная полимерная / В.Ф. Степанова, А.Ю. Степанов, Е.П. Жирков. - М, 2013. - 200 с.

2. Арматура неметаллическая // Стройиндустрия и промышленность строительных материалов: энциклопедия / Гл.ред. К.В. Михайлов. - М.: Стройиздат, 1996 - 296 с.

3. Степанова, В.Ф. Перспективы применения композитов в производстве бетона и железобетона // Технологии бетонов. - 2015. - № 9-10. - С. 8-9.

4. Степанова, В.Ф. Гибридная композитная арматура с повышенным модулем упругости / В.Ф. Степанова, Д.А. Ильин, А.В. Бучкин // Естественные и технические науки. - 2014. - № 9-10. - С. 435-437.

5. Руководство по проектированию и строительству сооружений из конструктивного бетона, армированного стержнями FRP // ACI - Американский институт бетона: ISBN 978-1-942727-10-1-03-2015.

6. ГОСТ 31938-2012. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия. - М.: Стандартинформ, 2013.

7. ГОСТ 32486-2013. Арматура полимерная композитная для армирования бетонных конструкций. Методы определения структурных и термомеханических характеристик - М.: Стандартинформ, 2015.

8. ГОСТ 32487-2013. Арматура полимерная композитная для армирования бетонных конструкций. Методы определения характеристик стойкости к агрессивным средам - М.: Стандартинформ, 2015.

9. ГОСТ 32492-2013. Арматура полимерная композитная для армирования бетонных конструкций. Методы определения физико-механических характеристик - М.: Стандартинформ, 2015.

10. Бучкин, А.В. Нормирование прочностных характеристик композитной арматуры / А.В. Бучкин // Актуальные вопросы теории и практики применения композитной арматуры в строительстве: Сборник трудов 3-й научно-практической конференции. 24.11.2016, Ижевск. - Ижевск: Проект, 2017.

11. Бучкин, А.В. Мелкозернистый бетон высокой коррозионной стойкости, армированный тонким базальтовым волокном / А.В. Бучкин; НИИЖБ // Диссертационная работа на соискание учёной степени канд. техн. наук. - М., 2011.

12. Римшин, В.И. О нормировании характеристик стержневой неметаллической композитной арматуры / В.И. Римшин, С.И. Меркулов // Промышленное и гражданское строительство. - 2016. - №5. - С. 22-26.

13. Степанов, А.Ю. Напряжённо-деформированное состояние конструкций зданий и сооружений армированных композитной полимерной арматурой при сейсмическом воздействии / А.Ю. Степанов, В.И. Римшин // Строительство и реконструкция. - 2015. - № 1 (57). - С. 57-61.

14. Кустикова, Ю.О. Напряжённо-деформированное состояние базальтопластиковой арматуры в железобетонных конструкциях / Ю.О. Кустикова, В.И. Римшин // Промышленное и гражданское строительство. - 2014. - № 6. - С. 6-9.

15. Кустикова, Ю.О. Практические рекомендации и технико-экономическое обоснование применения композитной арматуры в железобетонных конструкциях зданий и сооружений / Ю.О. Кустикова, В.И. Римшин, Л.И. Шубин // Жилищное строительство. - 2014. - № 7. - С. 14-18.

16. Римшин, В.И. Элементы теории развития бетонных конструкций с неметаллической композитной арматурой / В.И. Римшин, С.И. Меркулов // Промышленное и гражданское строительство. - 2015. - № 5. - С. 38-42.

Literatura

1. Stepanova V.F. Armatura kompozitnaya polimernaya / V.F. Stepanova, A.Yu. Stepanov, E.P. Zhirkov. - M, 2013. - 200 s.

2. Armatura nemetallicheskaya // Strojindustriya i promy-shlennost' stroitel'nyh materialov: entsiklopediya / Gl.red. K.V. Mihajlov. - M.: Strojizdat, 1996 - 296 s.

