автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном

#7

На правах рукописи

КУСТИКОВА ЮЛИЯ ОЛЕГОВНА

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СЦЕПЛЕНИЯ БАЗАЛЬТОПЛАСТИКОВОЙ АРМАТУРЫ С

БЕТОНОМ

Специальность: 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 2014

005556579

Москва 2014

115553522

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Римшин Владимир Иванович

Официальные оппоненты: Кодыш Эмиль Нухимович

доктор технических наук, профессор, главный инженер отдела конструктивных систем ОАО «ЦНИИПромзданий»

Чепизубов Игорь Геннадьевич

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории №9 НИИ строительной физики РААСН

Ведущая организация: ОАО «НИЦ « Строительство» Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона им. А.А.Гвоздева (НИИЖБ)

V/, цо

Защита состоится «22» декабря 2014 в / у на заседании диссертационного совета Д 212.138.04, созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, 26, «Открытая сеть», аудитория N0 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» и на сайте www.mgsu.ru

Автореферат разослан «Л/» ^ 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Каган Павел Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКИЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. По объему использования в различных областях строительства, железобетон находится на одном из первых мест. Это определяется, прежде всего, его сравнительной дешевизной и долговечностью. Однако, долговечность бетона существенно связана с долговечностью металлической арматуры.

Долговечность металлической арматуры зависит от коррозии, возникаемой под воздействием внешней агрессивной среды. В результате коррозии металлической арматуры и, в некоторой степени и самого бетона, происходит потеря несущей способности железобетонных конструкций и в целом зданий и сооружений.

Для обеспечения долговечности железобетонных конструкций необходимо принимать меры против развития коррозии бетона и арматуры. Коррозия бетона зависит от его прочности и проницаемости, свойств цемента и агрессивности среды. Коррозия арматуры вызывается чрезмерным раскрытием трещин, недостаточной толщиной защитного слоя. Коррозия арматуры может возникать независимо от коррозии бетона. Для уменьшения коррозии ограничивают агрессивность среды в процессе эксплуатации (отвод агрессивных вод, улучшение вентиляции помещений), применяют плотные бетоны на сульфатостойких и других специальных вяжущих, устраивают на поверхности бетона защитные покрытия, защитный слой необходимой толщины, ограничивают раскрытие трещин и т.д. При систематическом действии агрессивной среды производят расчет конструкций на это воздействие.

В железобетонных конструкциях защиту арматуры от внешних воздействий обеспечивает защитный слой бетона. Защитный слой также обеспечивает совместную работу арматуры с бетоном, защиту от воздействия высоких температур и других воздействий. При назначении толщины защитного слоя учитывают вид и размеры конструкций, условия эксплуатации, диаметр и назначение арматуры.

Восстановить несущую способность железобетонных конструкций с корродированной арматурой возможно с использованием известных конструктивных приемов.

Поиск альтернативных путей замещения металлической арматуры в несущих железобетонных конструкциях на композитную, не подвергающуюся коррозии и, одновременно, имеющую высокую несущую способность, является актуальной научно-исследовательской задачей.

Известно, что композитные материалы минимизируют коррозию и другие силовые и средовые воздействия. В то же время они должны быть технологичными в \

изготовлении, экологически безопасными и не выделять вредных, веществ загрязняющих окружающую среду.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования по поиску путей замены в строительных конструкциях металла на другую арматуру. Примером таких исследований является создание разных видов пластиков, которые, постепенно вытесняют его.

Ведутся работы в области замены металлической арматуры на неметаллическую арматуру, на основе современных композиционных материалов.

Серьезным прорывом в этом направлении, за последние годы, стало открытие «базальтовой технологии», которая позволила «обновить» базу строительных материалов новыми для строительных конструкций типами арматуры.

Особый интерес представляют собой высокопрочная неметаллическая арматура на основе базальтового волокна и синтетической смолы.

Поисковые исследования и результаты испытаний на прочность, щелочестойкость, на сцепление с бетоном (взамен металлической) показали высокую эффективность арматурных стержней на основе базальтового волокна при их эксплуатации в условиях воздействия агрессивных сред. Приведенные данные позволяют судить об эффективности работы этой арматуры.

Однако, на сегодняшний день, по существу отсутствуют технологии ее применения в строительной области и конкретные данные о несущей способности бетонных конструкций с базальтопластиковой арматурой. Отсутствует полноценная информация о величине сцепления ее с бетоном и ее зависимость: от состава бетона и способа его уплотнения; от обработки внешней поверхности базальтопластиковой арматуры различными способами для увеличения сцепления ее с бетоном; о характере разрушения таких конструкций от воздействия внешних нагрузок.

Исследования, представленные в диссертации, направлены на решение этих проблем и, в частности, на обоснование более интенсивной замены металлической арматуры на арматуру на основе базальтового волокна в строительных конструкциях.

