Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса и задачи исследования 10
ГЛАВА 2. Исследование напряженно-деформированного состояния металлической и композитной арматуры в бетоне 21
2.1. Основные характеристики механических свойств металлической арматуры 21
2.2. Основные физико-механические свойства композитной арматуры и их сравнительные характеристики с металлической 30
2.3. Анализ коррозии арматуры 32
2.4. Выводы по главе 2 45
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования бетонных полупромышленных балок-перемычек, армированных базальтопластиковыми стержнями на изгиб 47
3.1. Методика проведения испытаний 47
3.2. Испытание базальтопластиковых стержней на прочность при растяжении 52
3.3. Инженерный расчет балок, армированных металлической арматурой 4Вр-1, 06 А-П (А240) и базальтопластиковой арматурой 06,5мм 56
3.4. Исследования и испытание экспериментальных малых балок на изгиб. 73
3.5. Результаты исследования по определению величины сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном 77
3.6. Испытание арматурных стержней из базальтопластика на сплющивание при сжатии 90
3.7. Исследования и испытания балок - перемычек размерами 0,12x0,22x1,2м на изгиб 93
3.8. Теоретические основы активации поверхности базальтопластиковой арматуры и других материалов на основе полимерных составляющих ... 122
3.9. Практические рекомендации по проектированию и конструированию сечений с базальтопластивой арматурой 126
3.10. Технико-экономическое обоснования применения базальтопластиковой арматуры в бетонных конструкциях зданий и сооружений 128
3.11. Выводы по главе 3 135
ГЛАВА 4. Теоретические исследования по определению величины сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном 137
4.1. Выводы по главе 4 151
Основные результаты и выводы 152
Библиографический список 154
- Основные физико-механические свойства композитной арматуры и их сравнительные характеристики с металлической
- Анализ коррозии арматуры
- Испытание базальтопластиковых стержней на прочность при растяжении
- Теоретические основы активации поверхности базальтопластиковой арматуры и других материалов на основе полимерных составляющих
Основные физико-механические свойства композитной арматуры и их сравнительные характеристики с металлической
В последние годы остро обозначилась проблема восстановления эксплуатационных параметров железобетонных конструкций, поврежденных в результате силовых и средовых воздействий природных, техногенных аварий и катастроф строительных зданий и сооружений. Эксплуатация железобетонных конструкций в условиях агрессивных сред, температурных и климатических воздействий, а также изменения технологии эксплуатации и увеличение в результате реконструкции полезных нагрузок приводят к уменьшению сроков службы объектов, к увеличению объемов работ по восстановлению и усилению железобетонных конструкций.
При этом метод расчета выбирается с учетом кратковременного и длительного действия сочетания нагрузок, необходимостью учета предыстории работы конструкций, пластических деформаций усадки и нелинейных свойств деформирования материала.
Следует отметить основополагающие результаты в направлении совершенствования физических моделей силового сопротивления железобетонных конструкций подверженных силовым и средовым воздействиям полученные в работах Н.Х. Арутюняна, СВ. Александровского, В.М. Бондаренко, В.Н. Байкова, А.А. Гвоздева, Г.А. Гениева, А.С. Залесова, Ю.В. Зайцева, Н.И. Карпенко, В.И. Колчунова, В.И. Мурашова, Н.Н. Попова, Р.С. Санжаровского, В.П. Селяева, В.И. Травуша, В.П. Чиркова, В.С. Федорова и других.
Понятие конструктивной безопасности и обозначение основных факторов, определяющих ее были сформулированы Ю.Н. Роботновым и В.М. Бондаренко, которым принадлежит идея учета предыстории работы конструкций, что позволило реально оценить в последствии их конструктивную безопасность.
В последствии учеными В.В. Болотиным, О.Д. Астафьевым, В.Д. Райзером, В.И. Римшиным, Н.В. Клюевой, Е.А. Король, СИ. Меркуловым, СМ. Скоробогатовым, А.Г. Тамразяном, развиты и дополнены вопросы за проектных воздействий, вызванных чрезвычайными ситуациями с учетом эволюционного накопления силовых и средовых повреждений.
