Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особбености применния композитнойполимерной арматуры в бетонных конструкциях 12
1.1 Арматура композитная полимерная – способ решения проблемы коррозии арматуры в бетоне 12
1.2 Свойства и виды арматуры композитной полимерной 13
1.3 Отечественный и зарубежный опыт применения АКП в бетонных конструкциях 21
1.4 Анализ работ по комбинированным композитным материалам 29
1.5 Цели и задачи исследования 36
ГЛАВА 2. Характеристики исследуемых материалов и методы исследований 37
2.1 Характеристики исследуемых материалов 37
2.2 Методы исследований
2.2.1 Определение геометрических параметров АКП 40
2.2.2 Определение содержания волокна методом сжигания 42
2.2.3 Метод испытания на осевое растяжение образцов АКП 44
2.2.4 Метод испытания на поперечный срез 46
2.2.5 Метод испытания на осевое сжатие 47
2.2.6 Метод определения прочности сцепления стержня АКП с бетоном 48
2.2.7 Метод определения устойчивости к щелочной среде 50
ГЛАВА 3. Технология изготовления и свойства комбинированной композитной арматуры на основе стеклянных и углеродных волокон 53
3.1 Проектирование комбинированной композитной арматуры 53
3.2 Технология изготовления комбинированной композитной арматуры 59
3.3 Исследование геометрических показателей комбинированной композитной з
3.4 Исследование содержания компонентов комбинированной композитной арматуры 66
3.5 Исследование прочностных характеристик комбинированной композитной арматуры 68
3.5.1 Определение прочности и модуля упругости при осевом растяжении комбинированной композитной арматуры 68
3.5.2 Определение прочности при поперечном срезе комбинированной композитной арматуры 78
3.5.3 Определение прочности при осевом сжатии комбинированной композитной арматуры 81
3.6 Исследование совместной работы комбинированной композитной арматуры с бетоном 84
3.6.1 Определение прочности сцепления комбинированной композитной арматуры с бетоном 84
3.6.2 Исследование коррозионной стойкости комбинированной композитной арматуры в щелочной среде бетона 88
Выводы по главе 3 93
ГЛАВА 4. Исследование бетонных конструкций, армированных комбинированной композитной арматурой 95
4.1 Теоретический расчет бетонных балок и методика испытаний 95
4.2 Определение трещинообразования, характера и ширины раскрытия трещин 98
4.3 Определение деформаций бетона при испытании балок на изгиб 104
4.4 Определение прогибов балок при испытании на изгиб 112
4.5 Опытно-промышленное применение комбинированной композитной арматуры в бетонных сваях 117
4.5.1 Бетонные сваи, армированные комбинированной композитной арматурой 117
4.5.2 Расчет себестоимости комбинированной композитной арматуры на основе стеклянных и углеродных волокон 119
4.5.3 Технико-экономическое обоснование применения комбинированной композитной арматуры в бетонных сваях 120
Выводы по главе 4 122
Заключение 123
Список литературы 125
- Свойства и виды арматуры композитной полимерной
- Определение содержания волокна методом сжигания
- Исследование содержания компонентов комбинированной композитной арматуры
- Определение деформаций бетона при испытании балок на изгиб
Свойства и виды арматуры композитной полимерной
Композитные полимерные материалы занимают все более прочные позиции в современном строительстве, выступая альтернативой традиционным конструкционным материалам. В настоящее время мировой объем рынка в секторе полимерных композиционных материалов (ПКМ) приближается к 60 млрд. евро, а общий объем мирового производства ПКМ составляет более 8 млн. тонн. Объем по требления полимерных композитов, конструкций и изделий из них в России по разным оценкам экспертов составляет около 0,5-2 % от общемирового объема потребления полимерных композитов, т.е. фактически находится в рамках статистической погрешности [7].
Особое место среди композитных материалов занимает арматура композитная полимерная (АКП) - это силовой стержень, изготовленный из непрерывного армирующего ровинга и термореактивной смолы. В зарубежных источниках можно встретить определение Fiber reinforced polymer rebar (FRP-rebar).
Практическая возможность создания АКП стало возможным благодаря ускоренному развитию химической промышленности. В ряде стран (СССР, Германия, Япония, США, Нидерланды и др.) в конце 60-х годов ХХ века были начаты научные исследования в области создания композитной полимерной арматуры.