Цель исследования. На основе комплекса экспериментально-теоретических исследований выявить механизм сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном и для достижения этой цели решить следующие задачи:

• различными экспериментальными методиками определить величину (тв) сцепления базальтопластиковых стержней с бетоном и определить физико-механические характеристики базальтопластиковой арматуры;

• используя метод наименьших квадратов графические 'зависимости экспериментальных исследований представить в виде аналитических зависимостей;

• на основе результатов экспериментальных испытаний и исследований бетонных конструкций разработать теоретические подходы расчета величины сцепления базальтопластиковых стержней с бетоном;

• разработать рекомендации по конструированию отдельных ■элементов и узлов для бетонных конструкций с базальтопластиковой арматурой.

Объектом исследования являются бетонные строительные конструкции

армированные базальтопластиковой арматурой. Научная новизна работы:

• впервые проведены комплексные экспериментально-теоретические исследования и испытания бетонных конструкций с базальтопластиковой арматурой по определению их несущей способности;

• выявлены существенные особенности механизма сцепления базальтопластиковых стержней с бетоном;

• реально оценены механические характеристики и работа арматурных стержней из металла и базальтогшастика в условиях агрессивных сред;

• предложены теоретические зависимости по расчету величины тсц базальтопластиковых арматурных стержней с бетоном.

Личное участие автора в полученных результатах, изложенных в диссертации,

заключается в:

• выборе и обосновании актуальности темы исследования;

• постановке цели исследования и формулировании задач, направленных на ее достижение;

• разработке теоретических основ увеличения сцепления тс11 базальтопластиковой арматуры с бетоном обработки ее внешней поверхности различными способами;

• выявление напряженно-деформированного состояния сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном.

Достоверность полученных результатов основывается на анализе и систематизации экспериментальных данных полученных при испытании малых образцов - балок 0,06x0,12x0,4м - 12 штук, кубов 10x10x10см - 9 штук и балок -■

перемычек размерами 0,12x0,22x1,2м - 18 штук по исследованию контактной зоны базальтопластковой арматуры и бетона.

Практическое значение диссертационной работы. В результате всесторонних исследований и испытаний бетонных конструкций с базальтопластиковой арматурой доказана ее эффективность и долговечность.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использовались при изготовлении и испытании бетонных конструкций в ООО «Мустанг» (г.Хасавюрт. Республика Дагестан); в ООО «Завод железобетонных конструкций» (г.Хасавюрт, Республика Дагестан), ОАО «Завод железобетонных конструкций Дагсельстрой» (г.Махачкала, Республика Дагестан).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись на конференциях: на Юбилейной научно-технической конференции аспирантов и студентов института (г. Москва, 2003г.), на Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и конструкций» ( г. Белгород, 2005 г), . на XXIX итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ, Технические науки (Махачкала 2008 г), на Седьмой Международной научно-практическая конференции «Развитие жилищной сферы городов» ( Москва, МГАКХиС 2009 г), на XXIX итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ, Технические науки ( Махачкала 2009 г), на Девятой Международной Научно-практическая конференции «Актуальные проблемы развития жилищно-коммунального хозяйства городов и населенных пунктов» (Москва, София, Капала, 2010г.), на Международной научно-методической конференции посвященной 100-летию со дня рождения В.Н. Байкова (4-5 апреля 2012г., Москва), на 7-й Международной научной конференции «Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов» (16-18 октября 2013г, Воронеж).

На защиту выносятся:

• результаты исследований бетонных балок с базальтопластиковой арматурой на несущую способность;

• теоретические зависимости по расчету величины тсц базальтопластиковых стержней с бетоном;

• результаты по оценке коррозионной стойкости арматуры из металлических стержней и стержней из баэальтопластика;

• результаты испытаний базальтопластиковых стержней на их растяжение и сплющивание.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 научных статьях, шесть из которых в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, библиографического списка. Работа изложена на 180 стр. машинописного текста, содержит 41 таблицу, 90 рисунок, библиография включает 206 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, дана краткая аннотация работы, ее научная новизна, практическая значимость, а так же основные положения работы, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы.

В первой главе проведен анализ использования композитных материалов для усиления железобетонных конструкций Композитные материалы обладают исключительными физико-механическими характеристиками (высокой прочностью на растяжение и сжатие и модулем упругости, близким к модулю упругости стали) и стойкостью в различных агрессивных средах.

