Испытания внецентренно сжатых железобетонных элементов, усиленных обоймами с использованием самоуплотняющегося сталефибробетона

Наиболее распространённым способом увеличения несущей способности сжатых элементов является усиление железобетонными обоймами [1–3].

Однако у данного метода есть ряд недостатков:

– чтобы увеличить класс бетона усиления, необходимо повышать количество цемента в бетонной смеси, что не всегда экономически выгодно;

– недостаточная прочность традиционного тяжелого бетона на изгиб, что сказывается на его хрупкости при разрушении;

– недостаточная трещиностойкость традиционного вида бетона.

В данной статье авторами предлагается использовать самоуплотняющийся сталефибробетон (ССФБ) в качестве бетона усиления сжатых железобетонных элементов. Как показал анализ литературных источников, а также лабораторный эксперимент, ССФБ является перспективным материалом в качестве бетона усиления железобетонных колонн.

В развитие работ [1, 2, 4–6], авторами статьи проведены экспериментальные исследования влияния на прочность и деформативность сжатых железобетонных колонн разновидности бетона усиленияи эксцентриситета приложения нагрузки.

В соответствии с нормами проектирования железобетонных элементов [9, 10] были изготовлены образцы колонн сечением 80x140 мм, высотой 900 мм (λ = 39) из самоуплотняющегося бетона В20 (М250) состава 1:0,91:3,14 при водоцементном отношении 0,52. В качестве крупного заполнителя применялся гранитный отсев фракции 0–5 мм. Эффект самоуплотнения достигался использованием химической добавки поликарбокси- лат концентрацией 1,5 % от массы цемента. Диаметр расплыва бетонного пятна не менее 63 см и определялся с помощью конуса Абрамса. Контроль прочности осуществлялся испытанием бетонных кубиков стандартной величины. Продольное армирование элементов: 4 стержня диаметром 8 мм АIII (A400), предел текучести 440 МПа, предел прочности 640 МПа, относительное удлинение 27 %. Поперечное армирование выполнено в виде замкнутых хомутов из арматуры 5 мм Вр-I (В500) с шагом 120 мм.

Усиление колонн производилось обоймами круглого сечения с использованием самоуплотняющегося бетона (СУБ) и самоуплотняющегося сталефибробетона (ССФБ). Для исключения смятия колонн была предусмотрена конструкция усиления оголовка. Способ обработки поверхности усиливаемого элемента был выбран стандартным, то есть за 1 час до бетонирования поверхность колонны очищалась от пыли щетками и промывалась водой.

Обоймы изготавливались двух видов:

– из СУБ В20 (М250) состава 1:0,91:3,14;

– из ССФБ, бетон-матрица В20 (М250) состава 1:0,91:3,14.

Для простоты описания элементов приняты следующие обозначения: ЭВС – элемент на вне-центренное сжатие, неусиленный. ЭВСУ – элемент на внецентренное сжатие, усиленный обоймой из самоуплотняющегося бетона. ЭВСУ (ф) – то же с обоймой из сталефибробетона.

Армирование обойм элементов ЭВСУ выполнено по аналогии с [3], в элементах ЭВСУ (ф) выполнено комбинированным:

– стержневым, по аналогии с элементами ЭВСУ;

– объёмным: с использованием стальной волновой латунированной фибры марки ФСВ-В-0,3/15(15 x 0,3).

Процент армирования выбран согласно [5] и составил 2 % фибрового волокна по объёму. Высота обойм принята равной 600 мм.

Как показали исследования [7], интенсивность роста прочности сталефибробетона с использованием высокопрочной волновой фибры 15 x 0,3 близка к полученной для сталефибробетона с высокопрочной фиброй с анкерами 30 x 0,3. Используемая в исследованиях волновая фибра ФСВ-В-0,3/15 позволила получить фибробетон с процентом армирования более 1,5 % без образования «ежей» при перемешивании.

Следует отметить, что стальная фибра вводилась в состав бетона постепенно. Вследствие использования добавки, а также постепенного введения фибры в бетонную смесь, образования комков и «ежей» не происходило; цементное тесто не скапливалось на фибре, а фибра в свою очередь равномерно распределялась по объёму сталефибробе-тона. К числу положительных свойств стоит отнести эффект самоуплотнения, то есть бетонная смесь не уплотнялась механическими средствами. Таким образом, была сокращена трудоёмкость изготовления железобетонных элементов.

Для предотвращения смятия в опорных частях обоймы шаг поперечных хомутов уменьшался вдвое [8].

Для измерения деформаций на продольную и поперечную арматуру наклеивались фольговые тензорезисторы КФ5П1-20-200. Гидроизоляция выполнялась слоем эпоксидной смолы. Расположение тензорезисторов было следующим: продольная арматура усиливаемого элемента и обоймы, поперечная арматура обоймы.

Для испытания элементы изготовлены с симметричным армированием на формовочном участке завода ТЗЖБИ (г. Тольятти, Самарская область).