Достигнутые успехи в разработке АКП в СССР являются результаты исследований А.А. Гвоздева, К.В. Михайлова [8], Н.А. Мощанского [9], О.Я. Берга [10], Н.П. Фролова [11-13], Вильдавского Ю.М. [14], Аслановой Л.Г. [15] и др. Авторами разработана технология изготовления стеклопластиковой арматуры методом пултрузии, исследованы разного виды полимеры для производства АКП, изучено влияние агрессивных средах на стеклянные волокна.
На длительный период работы с АКП были приостановлены из-за отсутствия доступного и качественного сырья. Однако, за последние 10-15 лет положение дел изменилось. Появились доступные виды волокон. Возникла потребность в использовании в отдельных областях строительства АКП по следующим причинам: — разрушение бетонных конструкций из-за коррозии стальной арматуры; — необходимость армирования бетонных конструкций в ответственных сооружениях, эксплуатируемых в сильноагрессивных средах; — необходимость обеспечения диамагнитных и диэлектрических свойств некоторых конструкций, зданий и сооружений различного назначения. — ограниченные запасы руд, пригодных для переработки с целью получения стали и легирующих присадок.
Все это привело к возобновлению начатых ранее работ по изучению свойств АКП, усовершенствованию технологий производства, разработке научно-технической документации.
Сегодня линии по производству АКП установлены во многих городах России. В одном московском регионе насчитывается более 30 предприятий по выпуску АКП. На 2014 г российский рынок композитной арматуры оценивался в 850 млн. руб. По прогнозам аналитиков, к концу 2017 году объем рынка АКП достигнет 1,3 млрд руб.
Со стороны государства идет поддержка отрасли композитов. В соответствии с постановлением Правительства РФ №328 от 15 апреля 2014 года была утверждена государственная программа Российской Федерации "Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности", в которой обозначена подпрограмма №14 - Развитие производства композиционных материалов (композитов) и изделий из них [16]. В рамках данной программы разрабатываются нормативные документы на композитную арматуру и бетонные конструкции, армированные АКП.
Исследованием свойств АКП занимаются ученые из многих крупных исследовательских институтов России Степанова В.Ф. [4,17], Хозин В.Г. [18-20], Бучкин А.В. [21-23], Бенин А.В., Семенов С.Г. [24-26], Луговой АН, Савин В.Ф. [27-29].
В КГСАУ под руководством Хозина В.Г. [18-20] ведутся исследования свойства АКП. Проведены испытания по определению прочности сцепления АКП различного профиля с бетоном. Результаты, показывают высокие показатели сцепления АСК с песчаной обсыпкой. Исследованы бетонные конструкции, работающие на упругом основании - дорожные плит, плит под цепные приводы и станки-качалки на нефтепромыслах. В указанных конструкциях стальная арматура была заменена на АКП. По результатам испытаний разработаны рекомендации по применению АКП в сборных бетонных изделиях [30-32]. В ПГУПСе так же проводятся исследования сцепления АКП с бетоном. По мнению авторов, композитная арматура с плоской навивкой имеет улучшенные характеристики сцепления по сравнению со стальной и композитной арматурой с другими типам и рифления. Проведено моделирование процесса выдергивания АСК из бетонного куба [24-26]. На базе ООО «Бийский завод стеклопластиков» авторским коллективом [27-29] проводятся комплексные исследования характеристик АКП. Разработаны методики заводского контроля композитной арматуры. Авторами исследованы показатели долговечности АСК, предложена модель для прогнозирования прочности при воздействии щелочной среды.
В диссертации Халиковой Р.А. [33] разработаны модифицированные гибридные органо-неорганические связующие для базальтокомпозитной арматуры. Модификация углеродными нано-трубками позволяет получить композитную арматуру с механическими характеристиками и щелочестойкости не уступающую аналогам, при повышенной предельной температуре эксплуатации.
В работе Бучкина А.В. [23] представлены результаты статистической обработки результатов испытаний на осевое растяжение 274 образов АСК. Автором показано, что вариация предела прочности АСК не превысила 8 %. Полученные данные свидетельствуют о высокой однородности прочности, испытанной стеклокомпозитной арматуры.