Следует отметить основополагающие результаты в направлении совершенствования физических моделей силового сопротивления железобетонных конструкций подверженных силовым и средовым воздействиям полученные в работах Н.Х. Арутюняна, C.B. Александровского, В.М. Бондаренко, В.Н. Байкова, A.A. Гвоздева, Г.А. Гениева, A.C. Залесова, Ю.В. Зайцева, Н.И. Карпенко, В.И. Колчунова, В.И. Мурашова, В.И. Римшина, P.C. Санжаровского, В.П. Селяева, В.И. Травуша, В.П. Чиркова, B.C. 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, Э.Н. Кодышем, Е.А. Король, С.И. Меркуловым, С.М. Скоробогатовым, А.Г. Тамразяном, развиты и дополнены вопросы за проектных воздействий, вызванных чрезвычайными ситуациями с учетом эволюционного накопления силовых и средовых повреждений.

Относительно высокий модуль упругости базальтопластиковой арматуры предопределяет целесообразность использования ее как для предварительно напряженных конструкций, так и для различного рода ремонтных работ, для усиления железобетонных конструкций, полностью или частично потерявших несущую способность в процессе эксплуатации.

Существенным преимуществом базальтопластиковой арматуры является ее коррозионная стойкость, практически по отношению ко всем типам агрессивных воздействий, в том числе и к агрессивному влиянию блуждающих токов. Создание арматуры из базальтовых волокон - новое направление в области технологии и проектирования несущих конструкций.

Во второй главе приведен анализ исследования металлической и композитной арматуры в бетонных строительных конструкциях.

Как известно металлическая арматура не имеет полного сцепления с бетоном по всей контактируемой поверхности из-за образования водяных линз и пустот вокруг стержня при бетонировании, что отрицательно сказывается на трещиностойкости конструкций. Кроме того, из-за действия щелочной среды бетонной смеси и воды, с момента контакта бетона с металлическим стержнем начинаются избирательные процессы коррозии. Это является одним из основных факторов, негативно влияющих на прочность железобетонных конструкций.

Основными условиями, обеспечивающими надежную совместную работу бетона и стальной арматуры в железобетонных конструкциях, являются:

1) сцепление арматуры с бетоном по площади их контакта, исключающее продергивание (сдвиг) арматуры в бетоне; 2) примерное равенство коэффициентов температурного удлинения (укорочения) бетона &ы = 0,000007...0,00001 град и стальной арматуры = 0,000012 град"1.

В последние годы на ряду с изучением, созданием и промышленным внедрением стержневой композиционной арматуры аналогичные работы ведутся по созданию базальтопластиковой арматуры, которая по своим свойствам не только не уступает стеклопластиковой арматуре, но даже превосходит их, а по стоимости является наиболее дешевой из всех видов перечисленных волокон. Эти работы по созданию базальтопластиковой арматуры и применению ее в железобетонных конструкциях перспективны по следующим факторам:

• запасы сырья для получения непрерывного базальтового волокна практически неограниченны, а само сырье относительно недорогое;

• технология получения базальтового волокна принципиально не отличается от технологии изготовления стеклянных волокон, при этом исключается операция по подготовке многокомпонентной шихты и превращению ее в расплав, а также отсутствует необходимость в формировании стеклянных шариков. Для выпуска ненапрягаемой базальтопластиковой арматуры могут быть использованы менее дефицитные, дешевые аппретирующие составы и связующие, что даст возможность снизить отпускные цены на арматуру.

Преимущества базальтопластиковой арматуры:

• не подвержена коррозии, весьма слабо меняет свои механические свойства под воздействие кислот, солей и щелочей;

• является диэлектриком, радиопрозрачна, магнитоинертна (исключено изменение прочностных свойств под воздействием электромагнитных полей);

• имеет высокий модуль упругости при небольшом коэффициенте относительного удлинения, высокую стойкость к стрессовым нагрузкам;

• обладает прекрасными реологическими характеристиками;

• не теряет свои прочностные свойства под воздействием сверхнизких температур;

• коэффициент теплового расширения (КТР) базальтопластиковой арматуры соответствует КТР бетона, что исключает порывы армирования и трещинообразование в защитном слое бетона под воздействием температурных циклов;

• имеет высокие показатели прочности на разрыв.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования на изгиб бетонных балок-перемычек, армированных базальтопластиковыми стержнями. В качестве основных конструкций, на первом этапе исследований, были изготовлены малые балки размерами 0,06x0,12x0,4м (для испытания их на изгиб) и кубики 10x1Ох10см (для определения кубиковой прочности и, кубики 10x1Ох10см, с заделанными в них, на глубину в 6см металлическими стержнями 06, 08 А-Н и с базальтопластиковой арматурой. Основной целью проведения этих исследований являлись: определение несущей способности балок с базальтопластиковой арматурой с контрольными; величины сцепления базальтопластиковых стержней с бетоном; определение общей и поверхностной прочности бетонных кубов, изготовленных с указанными видами арматуры.