Статические испытания проведены в строительной лаборатории кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Тольяттинского государственного университета с использованием пресса П-250 на внецентренное сжатие. Схема нагружения представлена в виде шарниров в опорных частях элементов. Нагрузка прикладывалась ступенями, равными 10 % от разрушающей нагрузки. Регистрация деформаций осуществлялась тензометрической станцией ММТС-64.01. Результаты испытаний приведены в табл. 1. Результаты испытаний опытных образцов по деформациям в обоймах представлены в табл. 2, в усиливаемых элементах – в табл. 3.

Результаты испытаний опытных образцов по нагрузке

Таблица 1

№ серии	Наименование элемента	e 0 /h	Экспериментальное значение нагрузки, кН	Среднее экспериментальное значение, кН	% увеличения несущей способности
1	ЭВС 1-1 ЭВС 2-1 ЭВС 3-1	0,143	294,0 220,5 267,5	260,7	–
2	ЭВС 1-2 ЭВС 2-2 ЭВС 3-2	0,286	245,0 220,5 245,0	237,0	–
3	ЭВС 1-3 ЭВС 2-3 ЭВС 3-3	0,429	122,5 142,1 68,6	111,1	–
4	ЭВСУ 1-1 ЭВСУ 2-1 ЭВСУ 3-1	0,143	392,0 294,0 338,1	341,4	31
5	ЭВСУ 1-1ф ЭВСУ 2-1ф ЭВСУ 3-1ф	0,143	367,5 343,0 416,5	375,7	44
6	ЭВСУ 1-2 ЭВСУ 2-2 ЭВСУ 3-2	0,286	269,5 240,1 269,1	259,6	10
7	ЭВСУ 1-2ф ЭВСУ 2-2ф ЭВСУ 3-2ф	0,286	323,4 298,9 298,9	307,1	30
8	ЭВСУ 1-3 ЭВСУ 2-3 ЭВСУ 3-3	0,429	127,4 137,2 117,6	127,4	15
9	ЭВСУ 1-3ф ЭВСУ 2-3ф ЭВСУ 3-3ф	0,429	166,6 171,5 225,4	187,8	69

Таблица 2

Результаты испытаний опытных образцов по деформациям (в обоймах)

№ п/п	Наименование элемента	e 0 /h	Средние относительные деформации (поперечные)		Средние относительные еформации (продольные)
			Сжатая зона	Растянутая зона	Сжатая зона	Растянутая зона
1	ЭВС 1-1 ЭВС 2-1 ЭВС 3-1	0,143	–	–	298 х 10-5	320 х 10-5
2	ЭВС 1-2 ЭВС 2-2 ЭВС 3-2	0,286	–	–	276 х 10-5	295 х 10-5
3	ЭВС 1-3 ЭВС 2-3 ЭВС 3-3	0,429	–	–	270 х 10-5	282 х 10-5
4	ЭВСУ 1-1 ЭВСУ 2-1 ЭВСУ 3-1	0,143	40 х 10-5	101 х 10-5	5 х 10-5	51 х 10-5
5	ЭВСУ 1-1ф ЭВСУ 2-1ф ЭВСУ 3-1ф	0,143	150 х 10-5	198 х 10-5	15 х 10-5	76 х 10-5
6	ЭВСУ 1-2 ЭВСУ 2-2 ЭВСУ 3-2	0,286	22 х 10-5	121 х 10-5	5 х 10-5	40 х 10-5
7	ЭВСУ 1-2ф ЭВСУ 2-2ф ЭВСУ 3-2ф	0,286	149 х 10-5	172 х 10-5	31 х 10-5	52 х 10-5
8	ЭВСУ 1-3 ЭВСУ 2-3 ЭВСУ 3-3	0,429	20 х 10-5	78 х 10-5	7 х 10-5	20 х 10-5
9	ЭВСУ 1-3ф ЭВСУ 2-3ф ЭВСУ 3-3ф	0,429	28 х 10-5	225 х 10-5	26 х 10-5	27 х 10-5

Таблица 3

Результаты испытаний опытных образцов по деформациям (в усиливаемом элементе)

№ п/п	Наименование элемента	e 0 /h	Средние относительные деформации (продольные)
			Сжатая зона	Растянутая зона
1	ЭВСУ 1-1 ЭВСУ 2-1 ЭВСУ 3-1	0,143	284 х 10-5	335 х 10-5
2	ЭВСУ 1-1ф ЭВСУ 2-1ф ЭВСУ 3-1ф	0,143	315 х 10-5	356 х 10-5
3	ЭВСУ 1-2 ЭВСУ 2-2 ЭВСУ 3-2	0,286	280 х 10-5	302 х 10-5
4	ЭВСУ 1-2ф ЭВСУ 2-2ф ЭВСУ 3-2ф	0,286	266 х 10-5	298 х 10-5
5	ЭВСУ 1-3 ЭВСУ 2-3 ЭВСУ 3-3	0,429	277 х 10-5	295 х 10-5
6	ЭВСУ 1-3ф ЭВСУ 2-3ф ЭВСУ 3-3ф	0,429	271 х 10-5	284 х 10-5

Некоторые результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Зависимость N–ε s для элементов:

1 – без усиления; 2 – усиление при помощи СУБ;

3 – усиление при помощи ССФБ

Рис. 2. Зависимость N–ε sс для элементов:

1 – без усиления; 2 – усиление при помощи СУБ;

3 – усиление при помощи ССФБ

Прочность и деформативность усиленных колонн при e0/h = 0,143

Неусиленные элементы разрушались с образованием поперечных трещин и отколом бетона в середине сжатой зоны. Значение разрушающей нагрузки составило в среднем 260,7 кН. При достижении разрушающей нагрузки элемент полностью терял несущую способность.