Известно, что усиление железобетонных конструкций на практике осуществляется двумя основными способами: изменением расчетной конструктивной схемы здания или сооружения позволяющее перераспределить расчетные нагрузки и усилия в элементах или конструкциях; установкой дополнительной арматуры и укрепляющих элементов и их обетонированием, что приводит к увеличению сечения строительных конструкций, а, следовательно, и их массы. Достаточно широко используется и способ внешнего армирования железобетонных конструкций, предусматривавший установку дополнительной арматуры вне их сечения. В качестве армирующих элементов используются стальные стержни или листы (пластины), а также преднапряженные канаты [109]. Способ внешнего армирования стал успешно применяться при восстановлении и усилении железобетонных конструкций, в особенности после освоения технологии приклеивания стальных пластин к поверхности железобетонных элементов эффективными эпоксидными адгезивами. Присоединенные стальные пластины дополняли роль существующей внутренней арматуры и обеспечивали снижение в последней напряжений до расчетного уровня. Одновременно повышалась жесткость конструкций и их трещиностойкость [162].
Внешнее армирование при ремонте и усилении имеет необходимую расчетно-нормативную базу, является признанным и достаточно широко распространенным в строительной практике. Этот способ обладает рядом технологических преимуществ по сравнению с традиционно применяемыми технологиями ремонта и усиления [181,182].
В последние годы способ внешнего армирования находит большее использование для дальнейшего развития. Это связано с началом применения в качестве армирующих элементов новых высокоэффективных композиционных материалов на основе специальных стекло -, арамидных и углеродных волокон.
Углеродные волокна обладают исключительными физико-механическими характеристиками (высокой прочностью на растяжение и сжатие и модулем упругости, близким к стали), а также стойкостью в различных агрессивных средах. Арамидные волокна имеют недостаточную прочность на сжатие, а стеклянные волокна относительно низкий модуль упругости. Недостаточная прочность на сжатие арамидных волокон ограничивает их применение только в растянутой зоне конструкций, а их использование для усиления сжатой зоны и наклонных сечений становится неэффективным [95,182].
Значительную роль в расчетах при усилении конструкций, играет модуль упругости волокон, поэтому только жесткие элементы внешнего армирования могут уменьшить напряжения в существующей арматуре. Элементы внешнего усиления из стеклянных или арамидных волокон должны быть в несколько раз толще, чем из углеродных из-за относительно низкого их модуля упругости [182]. При применении толстых пластин возникает проблема обеспечения совместной работы усиливающих композитных накладок с бетоном конструкции из-за возникновения больших касательных напряжений на границе бетон- композит и опасности хрупкого разрушения от сдвига.
Анализ коррозии арматуры
В предыдущих разделах работы приведены данные исследований о поведении базальтопластиковой арматуры в бетоне. Считается, что существенным фактором, определяющим, несущую способность и долговечность бетонной конструкции с базальтопластиковой арматурой является ее сцепление (тсц) с бетоном. Поэтому более 90% бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых, в реальных условиях подвергнуты изгибу, внецентренному сжатию или растяжению, то возникают растянутые зоны, где величина сцепления арматуры с бетоном играет важнейшую роль. В связи с этим, необходимо изучить НДС балок при их изгибе. Для исследования поведения НДС бетонных конструкций с базальтопластиковой арматурой в условиях производства, по этапно, изготавливались малые балки размерами 0,06х0,12х0,4м с арматурой из базальтопластика 06,5мм и контрольные балки, с арматурой из металла класса А-П(А300) 06мм, А-ІЩА400) 08мм.
В условиях ООО завода ЖБИ г. Хасавюрт (Республика Дагестан) для исследования несущей способности балок (с базальтопластиковой арматурой) были изготовлены:
Для определения прочности бетона балок были изготовлены стандартные кубики (10х1 0х 10см) следующего состава: цемент, песок, щебень в пропорциях 1 : 2 : 3 с В/Ц = 0,5: щебень был просеян, через стандартные сита, по фракциям 5-Ю. Цемент (М500) Новороссийского завода [31]. Этим же составом заполнялись все формы, для исключения, возможности расхождения свойств бетона исследуемых образцов. Всего было изготовлено 10 малых балок 0,06х0,12х0,4м и 3 куба 10х10х10см.
Каждая форма с бетоном подвергалась уплотнению на вибростоле следующим образом: наполовину наполненная форма подвергалась начальной вибрации.