Предварительные испытания базальтопластиковых стержней для определения их прочности на растяжение проводились в лаборатории ДГТУ (Дагестанский государственный технический университет) на прессе УММ-10, ЗИМ (рис.1).

Рисунок 1. Общий вид пресса, использованного для испытания базапьтопластиковой

арматуры на растяжение

Длина испытываемых базальтопластиковых стержней была принята в 45 см с диаметром 6,5 мм (площадь поперечного сечения стержня равна примерно 0,33 см2). Деформация базальтопластиковых стержней во времени фиксировалась записывающим устройством пресса и средняя ее величина составила 14мм.

Напряжения определялись по формуле

Р 112 ЪкГ 1120-9,8 н ... 6 „,ш п ег = — =-г- =-:—г- = 33,2 ■ 10 11а = ЪЪ,2М11а. По закону I ука а — Е ■ е т.е.

5 0,33см 0,33-10 ,и 3 3

14

Модуль упругости стержней при относительной величине е =-= 0,03

Р 1120 к?

при растяжении Е =-=-= 113131,3—- = 11313,13М7а = 1,13-104М7я

3-е 0,33-0,03 см1

Представлен теоретический расчет балок, армированных металлической арматурой 4Вр-1 и 06 А-1 (А240) и базальтопластиковой арматурой 06,5мм.

Основным фактором определяющим несущую способность и долговечность бетонной конструкции с базальтопластиковой арматурой является ее сцепление (тси) с бетоном. Более 90% бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых в реальных условиях, подвергнуты изгибу, внецентренному сжатию или растяжению. Таким образом возникают растянутые зоны, где величина сцепления арматуры с бетоном играет важнейшую роль. Одним из существенных видов напряженно-деформированного состояния бетонных конструкций является изгиб и возникает задача изучения НДС при их изгибе.

Для определения прочности бетона были изготовлены стандартные кубики следующего состава: цемент, песок, щебень в пропорции 1 :2:3с В/Ц = 0,5; щебень

был просеян через стандартные сита по фракциям 5-10. Цемент (М500) Новороссийского завода.

Этим же составом были заполнены одновременно все формы, исключив тем самым, возможность расхождения свойств бетона исследуемых образцов. Всего было изготовлено 10 малых балок 0,06x0,12x0,4м и 3 кубика 10x1 Ох 10см.

Одновременно из такого же состава бетона изготавливались и стандартные кубики (10/10/10см) с заделанными в них на глубину 6 см со базальтопластиковыми и металлическими стержнями для исследования величины сцепления их с бетоном (рис.1). Все изготовленные образцы после двухчасовой предварительной выдержки, пропаривались по циклу 2+4+6+3, что составляет 15 часов. Затем, формы с образцами распалубливались.

В целом анализ результатов испытаний малых балок позволяет сделать следующие выводы:

все зависимости в целом имеют линейный характер;

характер разрушения балок с металлической арматурой 06 А-1, 08 А-П происходит примерно по классической схеме;

характер разрушения балок с базальтопластиковой арматурой не типичен и больше похож на срез (рис. 2,3);

несущая способность балок с базальтопластиковой арматурой 06,5мм на 5070% выше несущей способности балок с арматурой 06 А-1.

Рисунок 2. Характер разрушения экспериментальной балки серии 1 с базальтопластиковыми стержнями

Рисунок 3. Общий вид разрушения 4-х испытанных балок

В ходе анализа, полученных ранее данных, было установлено, что значительное влияние на тсц оказывают: насколько захватное устройство пресса равномерно охватывает выдергиваемую арматуру; на какую глубину можно защемить стержень в захватное устройство; влияет ли глубина заделки стержня в бетон; влияют ли на тсц марка цемента, класс бетона, осадка конуса и степень уплотнения бетона. Проведение испытаний, по определению тсц, затрудняется и тем, что у большинства разрывных машин, эксплуатируемых в строительных и производственных лабораториях, отсутствует узел, позволяющий выдергивать стержни из бетона.

Для выяснения вопроса влияния глубины заделки базальтопластиковых стержней на сцепление их бетоном были изготовлены и испытаны кубики 10x1 Ох 10см с внедренными в них стержнями на глубину 4, 6 и 8см. Параллельно исследовались и вопросы приведенные выше (влияние марки цемента состава бетона и его уплотнения и ДР-)-

Всего было изготовлено 27 штук кубиков с использованием цемента марки: 300 и 400; класса бетона: В12 и В15; с осадкой конуса 2см. С осадкой конуса в 2см изготовили партию кубиков с маркой цемента МЗОО и М400 с классом бетона В12 с глубиной заделки базальтопластиковых стержней на 4, 6 и 8 см (18 штук).