Разрушение внецентренно сжатых элементов при e 0 /h = 0,143, усиленных обоймами с использованием различных видов бетона усиления, происходило по обойме. В колоннах, усиленных самоуплотняющимся бетоном ЭВСУ значение разрушающей нагрузки составило в среднем 341,4 кН, а в образцах, усиленных самоуплотняющимся ста-лефибробетоном, – 375,7 кН.

Отмечено увеличение несущей способности усиленных элементов за счет эффекта обоймы.

Прочность и деформативность усиленных колонн при e0/h = 0,286

Неусиленные элементы разрушались с образованием поперечных трещин и отколом бетона в нижней трети сжатой зоны. Значение разрушающей нагрузки составило в среднем 237,0 кН. При достижении разрушающей нагрузки элемент полностью терял несущую способность.

Разрушение внецентренно сжатых элементов при e 0 /h = 0,286, усиленных обоймами с использованием различных видов бетона усиления, происходило по обойме. При этом в растянутой зоне обоймы образовались поперечные трещины, а в сжатой зоне наблюдалось образование как поперечных, так и продольных трещин. В колоннах, усиленных самоуплотняющимся бетоном (ЭВСУ), значение разрушающей нагрузки составило в среднем 259,6 кН, а в образцах, усиленных самоуплотняющимся сталефибробетоном, – 307,1 кН.

Отмечено увеличение несущей способности усиленных элементов за счет эффекта обоймы.

Прочность и деформативностьусиленных колонн при e0/h = 0,429

Неусиленные элементы разрушались с образованием поперечных трещин и отколом бетона в нижней трети сжатой зоны. Значение разрушающей нагрузки составило в среднем 111,1 кН. При достижении разрушающей нагрузки элемент полностью терял несущую способность.

Разрушение внецентренно сжатых элементов при e 0 /h = 0,429, усиленных обоймами с использованием различных видов бетона усиления, происходило по обойме, при этом в растянутой зоне обоймы образовались поперечные трещины, а в сжатой зоне наблюдалось образование как поперечных, так и продольных трещин. Разрушение данных образцов происходило намного быстрее, чем при других соотношениях e₀/h.

Отмечено увеличение несущей способности усиленных элементов за счет эффекта обоймы.

Элементы, усиленные при помощи СУБ, разрушались по обойме, с образованием большого количества продольных трещин в сжатой и растянутой зоне (рис. 3, а).

Элементы, усиленные с помощью ССФБ, разрушались по обойме, однако развитие трещин сдерживалось присутствием стальной волновой латунированной фибры (рис. 3, б). Таким образом, на поверхности обоймы видны лишь незначительные проявления трещинообразования.

Независимо от способа увеличения несущей способности (обойма с СУБ, ССФБ), эксцентриситет приложения нагрузки снижает эффект обоймы. Несмотря на то, что несущая способность неусиленных элементов почти одинакова, из рис. 4 видно, что даже при большом значении отношения e 0 /h, разрушающая нагрузка в элементах с ССФБ наибольшая.

Рис. 4. Зависимость N – e 0 /h для железобетонных элементов: 1 – неусиленных; 2 – усиленных обоймами с использованием СУБ; 3 – усиленных обоймами с ССФБ

а)

Рис. 3. Общий вид колонн после проведения испытаний а – колонны ЭВСУ; б – колонны ЭВСУ ( ф)

б)

При большом значении e 0 /h применение самоуплотняющегося сталефибробетона в обоймах позволяет добиться большей несущей способности по сравнению с неусиленными и усиленными СУБ элементами.

Выводы

• 1.    При использовании самоуплотняющегося сталефибробетона в обоймах снижаются трудозатраты на уплотнение бетонной смеси благодаря эффекту самоуплотнения.

• 2.    Повышается деформативность колонн.

• 3.    Исключается хрупкое разрушение обойм: максимально длительное время сдерживается силой сцепления цементного теста со стальной волновой латунированной фиброй за счёт её анкеровки.

• 4.    Увеличение несущей способности железобетонных колонн с применением обойм из ССФБ по сравнению с обоймами из обычного СУБ в 4,6 раза.

По результатам испытаний самоуплотняющийся сталефибробетон является наиболее выгодным материалом с точки зрения новизны и технического результата.

Таким образом, стальная волновая латунированная фибра действительно сдерживает поперечные деформации в обойме железобетонного элемента.