Все формы-балки изготавливались единовременно: формы с базальтовыми стержнями 06,5мм - 9шт и формы с металлической арматурой (разных диаметров) - три образца с арматурой 06 A-I (А240) гладкого профиля и 3 образца с арматурой периодического профиля 08 А-П (А300). После изготовления второй партии балок с базальтопластиковой арматурой, перед испытанием их на выдергиванием из бетона, на них, с шагом 5см, наматывалась отожженная проволока (01мм, предполагая, что это позволит увеличить связь стержней с зажимными устройствами (захватами)пресса. Однако, как выяснилось, в этом нет необходимости, так-так сцепление базальтопластиковых стержней с бетоном оказалось очень высокой. Практически, обычным способом, выдернуть стержни из кубов так и не удавалась, происходит их разрыв до выдергивания.
Одновременно из такого же состава бетона изготавливались и стандартные кубы (10/10/10см) с заделанными в них, на глубину 6 см, со базальтопластиковыми и металлическими стержнями для определения величины сцепления их с бетоном (рис.3 26). Все изготовленные образцы, после двухчасовой предварительной выдержки, пропаривались по циклу 2+4+6+3. Затем, формы с образцами распалубливались (рис.3.26, 3.27). Ниже приводится сравнительно-теоретический расчет балок, армированных металлической и базальтопластиковой арматурой. Рисунок 3.26 Общий вид опалубки, с установленными базальтопластиковыми
Общий вид малых балок Рисунок 3.28 Часть изготовленных образцов, вместе с кубиками для определения сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном
На рисунке 3.18-3.19 достаточно четко видно, что базальтопластиковая арматура имеет достаточно высокую величину сцепления с бетоном, не удалось их выдернуть, в каждом случае происходил обрыв стержней, тогда как металлические стержни 06A-I (А240), 08A-П (А300) периодического профиля выдергивались соответственно при напряжениях тсц 20кг/см2 и 44кг/см2. Графические зависимости, приведенные на рис. 3.20 -3.25 построены на основе данных единовременных измерений параметров: «время»; «нагрузка»; «прогиб». Результаты исследований и испытаний позволяют судить, что базальтопластиковая арматура работает с бетоном эффективно и, можно полагать о реальной возможной замене металлической арматуры в конструкциях на базальтопластиковую.
В целом анализ результатов испытаний малых балок позволяет сделать следующие выводы: характер разрушения балок с металлической арматурой 06 A-I (А240), 08 A-П (А300) происходит по классической схеме; характер разрушения балок с базальтопластиковой арматурой не типичен по сравнению с известным характером разрушения железобетонных конструкций, при этом происходит выдавливание защитного слоя, практически не наблюдается возникновение трещин; несущая способность балок с базальтопластиковой арматурой 06,5мм на 50-70% выше несущей способности балок с арматурой 06 A-I (А240). Результаты исследования по определению величины сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном.
Установлено, что несущая способность и долговечность бетонных конструкций с металлической или другой арматурой зависят в основном от величины сцепления их с бетоном. Приведенные рис.2.4-2.15 позволяют оценить влияние внешних факторов на кинетику коррозии металлических стержней в железобетонных конструкциях, которые приводят к потере сцепления ее с бетоном и, тем самым, потере несущей способности как отдельных конструкций, так и, зданий и сооружений в целом.
Одной из основных проблем, при использовании базальтопластиковых стержней в бетонных конструкциях, является сцепления арматуры с бетоном и, в конечном итоге - обеспечение высокой несущей способности конструкции. Определение экспериментальной величины сцепления базальтопластиковой арматуры в лабораторных условиях для базальтопластиковых стержней оказалось достаточно непростой задачей.
Предварительные исследования показали, что при испытании стержней на разрыв, обнаруживается соскальзывание их внешней оболочки (слой эпоксидной пленки с винтовой оболочкой). Возникла необходимость, для определения тсц использовать более современные методики испытаний.
Испытание базальтопластиковых стержней на прочность при растяжении
Экспериментальные исследования выявили значительное превышение величины сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном над аналогичным параметром металлической арматуры.
Механизм сцепления арматуры из базальтопластика с бетоном достаточно сложен и, в частности, его анализ затрудняется из-за структуры базальтопластиковой арматуры.
Это обстоятельство вместе с необходимостью теоретического осмысления и обоснования механизма сцепления требует привлечения подходов механики разрушения и соответствующих физических и математических моделей.
