ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАТИВНОСТИ ПРИ СДВИГЕ КЛЕЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ АРМИРОВАННОГО УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА С ЖЕЛЕЗОБЕТОНОМ

Полезная модель относится к области исследования деформативных свойств клеевого соединения элемента внешнего армирования с поверхностью усиливаемого железобетонного элемента, в частности при использовании в качестве внешнего армирования композитного материала, армированного углеродными волокнами.
Известен образец для испытания композитных материалов на сдвиг (патент СССР на изобретение №1835064, дата публикации 15.08.1993 г.) в виде бруска с расположенными на двух его противоположных гранях двумя V-образными прорезями, угол при вершине которых равен 90, а стенки симметричны относительно плоскости поперечного сечения серединной части. Дополнительно на двух других противоположных гранях образца выполнены симметрично указанной плоскости поперечного сечения две одинаковые прорези, угол при вершине каждой из которых лежит в пределах 60<а<120.
Недостатки известного образца заключаются в ограниченности размеров и формы испытываемого элемента материала, громоздкости и высоких трудозатрат при монтаже, невозможности проведения экспериментальных исследований на сдвиг двух различных материалов.
Наиболее близким к полезной модели техническим решением, принятым за прототип, является опытный образец для испытания на сдвиг (Бадалова Е.Н. Экспериментальные исследования изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных приклеиванием углепластиковых пластин / E.Н. Бадалова // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Прикладные науки. - 2009. - №12. - С. 46-47.), представляющий собой железобетонную конструкцию, работающую на растяжение. Железобетонный блок с приклеенным к его поверхности армированным углеродными волокнами композитным материалом расположен на металлическом стенде с установленным на нем в горизонтальном положении гидравлическим домкратом, при этом свободный конец армированного углеродными волокнами композитного материала неподвижно закреплен на стенде посредством двух металлических пластин, соединенных между собой болтами. Шток поршня гидравлического домкрата упирается в торец железобетонного блока со стороны свободного конца армированного углеродными волокнами композитного материала. Блок располагается на стенде на нескольких металлических цилиндрических катках. Стенд снабжен несколькими П-образными металлическими рамками. На поверхность армированного углеродными волокнами композитного материала приклеено несколько рядов тензометрических датчиков.
С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков прототипа: железобетонная конструкция с приклеенным к ней армированным углеродными волокнами композитным материалом, к поверхности армированного углеродными волокнами композитного материала приклеено несколько рядов тензометрических датчиков.
Недостатки известного прототипа заключаются в отсутствии возможности нагружения гравитационной нагрузкой, сложном визуальном наблюдении за процессами деформирования и разрушения клеевого соединения, низкой точности определения параметров деформирования клеевого соединения вследствие отсутствия возможности исследования напряженно-деформированного состояния поверхности железобетона в виду искажения параметров деформирования клеевого соединения вследствие отсутствия напряженного состояния чистого сдвига, т.к. железобетонный блок прототипа при данной расчетной схеме работает на кручение.
Задача, на решение которой направлен предлагаемый испытательный образец, заключается в повышении точности получаемых значений деформаций клеевого соединения при сдвиге за счет возможности учета разницы деформаций композитного материала и поверхности железобетона.
Это достигается тем, что испытательный образец для определения деформативности при сдвиге клеевого соединения армированного углеродными волокнами композитного материала с железобетоном включает в себя железобетонную конструкцию с приклеенным армированным углеродными волокнами композитным материалом, к поверхности которого приклеено несколько рядов тензометрических датчиков и имеет ряд отличий. В предложенном решении образец представляет собой изгибаемую железобетонную конструкцию, состоящую из двух железобетонных блоков. Имеет дополнительные ряды тензометрических датчиков, приклеенных на поверхность бетона со стороны композитного материала симметрично с рядами тензометрических датчиков, приклеенных на поверхность композитного материала.
Заявителем не обнаружены источники информации, содержащие одинаковую совокупность существенных признаков, указанных в формуле полезной модели, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию полезной модели "новизна".
Полезная модель иллюстрируется чертежом. Испытательный образец представляет собой изгибаемую железобетонную конструкцию высотой Н и длиной L, состоящую из двух железобетонных блоков 1 и 2, опирающихся на шарнирно-неподвижную опору 3 и шарнирно-подвижную опору 4, соответственно. Железобетонные блоки выполнены из бетона класса по прочности не ниже В15 и конструктивно армированы продольной и поперечной арматурой, например класса А240 либо А400. Железобетонные блоки соединены между собой шарнирно, например с помощью металлического шарнира 5. К нижней поверхности железобетонных блоков приклеен армированный углеродными волокнами композитный материал 6 клеевым составом 7, например эпоксидной смолой. На железобетонный блок 1 композитный материал 6 наклеивается с длиной приклеивания L1, на другой железобетонный блок 2-е длиной приклеивания L2 так, чтобы L1≥1.2L2. Со стороны с длиной приклеивания L2 клеевое соединение начинается на расстоянии х от торца блока 2 так, что х≥0.5Н. На противоположном от опор торце железобетонных блока 2 закреплен измеритель деформаций 8, например индикатор часового типа, так, чтобы ось измерителя совпадала с нижней гранью железобетонного блока 1. На композитном материале 6 закреплен идентичный измеритель деформаций 8. На поверхность композитного материала 6 приклеен тензометрический датчик 9. На железобетонный блок 2 наклеено необходимое число i, например 3, поперечных рядов тензометрических датчиков 10. Каждый поперечный ряд тензометрических датчиков расположен на расстоянии x1, х2, …, xi от начала клеевого соединения соответственно. Количество поперечных рядов тензометрических датчиков 10 выбирается исходя из необходимой степени точности построения графика неравномерности относительных деформаций по длине приклеивания композитного материала 6. На каждый тензометрический датчик 10 наклеен фрагмент самоклеящейся ленты. На поверхность композитного материала 6 наклеено несколько рядов тензометрических датчиков 11, парно и симметрично с рядами тензометрических датчиков 10.
