К вопросу о деформативности балок из тяжелого бетона, армированных стеклопластиковой и комбинированной арматурой

Аннотация

П.П.Польской, Мерват Хишмах, Михуб Ахмад

В статье рассматриваются вопросы связанные с влиянием на деформативность железобетонных балок из тяжелого бетона в которых стальная арматура заменена на стеклопластиковую или комбинированную. Последнее весьма важно, так как действующие нормы не учитывают повышенную прочность композитной арматуры при ее более низком по сравнению со стальной арматурой модуле упругости.

Ключевые слова: Бетон, железобетон, прочность, деформативность, сталь, стеклопластиковая арматура, композит, модуль упругости, прогиб

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

В ростовском государственном строительном университете во исполнение программы [1], опубликованной в настоящем журнале начато исследование изгибаемых элементов из тяжелого бетона армированных стальной, композитной и комбинированной арматурой. На первом этапе исследуются несущая способность нормальных сечений балок, а также их деформативность и ширина раскрытия нормальных трещин при различных сочетанях стального и композитного армирования.

В настоящей статье приводятся первые результаты испытания по прочности опытных образцов, в которых стальная, стеклопластиковая либо комбинированная рабочая арматура расположена в один ряд. При этом балки, армированные только стальной арматурой, приняты эталонными.

Опытные образцы были изготовлены из тяжелого бетона класса В30. В качестве крупного заполнителя использовался щебень из плотного известняка фракции 10-25, а мелкого – кварцевый песок. Использовался цемент марки 500 Новороссийского завода "Пролетарий".   Бетон приготавливался в лабораторной бетономешалке объемом 250 литров, а укладка в металлические формы – с использованием глубинного вибратора. Одновременно с балками для контроля качества бетона изготавливались стандартные кубы с ребром 150 мм. Твердение бетона происходило в естественных условиях в закрытом полуподвальном помещении лаборатории кафедры ЖБК РГСУ при температуре 18-27⁰ С.

Все опытные образцы (по 3 в каждой из 4-х серий) имели одинаковые длину -200 см и прямоугольную форму сечения с размерами 125×250 мм. Монтажная арматура всех опытных балок состояла из 2 ϕ 6,5 В500. Поперечная арматура была представлена вязаными двухсрезными хомутами из проволоки того же диаметра и класса и  располагалась с шагом 100 мм по всей расчетной длине балок.

Рабочая стальная арматура для эталонных балок ( серия I ) выполнена из трех стержней диаметром 12 мм класса А600. Балки второй серии приняты с арматуры  аналогичного диаметра но из стержневой стеклопластиковой арматуры, условно названной ССПА, прочностью 1200 МПа. Сокращенное название указанной арматуры по западной терминологии – GFRP. Балки с комбинированным армированием состояли из 2 ϕ 12А600 и 1 ϕ 12ССПА-1200 (серия III ) либо 1 ϕ 12А600 и 2 ϕ 12ССПА-1200 (серия IV ).

Опытные образцы с расчетным пролетом 160 см испытывались по расчетной схеме однопролетной балки и загружались двумя сосредоточенными силами, расположенными в третях пролета. Все балки испытывались в возрасте 10-11 месяцев до разрущения ступенчато- возрастающей нагрузкой с выдержкой на каждом этапе загружения по 10-15минут. Интенсивность нагрузки на первых трех этапах - до появления трещин и сразу после них, составляла 4 КН, а последующих- 8 и 16 КН, что равно приблизительно 1/20 и 1/10 величены разрушающей нагрузки. Контроль за величиной нагрузки осуществлялся по индикатору часового типа, установленном на образцовом динамометре с усилием 500КН. Деформации сжатой грани бетона в зоне чистого изгиба и рабочей арматуры замерялись с помощью тензорезисторов с базой 50 и 10 мм соответсвенно. Последние наклеивались на продольные ребра рабочей арматуры. Изменение деформаций фиксировалось при помощи автоматического измерителя деформаций.

Результаты проведенных испытаний, их первичная обработка при прямом сопоставлении, а также отдельные характеристики материалов приведены в табл.1.

Проведенные испытания показали, что все опытные балки разрушились по нормальным сечениям вследствие дробления бетона сжатой зоны . Причиной этому в балках I и III серий послужило достижение во всей стальной растянутой арматуры своих предельных деформаций. Причиной разрушения балок II и III серий, у которых стальная арматура отсутствовала, либо составляла одну треть от её суммарной площади, явились чрезмерные прогибы опытных образцов, значительно превывающие деформации эталонных балок.

Таблица 1

Результаты испытания опытных балок армированных стальной, стеклопластиковой и комбинированной рабочей арматурой

Примечание:  пролёт среза балок при определинии опытных моментов равен 0,533 м., что соответствует 1/3 пролёта балок.          

Таблица 2

Распределение относительных деформаций в бетоне и арматуре.

        Примечание: Относительные деформации в сжатой зоне бетона превысили средние   деформации  ε_b = 2∙10^-3

Характер изменения относительных деформаций сжатого бетона и рабочей арматуры также находился в зависимости от вида рабочей арматуры. Максимальные значения этих деформаций, на этапе предществующем разрущению, приведены в табл.2.

Прямое сопоставление опытных данных ( табл.1) показывает, что вид несущей арматуры существенно влияет на несущую способность нормальных сечений. А именно,предельная прочность балок армированных стеклопластиковой арматурой , которая в наших опытах в два раза прочнее стальной , в среднем на 20% ниже по сравнению с эталонными железобетонными балками.

Несущая способность балок, имеющих комбинированное армирование, зависит от процента стального армирования . Балки, имеющие один или два композитных стержня, показали предельную прочность соответственно на 13 и 22% ниже. Однако без учета предельно допустимых прогибов балок , сопоставление предельных значений прочности не совсем корректно, т.к. стеклопластиковая арматура имеет низкий модуль упругости. Из–за ограничения объёма статьи, указанное сопоставление выполнено в статье посвящённой деформативности опытных образцов и представлено в настоящем спорнике.

Данные табл.2 свидетельствует о том, что относительные деформации сжатого бетона в балках с композитной стеклопластиковой арматурой (в меньшей степени при комбинированным армированием) выше, по сравнению с эталонными образцами. Эти деформации тем больше, чем меньше несущая способность нормальных сечений балок.

С учетом вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Армирование балок из тяжелого бетона класса В30 стеклопластиковой арматурой, которая по сравнению со сталью в два раза прочнее при значительно меньшим модуле упругости, приводит к снижению несущей способности нормальных сечений изгибаемых элементов.

2. Несущая способность балок с комбинированным армированием снижается при постепенном замещении стальной арматуры на стеклопластиковую. При этом, малое содержание стальной арматуры делает комбинированное армирование менее эффективным по прочности по сравнению с польным композитным армированым.

3. Наличие стеклопластиковой арматуры в нармальном сечении опытных балок приводит к более высокому уравню сжимающих напряжений в крайних волокнах сжатого бетона за счёт увеличения общих деформаций изгибаемых элементов.

4. Для окончательного суждения об эффективности использования стеклопластиковой арматуры, необходимо сопоставить прогибы балок.

Литература

1. П.П. Польской , Д.Р. Маилян  «Композитные материалы - как основа эффективности в строительстве и реконструкции зданий и сооружений» : Эл. журнал «Инженерный вестник дона», №  4,Ростов-на-дону,2012