Успешная модификация нано-частицами металлов показана в работах авторов [34]. Достигнуты высокие физико-механические свойства, в том числе после воздействия щелочной среды бетона. Разработки получили промышленное применение на производстве ООО «КомАр» [35].
В ИГПУ особое внимание уделяют исследованиям совместной работы АКП с бетоном, изучено влияние различных видов покрытия на прочность сцепления, рассмотрены предпосылки к верификации моделей напряженно-деформированного состояния в системе «Композитная арматура - Бетон» [36-39]. В работе [40] автор исследовал стеклокомпозитную и базальтокомпозит-ную арматуру на сжатие, проанализированы результаты испытаний и механизмы разрешения образцов.
В последние годы в России зарегистрировано более 60 новых патентов на технологии производства АКП, на составы для АКП и на устройства для реализации технических решений [18].
Физико-технические характеристики АКП определяются свойствами компонентов, видом полимерного связующего и типом волокна.
Основное назначение волокна в композитном массиве – это воспринимать нагрузки и обеспечивать прочность стержня. В России в качестве армирующего наполнителя используют стеклянные, базальтовые и реже углеродные волокна.
К функциям полимерного связующего относятся: передача напряжения между волокнами; обеспечение боковой поддержки и предотвращение вспучивания; защита волокон от механических повреждений и негативного влияния щелочной среды бетона.
В работе [17] в качестве полимерной матрицы для базальтокомпозитной арматуры рассмотрены фенолоформальдегидные, кремнийорганические, полиэфирные, эпоксидные и полиамидные связующие. В результате исследований было выбрано эпоксидное связующее, которое обладает высокими механическими и адгезионными характеристиками, имеет низкую объемную усадку и водопогло-щение, устойчиво к воздействию агрессивных сред.
Определение содержания волокна методом сжигания
Лабораторные исследования комбинированной композитной арматуры проводились по методикам, нормированными отечественными стандартами ГОСТ 31938 и ГОСТ 34292 [41,42]. При испытаниях использовалось современное оборудование и приборы, прошедшие поверку. Дополнительно к стандартным методам были подготовлены специальные приспособления для исследований. Учитывая, что материал является новым и еще недостаточно апробирован в реальных конструкциях, в процессе испытаний вносились некоторые дополнительные методические уточнения.
При подготовке образцов для испытаний не допускалась возможность старения за счет деформаций, нагревания, воздействия ультрафиолета и других факторов, что исключало изменение свойств, исследуемой комбинированной композитной арматуры.
Условия проведения исследований соответствовали ГОСТ 15150 п.3.15 [71]: – температура + 25±10 С; – относительная влажность воздуха – 45-80%; – атмосферное давление 650-670 мм рт. ст.
Определение геометрических параметров комбинированной композитной арматуры включало определение: –номинального диаметра; –площади поперечного сечения; –плотности АКП; – шага оплетки. Номинальный диаметр – геометрическая характеристика, которая используется при расчете всех прочностных свойств АКП. Метод определение номинального диаметра АКП основан на определении объема образца, известной длины по результатам гидростатического взвешивания в дистиллированной воде по ГОСТ [42]. Для испытания были отобраны по 6 образцов длиной 150 мм в каждой серии. Проведение гидростатического взвешивания показано на рисунке 2.1. Для проведения испытания использовали следующие приборы и приспо собления: весы аналитические 2-ого класса точности; емкость и оснастка для приспособления аналитических весов к гидростатическому взвешиванию; штангенциркуль по ГОСТ 166 [72] с ценой деления не более 0,1 мм; штатив; дистиллированная вода. Изначально измеряли длину образца АКП штангенциркулем, после определяли массу образца в исходном состоянии. Далее производили гидростатическое взвешивание (рис. 2.2). Номинальный диаметр образцов АКП рассчитывали по формуле 2.1: dmM = /« р2, (2.1) где ті - масса образца на воздухе, мг; Ш2 - масса образца в воде, мг; р -плотность воды, мг/мм3 (принимаем/) = 1); / - длина образца, мм. По значениям номинального диметра (dном) определены расчетные значения площади поперечного сечения по формуле 2.2 и плотности образцов АКП по формуле 2.3. А = л (2.2) (mi-m2) р = — (2.3) т2 Рисунок 2.1 – Проведение гидростатического взвешивания
Вид волокна и его количественное содержание в АКП оказывают существенное влияние на физико-механические свойства арматуры. Содержание волокна в комбинированной композитной арматуре определяли по схеме испытания А ГОСТ32486 [73]. Во время испытаний использовали следующее оборудование, инструменты и приборы: аналитические весы по ГОСТ 24104 [74], с точностью измерения до 0,001 г; фарфоровые тигли; муфельная печь, расположенная под вентиляционной вытяжкой и способная поддерживать температуру 625 С (рис. 2.2); эксикатор по ГОСТ 25336 [75], содержащий осушитель; — вентилируемый сушильный шкаф, поддерживающий температуру сушки (105 ± 3) С; — линейка металлическая 1000 мм, цена деления 1 мм по ГОСТ 427 [76]; — режущий инструмент: нож или скальпель; — пинцет. Изначально фарфоровые тигли доводили до постоянной массы, путем прокаливания в муфельной печи при температуре 625 С в течении 10 минут, с последующим охлаждением в печи до температуры 100 С, затем тигли помещали в эксикатор до достижения температуры окружающей среды и взвешивали. Процесс накаливания повторяли до тех пор, пока результаты 2-х последних взвешиваний отличались не более чем на 0,1 %.