Изготавливается испытательный образец следующим образом. Основой образца являются два железобетонных блока 1 и 2 любых размеров, представляющих собой изгибаемую железобетонную конструкцию. Поверхности железобетонных блоков 1 и 2, на которые планируется приклеивание композитного материала необходимо зачистить и обезжирить. Железобетонные блоки 1 и 2 соединяются в верхней зоне с помощью шарнира 5 так, чтобы центр шарнира 5 совпадал с осью верхней продольной арматуры железобетонных блоков 1 и 2. На поверхность железобетонных блоков 1 и 2 в установленных местах приклеиваются ряды тензометрических датчиков 10 по заранее установленной схеме, зависящей от методики исследования. Количество продольных рядов тензометрических датчиков 10 и 11 рекомендуется принимать четным, а их расположение симметричным относительно продольной оси изгибаемой конструкции с целью контроля разницы измеренных деформаций, ведущей к нарушению перпендикулярности плоскости изгиба горизонтали. После этого сверху на датчики приклеиваются небольшие фрагменты самоклеящейся ленты. Контуры фрагментов ленты должны совпадать с контуром тензометрического датчика. После этого по меткам наносим клеевой состав и помещаем на него армирующие углеродные волокна, либо заранее приготовленный слой композитного материала. Разница длин приклеивания L1 и L2 гарантирует то, что клеевое соединение 7 будет разрушаться со стороны длины приклеивания L2, т.е. на железобетонном блоке 2. На поверхность композитного материала 6 необходимо приклеить ряды тензометрических датчиков 11 в тех же местах, где расположены ряды тензометрических датчиков 10. Дополнительно нужно приклеить на поверхность композитного материала 6 тензометрический датчик 9. В установленных местах необходимо закрепить измерители деформаций 8. Испытательный образец необходимо разместить на опорах 3 и 4, в установленных местах поставить распределительные пластины равных размеров под сосредоточенные нагрузки во избежание смятия бетона.
Нагружение испытательного образца ведется двумя равными сосредоточенными силами Р, расположенными на расстоянии Lp друг от друга, перпендикулярно продольной оси железобетонных блоков 1 и 2, опирающихся на опоры 3 и 4. Таким образом, расчетная схема образца соответствует изгибаемой конструкции. Расстояние Lp принимается равным сумме длины распределительной пластины и расстояния между противоположными от опор торцами железобетонных блоков 1 и 2. Сосредоточенные силы Р прилагаются симметрично относительно шарнира 5. Нагружение ведется ступенями с выдержкой не менее 10 минут на каждой ступени. Нижние волокна изгибаемой конструкции испытывают растяжение вследствие возникновения изгибающего момента в поперечном сечении изгибаемой конструкции. Растягивающие усилия на поверхности композитного материала 6, передающиеся через клеевое соединение 7 на поверхность железобетона определяются с помощью стандартных формул строительной механики, исходя из расчетного пролета образца Lo. Тензометрические датчики 10 регистрируют деформации поверхности железобетонного блока 2. Тензометрические датчики 11 регистрируют деформации композитного материала. Расположение рядов тензометрических датчиков на поверхности железобетона и на поверхности композитного материала с соблюдением симметрии позволяет отслеживать разницу относительных деформаций, свидетельствующих о сдвиговых деформациях клеевого соединения в условиях чистого сдвига, что дает более точные значения параметров сдвига клеевого соединения. Устранение связи между тензометрическими датчиками, приклеенными на поверхность железобетона, и армированным углеродными волокнами композитным материалом достигается путем установки на приклеенные к железобетону тензометрические датчики защитного покрытия в виде фрагментов самоклеящейся ленты. Один из измерителей деформаций 8 регистрирует абсолютные деформации зазора между железобетонными блоками 1 и 2. Другой измеритель деформаций 8 регистрирует абсолютные деформации композитного материала на участке между железобетонными блоками 1 и 2. Анализируя разницу показаний измерителей деформаций 8, возможно зафиксировать точку появления сдвиговых деформаций между поверхностью железобетона и композитным материалом. Тензометрический датчик 9 регистрирует относительные деформации композитного материала на участке между железобетонными блоками 1 и 2 и предназначен для определения нормальных напряжений в композитном материале с целью недопущения его разрушения вследствие разрыва. Нормальные напряжения в композитном материале определяются путем умножения относительных деформаций, полученных от тензометрического датчика 9 на модуль упругости композитного материала.
Использование предложенной полезной модели позволит получить решение с возможностью отслеживания разницы деформаций железобетонного блока и композитного материала, приклеенного к его поверхности. Таким образом, предложенное решение позволит повысить точность определения параметров сдвига клеевого соединения. Помимо этого, изменение способа приложения внешней нагрузки к образцу позволяет отказаться от применения домкратов либо иных механизмов, и использовать гравитационную нагрузку, например вес сыпучих или твердых тел.