Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №4 (июль - август 2016) http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

http://naukovedenie.ru 01TVN416

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №4 (июль - август 2016) http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru

1

http://naukovedenie.ru 01TVN416

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Анализ экспериментальных исследований по усилению железобетонных конструкций полимерными композитными материалами

Овчинников Илья Игоревич

Овчинников Игорь Георгиевич

Чесноков Георгий Владимирович

Михалдыкин Евгений Сергеевич

Аннотация

Экспериментальных исследований, посвященных анализу поведения усиленных полимерными композиционными материалами железобетонных конструкций, недостаточно, их описание разбросано по различным статьям, диссертационным работам, что затрудняет их сопоставление и анализ. Авторы данной работы поставили задачу собрать и проанализировать доступные отечественные экспериментальные данные, причем рассмотрение ограничить только работами, в которых не просто приведены результаты экспериментальных исследований, но и описаны испытываемые образцы, применяемые материалы, режимы и условия проведения испытаний. В первой части работы были рассмотрены эксперименты при статическом нагружении. В данной части рассматриваются работы по исследованию влиянию температурного фактора на усиливающие элементы (клей, холсты их углеродных волокон), а также на поведение железобетонных балок, усиленных полимерными композиционными материалами. В результате исследований было установлено, что попеременное замораживание и оттаивание образцов полимерного композиционного материала, эпоксидного клея, а также железобетонных элементов, усиленных полимерными композиционными материалами на базе до 12 циклом практически не оказывает влияния ни на прочностные характеристики полимерного композитного материала, ни на адгезию клея к бетонной поверхности, ни на несущую способность испытанных железобетонных балок. Испытания же железобетонных балок, усиленных холстами из углеродных волокон, показали, что характер разрушения балок зависит от температуры, при которой проводились испытания: при повышенных температурах разрушение происходило путем обрыва усиливающего холста, а при отрицательных температурах разрушение, в конечном счете, происходило по бетону защитного слоя металлической арматуры.

Ключевые слова: железобетон; усиление; полимерные композиционные материалы; эксперименты; влияние температуры

Annotation

Analysis of experimental studies strengthening of reinforced concrete structures by polymer composite materials. Part 2. Study of the effect of temperature

Experimental studies on the analysis of the behavior of reinforced polymer composite materials reinforced concrete structures, insufficient description of them are scattered in various articles, dissertations, making them difficult to compare and analyze. The authors of this work have set the task to collect and analyze the available native experimental data, with consideration of limit only works in which not just the results of experimental studies, but also describes the test samples, the materials used, modes and test conditions. In the first part we were considered experiments under static loading. This part deals with work on the study of the influence of temperature on the reinforcing elements (glue, canvases of carbon fibers), as well as on the behavior of concrete beams reinforced polymer composites. As a result of studies, it was found that alternate freezing and thawing of the samples of the polymeric composite material of the epoxy adhesive and reinforced concrete elements, reinforced polymeric composites based on 12 cycle has practically no effect either on the strength characteristics of the polymer composite material nor adhesive adhesion concrete surface or on the bearing capacity of reinforced concrete beams tested. Test the concrete beams reinforced with webs of carbon fibers showed that the fracture of beams depends on the temperature at which the tests were carried out: at elevated temperatures the destruction occurred by breaking the reinforcing canvas, and at low temperatures the destruction, eventually going for concrete protection metal reinforcement layer.

Keywords: reinforced concrete; reinforcement; polymer composite materials; experiments; effect of temperature