На марке цемента М400 и классе бетона В12 с осадкой конуса в 2см и глубиной заделки стержней на 4, 6 и 8см были изготовлены еще 9 кубиков. Пропаривание кубиков производилось по циклу: 2+4+6+3 часа. Испытания на выдергивание стержней из кубиков производились через одни сутки после их пропаривания.

В таблице 1 приведены результаты испытаний.

Результаты испытаний на выдергивание базальтопластиковых стержней 06,5мм из

кубиков 10x1 Ох 10см.

Таблица 1

№ Класс Марка Осадка Глубина Усреднен- Площадь Величина

п/п бетона, цемента, конуса, заделки, ные зна- боковой тсц, МПа

В М см см чения Р, поверхно-

(выдергива сти стер-

ющая жней, см2

сила), кг

1 2 3 4 5 6 7 8

1 В12 МЗОО 2 4 216 7,52 3,0

6 604 11,3 5,4

8 не выдер. 13,04 -

2 В15 М400 2 4 320 7,52 4,2

6 975 11,3 8,6

8 не выдер. 13,04 -

3 В12 М400 2 4 235 7,52 3,1

6 784 11,3 6,8

8 не выдер. 13,04 -

Анализ данных позволяет судить, что прежде всего выдергивать из кубиков стержни с глубиной заделки 8см ни в одном случае не удалось. В каждом из случаев выдергивание стержней с глубиной заделки в 8см происходило соскальзывание внешней оболочки стержня от базальтового сердечника со стороны наконечника. Такое же соскальзывание наблюдалось и в предыдущих исследованиях и испытаниях, что наталкивает на мысль - глубина заделки стержней в наконечник и в захватывающее устройство должна быть равной или больше чем глубина заделки стержней в бетон.

Данные таблицы 1. говорят о том, что: увеличение марки цемента приводит к увеличению величины тсц; увеличение класса бетона приводит к увеличению тси; увеличение глубины заделки от 4 до 6см во всех случаях приводит к увеличению тсц; осадка конуса положительно влияет на величину тсц при увеличении класса бетона. Во всех случаях наблюдается увеличение тсц при уменьшении осадки конуса. Результаты испытаний показали, что использованная методика не позволила определить тсц при заделки в 8см.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что требуются дополнительные исследования по определению тсц при увеличении глубины заделки базальтопластиковых стержней в бетонные кубики.

Для этой цели были изготовлены 9 кубиков 10x1 Ох 10см со стержнями длиной по 45 см и глубиной их заделки в бетон на 4,6 и 8см. Состав бетона: марка цемента М400;

класс бетона В15. Кубики пропаривались по циклу: 2+4+6+3 часа. Испытания на выдергивание стержней проводились через одни сутки после пропаривания.

Величина заделки арматурных стержней в захватные устройства пресса при выдергивании стержней составляла более 20см. Прежде всего, испытания показали, что ни в одном случае не обнаруживалось соскальзывания внешней оболочки стержней как в предыдущих случаях испытаний. Результаты испытания на выдергивание стержней приведены в таблице 2

Результаты испытаний на выдергивание базальтопластиковых стержней из кубиков, закрепленных в захватное устройство на глубину 20см.

Таблица 2

Серия образцов Глубина заделки стержней в кубики, см Усилие выдергивания, Р, кг Площадь боковой поверхности сцепления, см2 Величина сцепления тси, МПа

1(три кубика) 4 300 7,52 4,02

П(три кубика) 6 900 11,3 8

Ш(три кубика) 8 1900 13,04 14,6

Перед выдергиванием стержней во всех трех кубиках с глубиной заделки в 8см наблюдалось скручивание их и, в момент выдергивания наблюдался разрыв кубиков в виде среза по всей высоте.

Анализ результатов испытаний на выдергивание показывает, что глубина заделки арматурных стержней в захватное устройство играет существенную и, пожалуй главную, роль для определения тш. Насколько величина тсц может быть реально определена, настолько же будет характеризоваться несущая способность конструкции в целом. Сравнение предыдущих данных тсц, определенных другими методами и новых данных, говорят о значительных величинах расхождений (в 1,5 и более раз) в сторону увеличения тсц.

Стержни из базальтопластиковой арматуры деформируются при достаточно малых нагрузках, практически как упругая система. В то же время, существенный переход в пластическое состояние происходит уже при нагрузках в пределах 50кН, а полный переход стержней, в пластическое течение как с винтовой поверхностью, так и с круглой поверхностью происходит при одинаковой нагрузке 124,9кН. Испытания металлических стержней 06 A-I (А240) с гладкой поверхностью показали, что их деформативные свойства начинают значительно проявляться при нагрузке >144кН. Эти исследования показали, что базальтопластиковые стержни проявляют поперечную деформативность при нагрузках в три раза меньше чем металлические стержни, подтверждая, что их модуль упругости ближе к модулю упругости бетона.