Далее образцы АКП, массой от 2 до 10 грамм, помещали в тигли и сушили в вентилируемом сушильном шкафу при температуре 105 С до постоянной массы, затем образцы помещали в муфельную печь для выжигания эпоксидного связующего при температуре 625 С в течении 20 минут. Далее тигли с образцами охлаждали и взвешивали. От образцов комбинированной композитной арматуры пинцетом удаляли углеродные волокна и снова взвешивали тигли с остатком стеклянных волокон. Общее содержание волокон Мволок. (%) в комбинированной композитной арматуре определяли по формуле:
Мволок = -E1.1oo (2.4) т2-т1 TWJ - масса тигля и остатка образца после сжигания, г; ті - первоначальная масса сухого тигля, г; т2 - первоначальная масса тигля с высушенным образцом, г. Содержание стеклянных волокон определяли по формуле: т2-т1 т4 - масса тигля с остатком образца после сжигания и удаления углеродных волокон, г; Массовое содержание углеродных волокон Му.в в композите определяли разницей Мволок. и Мстек..
Исследование содержания компонентов комбинированной композитной арматуры
Образец в разрывной машине после испытания Испытания на осевое растяжение показали, что модуль упругости образцов комбинированной композитной арматуры растет в соответствии с правилом смесей – при увеличении содержания углеродных волокон и уменьшении количества полимерного связующего. Кроме того наибольшие значения модуля упругости получены при краевом расположении углеродных волокон и при их углублении от края на расстояние 15-17 % от диаметра арматуры. Соблюдение данных требований позволило достигнуть псевдо-пластичного характера разрушения.
Проведенная статистическая обработка показала, что коэффициент вариации прочности и модуля упругости при осевом растяжении испытанных образцов стеклокомпозитной и комбинированной композитной арматуры не превысил 2 %, что говорит об однородности свойств материала и о стабильности разработанной технологии производства АКК.
Определение прочности при поперечном срезе проводилось по методике, изложенной в главе п. 2.2.4. В таблице 3.6 представлены результаты испытаний образов стеклокомпозитной и комбинированной композитной арматуры. Проведена статистическая обработка данных по ГОСТ 8.207 [93], определены средне-квадратические отклонения, коэффициенты вариации и минимально допустимые значения прочности при осевом сжатии для каждой партии.
Проведенная статистическая обработка показала, что коэффициенты вариации прочности при поперечном срезе не превысила 4,6 %, что позволяет судить о равномерности свойств испытанной партии АКП.
Результаты испытаний на поперечный срез показали увеличение предельного напряжения у комбинированных образцов АКП, причем у образцов с центральным расположением углеродного волокна повышение на 2%, а у образцов с краевым расположением на 16 %, в сравнении с образцами стеклокомпозитной арматуры, что говорит о целесообразности расположения УВ по контору. Дальнейшие исследования проводили на образцах с краевым расположенеим УВ.