Введение

В части 1 данной работы [1] обсуждалась проблема анализа экспериментальных данных по усилению железобетонных конструкций полимерными композиционными материалами и отмечалось, что в подавляющем большинстве публикаций излагаются общие представления об усилении железобетонных конструкций с помощью полимерных композитных материалов, излагается с некоторыми нюансами технология наклеивания композитов, в ряде работ приводится описание методики расчета усиливаемых композитными материалами железобетонных конструкций по методу предельных состояний. Однако экспериментальных исследований, посвященных анализу поведения усиленных полимерными композиционными материалами железобетонных конструкций, недостаточно, их описание разбросано по различным статьям, диссертационным работам, что затрудняет их сопоставление и анализ. Поэтому авторы данной работы поставили задачу собрать и проанализировать доступные отечественные экспериментальные данные по усилению железобетонных конструкций полимерными композиционными материалами, причем рассмотрение ограничить только работами, в которых не просто приведены результаты экспериментальных исследований, но и описаны испытываемые образцы, применяемые материалы, режимы и условия проведения испытаний. С нашей точки зрения только такие результаты представляют ценность, ибо они могут быть подвергнуты проверке. Мы также полагаем, что ценность корректно поставленных и описанных экспериментальных исследований непреходяща, ибо на их основе можно разрабатывать и предлагать модели деформирования и разрушения различной сложности и точности и тем самым стимулировать развитие теорий деформирования и разрушения, конструкций армированных различными материалами.

При изложении основного материала был принят следующий порядок изложения:

• эксперименты при статическом нагружении;

• экспериментальные исследования влияния температуры;

• экспериментальные исследования влияния агрессивных сред, физических полей;

• длительные экспериментальные исследования (выносливость, ползучесть, длительная прочность);

• экспериментальные исследования при режимном или динамическом нагружении.

В первой части работы были рассмотрены результаты отечественных испытаний при статическом нагружении.

1. Экспериментальные исследования влияния циклического замораживания и оттаивания на не усиленные и усиленные железобетонные балки

Если в железобетонных конструкциях коэффициенты температурного расширения бетона и арматуры близки и поэтому при изменении температуры в них практически не возникает температурных напряжений, то коэффициенты температурного расширения бетона и полимерного композитного материала, используемого для усиления железобетонных конструкций, различаются, и потому представляет интерес экспериментальное исследование поведения усиленных конструкций при различных температурах.

По всей видимости, исследование влияния температуры на усиленные полимерными композиционными материалами железобетонные конструкции в России впервые было проведено под руководством С.А. Бокарева [2, 3, 4].

В работе [2] описаны экспериментальные исследования морозостойкости железобетонных балок прямоугольного поперечного сечения, размерами 120*140 мм, длиной 1 м из бетона с характеристиками В 30, F300, W6. Для испытаний было изготовлено две партии балок, партия А - без усиления, и партия Б с усилением одним слоем композиционного материала (ткань из углеродных волокон Sika Wrap R 530 С(VP)) шириной 120 мм, то есть по всей ширине нижней грани (рис. 1).

Рисунок 1 Схемы армирования балок различных партий [3]

Ткань наклеивалась с помощью двухкомпонентного эпоксидного клея марки Sikadur R - 530. В каждой партии были контрольные образцы, не подвергаемые испытаниям в морозильной камере, и образцы, подвергаемые попеременному замораживанию и оттаиванию в морозильной камере «WEISS» WT1¹⁰⁰⁰ в соответствии с требованиям ГОСТ 10060.2-95 по третьему ускоренному методу определения морозостойкости с замораживанием до -50? С. Все испытываемые образцы балок подвергались насыщению 5% водным раствором хлористого натрия в емкостях из оцинкованной стали, причем уровень раствора был выше верхней грани насыщаемых балок на 20 мм. Насыщение проводилось в течение 96 часов при температуре 18^оС. Контрольные балки из партии А (не усиленные) после насыщения раствором извлекались из емкостей и после подсушивания в течение 2 - 4 часов подвергались испытаниям на изгиб на прессе WPM-300 по схеме трехточечного изгиба. Усиленные образцы из партии Б после насыщения раствором помещались в емкости с раствором и подвергались попеременному замораживанию и оттаиванию в камере. После четырех, восьми и двенадцати циклов замораживания и оттаивания образцы из партии Б также подвергались силовому нагружению.

При испытаниях все не усиленные образцы из партии А разрушались в середине пролета в зоне максимального изгибающего момента по сжатой части сечения.