Рисунок 4. Общий вид установки для испытания балок 0,12x0,22x1,2м на изгиб

Рисунок 5. Характер разрушения балки серии 1 (вторая балка) Анализ характера разрушений перемычек показывает, что все элементы с одиночной арматурой разрушаются с образованием наклонных трещин со срезом. Причем большая часть конструкции разрушается в виде среза на контакте бетон-базальтопластиковая арматура (длиной примерно 2/3 от 10/2), это означает что бетон работает на срез, а не на растяжение. Известно, что временное сопротивление бетона на срез определяется по эмпирической формуле К5н=211ы. Можно полагать, что при изгибе балок с базальтопластиковой арматурой дополнительно возникают и продольные силы, связанные с перераспределением усилий в арматуре с винтовой поверхностью.

Рисунок 6. Характер разрушения балки серии 2, (практически не возникают

нормальные трещины) Проведенными экспериментами показано, что благодаря упругим

характеристикам базальтопластиковая арматура совместима с усадочными

деформациями бетона, что и обеспечивает высокую величину сцепления этой арматуры

с бетоном, обладая, в тоже время, высокими показателями прочности на растяжение

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. 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 тем

что, во-первых металлические стержни имеют 08мм площадь сечения 8=0,503см2,

тогда как площадь сечения базальтового стержня 8=0,333см2; во-вторых у

металлической арматуры периодического профиля, за счет ребер величина сцепления

арматуры с бетоном выше. Базальтовые 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 базальтовых стержнях

уменьшить шаг до 5мм, и высоту выступа довести до 2мм, то величина сцепления, по-

видимому, увеличится более, чем в два раза.

Среднее значение а (на один стержень) при разрушении балок с базальтовой

12210 лп-п кГ 4070-9,8Я

арматурой составляет <т =-= 4070—— =-——-— = 39ъ,НМ11а с

3 см 10 м

металлической арматурой 06мм и 08мм соответственно составляют

^ 7880 кГ 4070-9,8 Н

а =-= 2627—- =--—-— = 258М7я и

3 см~ 10 лГ

„ , 1Ш1 = 3600^1 = 3600;9'8Я = 352,8МПа .

3 см2 10.«

Отсюда можно сделать вывод, что базальтопластиковые стержни работают значительно эффективнее, чем металлические стержни.

В четвертой главе проведены теоретические исследования по определению величины сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном.

Прочность сцепления арматуры с бетоном традиционно оценивают величиной касательного напряжения тк при выдергивании или вдавливании арматурных стержней.

Nt

Nk

d о

lan

-No6

_Ng

Рисунок 7

Полагая известным распределение величины тк(х) вдоль стержня, находим создаваемое им касательное усилие:

N, = ж/л jY, (x)dx = тк Tuilan

(1)

Сила Na=Asas уравновешивается внутренним усилием

N.=Nr+Nt+N« (2)

где NK и Noe - усилие, создаваемые контактной зоной и бетонной оболочкой. Согласно условию равновесия

А, сг, =тк mflan + Nk+Nn- (3 )

пренебрегая величинами NK и N<,6, получим расчетную формулу для оценки

касательного напряжения

А,о, , л -

хк = —— (4)

Milan

Согласно известному уравнению сцепления арматурного стержня с бетоном

Ш = (5)

а1 ах' где и5(х) - смещение стержня.

Выражая смещение Щх) через тк(х), общую податливость В стержня, контактной зоны и бетонной оболочки получим уравнение, описывающее напряженно деформированное состояние (НДС) арматурного стержня Л,£, с12и„(х) 1

с1г скг В с12и:1(х)

и,(х) = 0 (6)

с!х2

-т2ил(х) = О (7)

где т = д — параметр сцепления.

Общее решение уравнения (8)

и^х) = С,етх +С1е"п (8)

Константы С| и С2 определяются с использованием граничных условий. Экспериментальные исследования показали, что величина сцепления этого типа арматуры с бетоном достаточно высокая (в два и более раз выше величины сцепления металлической арматуры).

Вследствие сложной внешней конфигурации базальтопластиковой арматуры сложен механизм высокой величины сцепления ее с бетоном.

Для теоретического осмысливания и обоснования этого процесса, в дополнение к ранее проведенным исследованиям и испытаниям образцов бетона с арматурой на выдергивание, необходимо изучить этот процесс с позиции механики разрушения. Ранние исследования показали, что модуль упругости стержней из

кГ

базальтопластиковой арматуры (ЕСТП я 2-104—-) ниже модуля упругости бетона

си

кГ

(Еб »2 105—-), что позволяет ей легко деформироваться от усилий, возникающих см

при объемной усадке бетона, что приводит соответственно к увеличению величины сцепления.