3. Stepanova V.F. Perspektivy primeneniya kompozitov v proizvodstve betona i zhelezobetona // Tehnologii betonov. - 2015. - № 9-10. - S. 8-9.

4. Stepanova V.F. Gibridnaya kompozitnaya armatura s povyshennym modulem uprugosti / V.F. Stepanova, D.A. IL'in, A.V. Buchkin // Estestvennye i tehnicheskie nauki. - 2014. - № 9-10. - S. 435-437.

5. Rukovodstvo po proektirovaniyu i stroiteL'stvu sooruzhenij iz konstruktivnogo betona, armirovannogo sterzhnyami FRP // ACI - Amerikanskij institut betona: ISBN 978-1-942727-10-103-2015.

6. GOST 31938-2012. Armatura kompozitnaya polimernaya dLya armirovaniya betonnyh konstruktsij. Obshhie tehnicheskie usLoviya. - M.: Standartinform, 2013.

7. GOST 32486-2013. Armatura polimernaya kompozitnaya dLya armirovaniya betonnyh konstruktsij. Metody opredeLeniya strukturnyh i termomehanicheskih harakteristik - M.: Standartinform, 2015.

8. GOST 32487-2013. Armatura poLimernaya kompozitnaya dLya armirovaniya betonnyh konstruktsij. Metody opredeLeniya harakteristik stojkosti k agressivnym sredam - M.: Standartinform, 2015.

9. GOST 32492-2013. Armatura poLimernaya kompozitnaya dLya armirovaniya betonnyh konstruktsij. Metody opredeLeniya fiziko-mehanicheskih harakteristik - M.: Standartinform, 2015.

10. Buchkin A.V. Normirovanie prochnostnyh harakteristik kompozitnoj armatury / A.V. Buchkin // AktuaL'nye voprosy teorii i praktiki primeneniya kompozitnoj armatury v stroiteL'stve: Sbornik trudov 3-j nauchno-prakticheskoj konferentsii. 24.11.2016, Izhevsk. - Izhevsk: Proekt, 2017.

11. Buchkin A.V. MeLkozernistyj beton vysokoj korrozionnoj stojkosti, armirovannyj tonkim bazaL'tovym voLoknom / A.V. Buchkin; NIIZHB // Dissertatsionnaya rabota na soiskanie uchenoj stepeni kand. tehn. Nauk. - M., 2011.

12. Rimshin V.I. O normirovanii harakteristik sterzhnevoj nemetaLLicheskoj kompozitnoj armatury / V.I. Rimshin, S.I. MerkuLov // PromyshLennoe i grazhdanskoe stroiteL'stvo. - 2016. - №5. -S. 22-26.

13. Stepanov A.Yu. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie konstruktsij zdanij i sooruzhenij armirovannyh kompozitnoj poLimernoj armaturoj pri sejsmicheskom vozdejstvii / A.Yu. Stepanov, V.I. Rimshin // StroiteL'stvo i rekonstruktsiya. - 2015. - № 1 (57). - S. 57-61.

14. Kustikova Yu.O. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie bazaL'topLastikovoj armatury v zheLezobetonnyh konstruktsiyah / Yu.O. Kustikova, V.I. Rimshin // PromyshLennoe i grazhdanskoe stroiteL'stvo. - 2014. - № 6. - S. 6-9.

15. Kustikova Yu.O. Prakticheskie rekomendatsii i tehniko-ekonomicheskoe obosnovanie primeneniya kompozitnoj armatury v zheLezobetonnyh konstruktsiyah zdanij i sooruzhenij / Yu.O. Kustikova, V.I. Rimshin, L.I. Shubin // ZhiLishhnoe stroiteL'stvo. - 2014. - № 7. - S. 14-18.

16. Rimshin V.I. ELementy teorii razvitiya betonnyh konstruktsij s nemetaLLicheskoj kompozitnoj armaturoj / V.I. Rimshin, S.I. MerkuLov // PromyshLennoe i grazhdanskoe stroiteL'stvo. - 2015. - № 5. - S. 38-42.