Разрушение усиленных образцов из партии Б после 4 циклов замораживания и оттаивания происходило вследствие отслоения композиционного материала по контакту «клей - бетон» но не в середине пролета балки, а в зоне образования наклонной трещины (где наибольшие главные напряжения). Такой же характер разрушения обнаружен при испытаниях усиленных балок, но без замораживания и оттаивания, причем оказалось, что после четырех циклов замораживания и оттаивания практически не произошло снижения несущей способности балок. При этом на поверхности балок после 4 циклов наблюдалось незначительное морозное разрушение бетона. Разрушающая нагрузка для балок из партии А (не усиленных) составила 8,12 тс, а балок из партии Б (усиленных) 11,2 тс. Причем, если разрушение балок партии А происходило путем постепенного и значительного увеличения прогиба (как при деформировании балок из пластического материала), то разрушение усиленных балок происходило без значительного развития прогибов (то есть имело характер деформирования как у балок из хрупкого материала).

Результаты испытаний балок партии Б (усиленных) после 8 и 12 циклов попеременного замораживания и оттаивания позволили установить, что разрушение балок происходило из-за образования наклонной трещины с разрушением бетона защитного слоя (между рабочей арматурой и слоем усиления). После 8 циклов замораживания и оттаивания разрушающая нагрузка для балок партии А (не усиленных) составила, как и ранее 8,12 тс, а для партии Б (усиленных) 10,2 тс, после же 12 циклов замораживания и оттаивания разрушающая нагрузка для балок партии А (не усиленных) составила 7,87 тс, а для партии Б 10,06 тс. Графики, иллюстрирующие кинетику нарастания прогибов при нагружении балок партии А и партии Б после 8 циклов попеременного замораживания и оттаивания приведены на рисунке 2, а после 12 циклов - на рисунке 3.

Рисунок 2 Кривые нагрузка - прогиб для не усиленных (А) и усиленных (Б) балок после 8 циклов попеременного замораживания и оттаивания [3]

Рисунок 3 Кривые нагрузка - прогиб для не усиленных (А) и усиленных (Б) балок после 12 циклов попеременного замораживания и оттаивания [3]

Как видно, на обоих графиках увеличение прогиба балок партии А (не усиленных) протекает подобно деформированию балок из пластического материала со значительным увеличением прогиба перед разрушением, в то же время увеличение прогиба балок партии Б (усиленных) напоминает деформирование балок из хрупкого материала, то есть без значительного увеличения прогиба перед разрушением. В этом есть определенная опасность, так как получается, что усиленные балки при быстром увеличении нагрузки могут внезапно разрушиться, не предупредив об этом развитием больших деформаций.

Интересно, что не обнаружено влияние попеременного замораживания и оттаивания на адгезию эпоксидного клея к бетону.

Ниже, в таблице 1 приведены величины разрушающей нагрузки для усиленных и не усиленных балок при разных значениях марки F по морозостойкости бетона балок и числе циклов замораживания и оттаивания.

По результатам испытаний можно сделать два замечания. Во-первых, количество циклов замораживания и оттаивания в эксперименте не такое уж большое. Ведь реальные железобетонные конструкции подвергаются гораздо большему количеству циклов замораживания и оттаивания, особенно в центральной части России, где в последнее время увеличилось количество «сиротских» зим, когда в течение зимнего периода наблюдается до 10 - 15 циклов потепления и понижения температуры с переходом через ноль. Поэтому было бы интересно проанализировать в эксперименте поведение усиленных конструкций после значительно большего числа циклов замораживания и оттаивания.

Во-вторых, усиления железобетонных балок производилось наклеиванием композиционного материала на здоровый бетон, не подвергающийся каким-либо силовым и климатическим воздействиям. В реальности, усиливать приходится не здоровые, а поврежденные в процессе эксплуатации железобетонные конструкции, поверхности которых перед усилением приходится залечивать, выравнивать и оказывается, что после ремонта в эксплуатации находится конструкция, состоящая из слоев бетона разного возраста и разных механических характеристик. Поэтому представляет интерес выяснить, а как поведут себя такие конструкции после усиления при попеременном замораживании и оттаивании.

Таблица 1

Разрушающая нагрузка для усиленных (Б) и не усиленных (А) балок при разных значениях марки F по морозостойкости бетона балок и числе циклов замораживания и оттаивания [3]