За счет усадки бетона возникают усадочные усилия на стенках арматуры, влекущие эффект увеличения сцепления от усадки бетонной оболочки. Прирощение Дг(Ч касательного напряжения задается формулой

Аг„, =-

• Е,,А-.

(9)

ж/ Ian

где е„бЖ - относительная деформация обжатия бетона;

Ебаз, d - модуль упругости, нормальное сечение и диаметр

базапьтопластиковой арматуры;

Ian - длина анкеровки.

Экспериментальные исследования показывают, что при работе базальтопластиковой арматуры в начале подвергается растяжению до определенных пределов оболочка арматуры, а в дальнейшем в работу вступают внутренние продольно расположенные нити.

При работе арматуры в бетоне возникают поверхностные касательные напряжения ti(h/m2) и касательные погонные усилия вдоль винтового подкрепления тг(н/м) (рис.8). Проектируя все силы на направление оси арматуры, получим следующее выражение:

NB=2reRH- т,+2лЯ n since т2, (10)

где п- число витков винтового подкрепления, а-угол подъёма винтовой линии; Н - глубина внедрения стержня в бетон.

Nb а

Рисунок 8. Схема работы арматуры в бетоне

Радиальные перемещения \У(х) оболочки базальтопластиковой арматуры от действия усадочных усилий описываются уравнением

с/У = р ах* о'

(И)

где р - погонное усилие; Э - изгибная жесткость. Общее решение уравнения (11) имеет вид

IV (х) = С, IV, (х) + С2IV, (х) + С3 (х) + С41У4 (х) + Щх), (12)

где Ш|(х), \¥з(х), Wз(x), \*/4(х) - линейно независимые решения однородного уравнения

^-0. (13)

ах

4

— рх

IV (х) = - частное решение уравнения (11).

В качестве фундаментальной системы решений берутся функции

Ш,(х)=1; \У2(х)=х; \¥3(х)=х2; \¥4(х)=х3 (14)

Согласно естественным граничным условиям определяются константы С], С2, Сз, С4И тем самым

,2 . 4

рь 2 рь ч рх = + — *- — , (15)

24 О 121) 24£>

где Ь - длина выделенной полосы.

При учете влияния базальтового сердечника, рассматриваемого как упругое основание, перемещения IV(х) описываются уравнением

(16)

где ге - коэффициент постели;

с](х) =яе№г(х) — реакция основания. Согласно (16) функция

является частным решением уравнения Характеристическое уравнение

Я4+4у34=0, (18)

Порождаемое соответствующим (16) однородным уравнением, имеет корни

Л1 = /?(1 + 0; Л2 = [)(-\ + /); Я3 = -/7(1 + /); Я4 = /?(1 - /) и поэтому общее

решение уравнения (7) имеет вид

W(x) = (Cj sin fk +• С2 cos Дт) + (С3 sin Дт + С4 cos fk)---—, (j 9)

4 /?4£>

С учетом в равенстве (19) ограниченности перемещений IV(х) и естественных граничных условий окончательно получим

¡V(x)= -p/íE [l-e Р* (sin fk + cos /&)] (20)

Величина s существенно зависит и от граничных условий. В частности, в рассматриваемой задаче должно выполнятся условие W(L)=0, что имеет место лишь при равенстве приведенной длины s величине L.

Согласно (21) получим

2 л

(21)

— = #¡£7«

2л-

(22)

64л-4D

(23)

а подставляя ге в

Щх) = -

А

4Д D

(sin fx + cos Дт)]

с учетом, что

Р =

2л

Щх) = -

Р'-

64л-4£>

"Г*

1-е I sin — .r + cos — х

2л-£

2л-Z,

Максимальное радиальное перемещение

т - = -

64 л D

-о--')

(24)

(25)

И сравнение величин (15 ) и (24) показывает значительное уменьшение Щх) при учете реакционного отпора базальтового стержня.

На рис.9, приведена эпюра прогибов межвиточной области корпуса арматуры.

ь

Рисунок 9. Эпюра прогибов межвиточной области корпуса арматуры

Таким образом теоретико-экспериментальными исследованиями показано, что величина сцепления базапьтопластиковой арматуры, за счет неравномерной деформации поверхностного слоя (потери устойчивости оболочки) от объемной усадки бетона значительно увеличивается. Необходимо отметить, что в экспериментах на выдергивание стержней обнаруживался эффект преднапряжения самой арматуры.

В результате применения в бетоне базальпластиковых стержней повышается несущая способность бетонных конструкций и их трещиностойкость.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Оценены свойства базальтопластиковой арматуры, разработана технология изготовления бетонных конструкций с базальтопластиковой арматурой и различными методами исследованы свойства малых балок с базальтопластиковой арматурой.

2. Выявлен механизм сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном.

3. Установлены аналитические зависимости между 1, £ р при испытании малых балок с арматурой из базальтопластика и балок с металлической арматурой.

4. Исследована несущая способность реальных конструкций в виде перемычек размерами 0,12x0,22x1,2м.

5. Предложены практические рекомендации по увеличению несущей способности стержней из базальтопластика в бетонных конструкциях .

6. Произведена технико-экономическая оценка эффективности использования арматуры из базальтопластика при изготовлении бетонных конструкций.

Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

• статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых ВАК РФ

изданиях:

1. Кустикова Ю.О. Римшпи В.И. Теоретические основы расчета сцепления стекло-базальтопласгиковой арматуры с бетоном. Известия ОрелГТУ, Серия «Строительство. Транспорт» 2/22 (554) 2009 март-апрель, с.29-33

2. Кустикова Ю.О., Римшин В.И. Феноменологические исследования величины сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном. Известия ЮЗГУ. Курск, Серия Техника п технологии, №1.2011. с.27-31.

3. Кустикова Ю.О. Теоретические исследования активации поверхности базальтопластиковой арматуры на основе полимерных составляющих.// Международный научно-технический журнал «International Journal for Computational Civil and Structural Engineering» (IJCCSE).2014.№1. c.l 10-112.

4. Ю.О. Кустикова, В.И. Римшин Напряженно-деформированное состояние базальтопластиковой арматуры в железобетонных конструкциях. // Журнал ПГС . 2014.№ 6. сб-9.

5. Ю.О. Кустикова, В.И. Римшин, Л.И.Шубин Практические рекомендации и технико экономическое обоснование применения композитной арматуры в железобетонных конструкциях здании и сооруженийУ/Журнап Жилищное строительство 2014.№7.с. 14-18

6. Кустикова Ю. О. Композиционные материалы для усиления железобетонных конструкций.// Журнал Научное обозренне.2014. №7.с. 130-133

• статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

1. Кустикова Ю.О. Римшин В.И. Усиление железобетонных конструкций обоймами из композиционных материалов. Строительная физика в XXI веке. Матернхпы научной технической конференции. Москва, НИИСФ РААСН 2006 г. с. 542-545.

2. Кустикова Ю.О. Римшин В.И. Technology of amplification of reinforced concrete constructions composite materials.Modern Building Materials, Structures and Technigues. Abstrcts of the 9'1' International Conference.Held on May 16-18? 2007 Vilnius. Lithuania с 468-469.

3. Кустикова Ю.О. Римшин В.И.,Батдалов М.М., Гаджнбеков М.А., Джалплов Ш.М.. Исследования бетонных конструкций из базальтовых волокон. Сборник гезисоп и докладов XXIX итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов, и студентов, ДГТУ. Технические науки, Махачкала 2008 г.. с 251-252.

4. Кустикова Ю.О. Технико-экономическое обоснование применения стекло-и базальтопластиковой арматуры в железобетонных коиструкпнях.Развитие жилищной

сферы городов. Седьмая международная научно практическая конференция 1-4 апреля Москва, МГАКХнС 2009,1'. с 357-361.

5. Римшин В.И., Батдалов М.М., Кустикова Ю.О. Практические рекомендации и технико-экономическое обоснование применения композитной арматуры при проведении бетонных работ. Актуальные проблемы развития жилищно-коммунального хозяйства городов н населенных пунктов. Девятая Междуна-родная Научно-практическая конференция 30 мая - 6 июня Москва, София, Кавала, 2010 г. с. 39-48

6. Римшин В.И., Батдалов М.М., Кустикова Ю.О., Аюбов Г.А. Использование стекло-базальтопластнковой арматуры в бетонах в взлетно-посадочных полос аэродромов. Сборник тезисов докладов XXIX итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ Часть 1, Технические науки, Махачкала 2009 г., с. 216.

7. Кустикова Ю.О, Римшин В.И., Батдалов М.М. Практические рекомендации н технико-экономическое обоснование применения композитной арматуры прн проведении бетонных работ. Актуальные проблемы развития жилищно-коммунального хозяйства городов и населенных пунктов. Девятая международная Научно-практическая конференция,30 мая - 6 июня, Москва, София Кавала, 2010 г. с.39-48.

8. Кустикова Ю.О., Римшин В.И. Теоретические исследования по определению величины сцепления базальтоплаетиковой арматуры с бетоном. Сборник статей по материалам 7-й Международной научной конференции «Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов» (16-18 октября 2013 г, Воронеж), с. 18-26.

Отпечатано в ООО "Хорошая Типографи

тираж 100 экз. Адрес: Москва, ул. Вавилова, д. 14, стр. Тел.:+7 (495)940-70-17 E-mail: 2202758@mail.ru www.niceprint.ru