Ранние исследования показали, что модуль упругости стержней из кГ базальтопластиковой арматуры (Есш«2-104—-)ниже модуля упругости см кГ бетона ( «2-Ю5 —-), что позволяет ей легко деформироваться от усилий, см возникающих при объемной усадке бетона, что приводит соответственно увеличению величины сцепления.
Таким образом, у базальтопластиковой арматуры проявляются совместимые с усадкой бетона, деформативные свойства.
На наш взгляд перспективны теоретические подходы, развиваемые для нахождения достоверных оценок параметра тсц на основе известных зависимостей с привлечением дополнительных механических представлений.
В этом аспекте представляется полезным детальное рассмотрение воздействия бетона на арматуру в процессе его усадки с учетом рельефа поверхности базальтопластиковой арматуры. 138 Относительная величина обжатия 8обж.от объемной усадки бетона известна и полагается, что 8обж 3 ЮЛш/м.
Таким образом, имея экспериментальные данные и, поэтапно определяя соответствующие величины (с учетом рис.4.1.), можно рассчитать для каждого конкретного сечения, с учетом технологических особенностей ее изготовления, величину тсц общую для базальтопластиковой арматуры. Целесообразно эту проблему решить с использованием математического аппарата. Ряд исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) оболочек с различными характеристиками сечений, нагрузок и материала рассмотрены в [1,17,30]. Однако большинство существующих математических выкладок для представления НДС достаточно сложны для их прикладного применения.
Вопросы сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном в теоретическом плане мало исследованы и изучены, находятся на стадии развития.
Работа базальтопластиковой арматуры с бетоном существенным образом отличается от поведения стальной арматуры в бетоне. В первую очередь это связано с тем, что в отличие от стальной арматуры базальтопластиковая арматура при обжатии бетоном значительно деформируется в поперечном направлении, что существенным образом влияет на её сцепление с бетоном. Сечение базальтопластиковой арматуры можно представить как внешняя тонкостенная цилиндрическая оболочка, заполненная продольно расположенными базальтовыми нитями. Стенка оболочки представляет собой композицию, состоящую из продольных базальтовых нитей со связующим из полимерного материала на основе эпоксидных смол. N выдергивающая
Экспериментальные исследования показывают, что при работе базальтопластиковой арматуры в начале подвергается растяжению до определенных пределов оболочки арматуры, а в дальнейшем в работу вступает внутренние продольно расположенные нити. При работе арматуры в бетоне возникают поверхностные касательные напряжения т1(н/м2) и касательные погонные усилия вдоль винтового подкрепления т2(н/м). Проектируя все силу на направление оси арматуры, получим следующее выражение (рис.4.5.): NB=2TIRH- T!+2TIR n sin(a)- т2, (4.46) где Н - глубина внедрения стержня в бетон (рис.4.5), n- число витков винтового подкрепления, a - угол подъёма винтовой линии.
Значения касательного напряжения х\ и погонного усилия т2 зависят от многих факторов. Для их определения необходимо провести экспериментальные исследования. С этой целью были проведены ряд экспериментальных исследований.
В каждом из указанных методов для проведения расчетов по определению тсц необходимо знать величину влияния каждой из составляющих базальтопластиковой арматуры на величину тсц (стеклопластиковой винтовой нити, эпоксидного слоя, базальтопластиковых стержней).
Для определения влияния каждой из этих величин были изготовлены кубики 10х10х10см с внедренными в них на разные глубины (4 - 8см) базальтопластиковой арматуры (диаметром 6,5 и 8мм) в целостном состоянии (вместе с облицовочным внешним эпоксидным слоем со свитым по спирали стекловолокнистой ниткой и внутренним базальтопластиковым слоем).
Для определения влияния облицовочного эпоксидного слоя со свитой, в виде спирали, стекловолокном в части стержней, этот слой искусственно был снят (сохранился тончайший слой эпоксидного слоя), а в части стержней был снят и этот облицовочный слой до полного обнажения базальтовых волокон.