Исследование прочности при осевом сжатии АКП проводили по методике, описанной в главе 2 п. 2.2.5., на образцах комбинированной композитной арматуры с краевым расположением углеродных волокон и образцах АСК. В таблице 3.7 представлены результаты испытания. Проведена статистическая обработка результатов испытаний по ГОСТ 8.207 [88], определены среднеквадратические отклонения, коэффициенты вариации и минимальные значения прочности при осе вом сжатии для каждой партии.
Проведенная статистическая обработка показала, что для образцов стекло-композитной арматуры диаметром 12 мм минимально допустимое значение прочности при осевом сжатии составляет 454,5 МПа, для образов комбинированной композитной арматуры это значение – 450,6 МПа. Коэффициенты вариации прочности при осевом сжатии составили не более 4,5 %, что говорит о стабильности свойств испытанной партии АКП.
Образец АКК-К после испытания на осевое сжатие Результаты испытаний показали, что прочность на осевое сжатие, исследуемых образцов АКП превосходит требования ГОСТ [41] более чем в 1,5 раз, что говорит о хорошей связи системы «волокно-связующее». Углеродные волокна в матрице АКП не оказывают существенного влияния на прочность при осевом сжатии. 3.6 Исследование совместной работы комбинированной композитной арматуры с бетоном
С целью изучения возможности применения комбинированной композитной арматуры в бетонных конструкциях проведены следующие эксперименты: – исследование прочности сцепления АКК с бетоном; – исследование устойчивости АКК к щелочной среде бетона оценивали по снижению прочности и модуля упругости при осевом растяжении после воздействия жидкой щелочной среды; – изучение влияния щелочной среды бетона на совместную работу АКК с бетоном оценивали по снижению прочности сцепления после воздействия жидкой щелочной среды.
Исследование прочности сцепления комбинированной композитной арматуры с бетоном проводилось по методике, изложенной в главе 2 п. 2.2.6. Изначально были проведены испытания по определению прочности бетона на сжатие [94]. Класс бетона для каждой серии составил В 25. Далее была изучена прочность сцепления образцов АСК и АКК-К в исходном состоянии. Проводилось ступенчатое нагружение с шагом 50 Н и выдержкой в течении 10 секунд, на каждом этапе нагрузки фиксировалось перемещение свободного конца АКП. За отчетные точки взяты 0,05, 0,1 0,25 мм и максимальное перемещение стержня от приложенной нагрузки. Результаты определения прочности сцепления образцов АКП с бетоном представлены в таблице 3.8. Проведена статистическая обработка результатов испытаний по ГОСТ [93], определены среднеквадратические отклонения, коэффициенты вариации и минимальные значения прочности сцепления с бетоном для каждой партии.
Определение деформаций бетона при испытании балок на изгиб
В балках серии Б-1-АСК образование последней трещины произошло при нагрузке 49 кН, а в балках серии Б-2-АКК при нагрузке 43 кН. После стабилизации образования трещин происходило только увеличение ширины раскрытия уже имеющихся трещин.
При допустимом прогибе, равном 8,83 мм, ширина раскрытия трещин в балках серии Б-1-АСК составляла не более 0,4 мм, а в балках серии Б-2-АКК – не более 0,3 мм.
На рисунке 4.4 представлена балка, армированная стеклокомпозитной арматурой во время испытания. Мы наблюдаем нормальную (№ 2) и наклонную (№ 5) трещины, там же показано развитие трещины при каждом шаге нагружения. В нижней части балки показана линия арматуры, вдоль которой замеряли ширину раскрытия нормальных трещин. При нагрузке 79 кН произошло продавливание бетона в зоне приложения нагрузки.
На рисунке 4.5 показана балка, армированная комбинированной композитной арматурой. На ней мы наблюдаем нормальные трещины – № 1, 2, 5, и наклонную №6. Продавливание бетона в месте приложения нагрузки началось при 81 кН.
Разрушение образцов балок обеих испытанных серий не носило хрупкого характера и происходило по наклонным трещинам. Так же при предельной нагрузке происходил разрыв композитной арматуры в растянутой зоне балки. Перед разрушением происходило продавливание верхней части бетона в местах приложения нагрузки и значительное увеличение ширины раскрытия (рис. 4.4, 4.5). Разрушение балок сопровождалось отслоением нижней части бетона. Характер разрушения балок представлен на рисунках 4.6, 4.7.
Средние значения деформации бетона определялись, как среднеарифметическое для каждой серии балок из показаний тензодатчиков, расположенных на одном уровне по высоте сечения. Тензорезисторы были расположены согласно схеме, показанной на рисунке 4.8.
Из рисунка 4.8 видно, что тензорезистор Д-1 считывал деформации сжатой зоны бетона и был расположен в центральной части балки и на 30 мм ниже крайнего сжатого волокна. Датчики Д-2, Д-3, Д-4, Д-6 располагались ниже датчика Д-1 на 40, 80, 120, 160 мм соответственно. Датчики Д-5 и Д-7 показывали деформации растянутой зоны бетона под точками приложения нагрузки и располагались на 30 мм выше нижней грани балки.
Результаты усреднённых деформаций для обеих серий балок при нагрузке образования трещины, при допустимом прогибе, при ширине раскрытия трещины 0,7 мм, при половине от разрешающей нагрузки и при максимальной нагрузке приведены в таблице 4.3. Следует отметить, что деформации бетона росли равномерно и имели сопоставимые показания для обеих серий балок до нагрузки 21-23
105 кН. Дальнейшее увеличение нагрузки вплоть до разрушающей показало, что для балок, армированных стеклокомпозитной арматурой деформации бетона на 35-85 % выше, чем для балок, армированных комбинированной композитной арматурой.
Деформации бетона сжатой зоны росли прямолинейно с ростом нагрузки и доходили до 1,0810-3 для балок, армированных стеклокомпозитной арматурой, а для балок, армированных комбинированной композитной арматурой до 1,2410-3.
Для выявления особенностей деформирования бетона балок, армированных АСК и АКК, были построены графики развития средних относительных деформаций бетона сжатой и растянутой зоны на нескольких уровнях по высоте сечения в зависимости от роста нагрузки. Диаграмма «нагрузка-деформации» при испытании балок, армированных стеклокомпозитной арматурой приведена на рисунке 4.9, для балок, армированных комбинированной композитной арматурой – на рисунке 4.10.
Из приведенных диаграмм видно, что соблюдается прямолинейная зависимость между деформацией и нагрузкой на различных этапах нагружения. Однако в зависимости от уровня нагружения эти графики имеют различные углы наклона к оси деформаций, что говорит о снижении модуля деформаций бетона при увеличении значения изгибающего момента. На начальных этапах нагружения, до образования первых трещин, деформация бетона возрастает пропорционально увеличению нагрузки. Эта стадия представлена прямолинейным участком на диаграмме деформаций до нагрузки 15-17 кН и соответствует упругой стадии работы бетона.
Результаты измерения деформаций растянутой зоны по датчику Д-6 показали, что на начальных этапах нагружения происходит незначительное растяжение бетона до 1,07 10 -3 для балок серии 1, и до 1,1410 -3 для серии 2. С началом образования трещин деформации возрастают, и на диаграмме деформации бетона отмечается перелом (рис. 4.9, 4.10).
По рисункам 4.9 и 4.10 видно, что деформации бетона развиваются с различной интенсивностью и для всех этапов нагружения справедлива гипотеза плоских сечений.
Графики распределения деформаций бетона в среднем по длине сечении образцов-балок серии Б-1-АСК, армированных стеклокомпозитной арматурой, представлены на рисунках 4.11 и 4.12. На графиках указаны значения деформаций, определённых тензорезисторами Д-1, Д-2, Д-3, Д-4, Д-6. На начальном этапе нагружения при нагрузке 7 кН происходило незначительное сжатие бетона до величины 0,0410-3 (по датчику Д-1), высота сжатой зоны бетона составляла 11,9 см, кривая изменения деформаций имела прямолинейный характер. Дальнейшее увеличение нагрузки до 11 кН привело к уменьшению высоты сжатой зоны до 8,6 см и увеличению деформаций сжатой зоны в 2 раза. В момент появления первых трещин при нагрузке 15 кН деформации на уровне 30 мм от крайнего сжатого волокна составили 0,210-3, а высота сжатой зоны бетона уменьшилась до 5,4 см, в свою очередь деформации растянутой зоны бетона при этой же нагрузке равнялись 1,9710-3. При дальнейшем увеличении нагрузки высота сжатой зона бетона уменьшалась и при разрушающей нагрузке составляла 3,7 см.