Теоретические основы активации поверхности базальтопластиковой арматуры и других материалов на основе полимерных составляющих
В [77,79,81,85] приведены данные исследований автора. Анализ полученных данных показывает, что несущая способность балок с базальтопластиковой арматурой 06,5мм почти в 2 раза выше несущей способности балок с металлической арматурой 06мм (Р соответственно: 40,6; 22,3). В то же время, несущая способность балок с базальтовой арматурой 06,5мм ниже несущей способности балок с металлической арматурой периодического профиля 08А-П (А300) примерно на 15 - 20%. Очевидно эта разница в несущей способности между данными обеих серий можно объяснить во-первых тем, что металлические стержни имеют 08мм площадь сечения Б=0,503CM2, тогда как площадь сечения базальтопластиковых стержней равна Б=0,333CM2; во-вторых - у металлической арматуры периодического профиля, за счет выступа ребер величина сцепления ее с бетоном выше. Базальтопластиковые арматурные стержни имеют один виток, намотанной нити из стекловолокна шагом 10мм и величиной выступа примерно 1,5мм, в то же время, у металлических стержней периодического профиля шаг ребер составляет 5мм; величина выступа - 2мм. Таким образом, если в базальтопластиковых стержнях уменьшить шаг до 5мм, и высоту выступа довести до 2мм, то величина ее сцепления, с бетоном, увеличиться более чем в два раза.
В связи с тем, что ни в одном случае испытаний не наблюдался разрыв стержней, а наблюдалась только одна форма разрушения в виде наклонного среза бетона от места приложения нагрузки Р к опорам, бетон работал только на срез, тем самым основную нагрузку воспринимают на себя базальтопластиковые стержни. Оценка НДС балок позволяет судить, что базальтопластиковые стержни работают, по всей длине и сечению при этом создавая объемно напряженное состояние конструкции. При этом можно ввести понятие - усредненные
Отсюда можно сделать вывод, что базальтопластиковые стержни работают значительно эффективнее, чем металлические стержни.
Характер разрушения балок-перемычек с базальтопластиковой арматурой в принципе совпадает с характером разрушений малых балок.
Наиболее существенным является то, что в малых балках и в перемычках со стержнями из базальтопластиковой арматуры не возникают нормальные трещины, что говорит о новом характере напряженно-деформированном состоянии (НДС) сечения.
Что же касается характера разрушения контрольных перемычек, то они разрушаются по классической схеме - разрушение происходит по нормальным сечениям с полным обрывом стержней растянутой зоны.
Автором ставится задача реализации оценочных исследований с целью определения сечений конструкций с базальтопластиковой арматурой, которые могут заменить по несущей способности конструкции с металлической арматурой.
По данным исследований установлено, что стержни из базальтопластиковой арматуры - 2 стержня 06,5мм вполне могут заменить 4 стержня 08 A-I (А240), причем их несущая способность почти в 2 раза выше несущей способности сечений с арматурой 04 A-I (А240). Анализ данных (табл. 3.19 - 3.32), полученных при испытании на изгиб перемычек позволяет сделать следующие выводы: все перемычки с базальтопластиковой арматурой имеют несущую способность от 1,5 до трех и более раз выше несущей способности перемычек с металлической арматурой 04 Вр-I; увеличение количества арматурных стержней в сечении из базальтопластиковой арматуры незначительно влияет на несущую способность перемычек; Например, несущая способность балки -перемычки с тремя стержнями 06,5мм из базальпластиковой арматуры в три раза, больше чем 404 Вр-I (соответственно 6725 и 2000кг), а с 206,5мм чем 404 Вр-I 2,5 раз (соответственно 5375 и 2000 кг). Эти явления можно объяснить тем, что базальтопластиковая арматура имеет модуль упругости, близкий к модулю упругости бетона, чем модуль упругости металлической арматуры. Базальтопластиковая арматура более чувствительна и легко реагирует на усадку бетона, тогда как металлическая арматура, в принципе, не реагирует на усадку и, поэтому, величина сцепления ее с бетоном очень низкая.
Эксперименты по исследованию малых балок и балок перемычек с базальтопластиковой арматурой подтвердили теоретические предпосылки.
В то же время, часть экспериментов при выдергивании базальтопластиковой арматуры из бетона показала, что основную нагрузку несет на себе внешний эпоксидный слой со стекловолокнистой винтовой арматурой. Практически, во многих случаях, при их выдергивании, происходил отрыв внешнего слоя и скольжение его по отношению внутреннего слоя из базальтовых волокон, тем самым не используется резерв высокопрочных базальтовых ниток.
Похожие диссертации на Напряженно-деформированное состояние сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном
