Экспериментальное исследование работы железобетонных балок с разрушенным бетоном защитного слоя растянутой зоны и коррозией арматуры, восстановленных с использованием сухих смесей ЭМАКО

Самарский государственный университет путей сообщения

В статье представлены результаты экспериментальных исследований работы железобетонных балок, с различной степенью коррозии продольной растянутой арматуры и разрушением бетона защитного слоя растянутой зоны, после их восстановления. Приведен анализ влияния характера повреждения железобетонных балок на их работу и возможность восстановления, а также влияния восстановления бетона защитного слоя на прочность, трещиностойкость и жесткость. Даны результаты исследования совместности работы бетона восстановленных балок с ремонтными смесями, и рекомендации по восстановлению изгибаемых железобетонных конструкций с помощью сухих смесей “ЭМАКО”.

Одним из наиболее распространенных повреждений железобетонных конструкций является разрушение бетона защитного слоя в результате коррозии арматуры. При этом происходит потеря сцепления арматуры с бетоном. Результаты многочисленных натурных обследований эксплуатируемых железобетонных конструкций показывают, что примерно до 35% обнаруженных поврежденных конструкций имеют нарушенное сцепление арматуры с бетоном [1]. В большей степени такой вид повреждения характерен для изгибаемых железобетонных элементов – плит, ригелей, балок. Такие повреждения приводят к снижению несущей способности железобетонных конструкций, их жесткости и трещиностойко-сти [2]. Обеспечение работоспособности поврежденных таким образом железобетонных конструкций может осуществляться двумя способами: восстановлением или усилением.

Применяемые в настоящее время способы восстановления несущей способности и усиления железобетонных конструкций отличаются большим разнообразием в зависимости от типа конструкции, характера и степени повреждений и причин их возникновения. Для восстановления железобетонных конструкций без изменения их расчетной схемы и напряженного состояния, в последнее время начали широко применяться сухие бетонные смеси. При этом для выполнения качественного и надежного восстановления конструк- ций, используемые смеси при затворении водой должны образовывать пластичный текучий нерасслаиваемый раствор, обладающий целым рядом свойств: высокой прочностью на сжатие и растяжение; высокой скоростью набора прочности; отсутствием усадки; высокой степенью сцепления со старым бетоном и арматурой; высокой морозостойкостью и водонепроницаемостью; хорошей удобоукладываемостью при малом водоцементном отношении. Перечисленными выше свойствами обладают сухие смеси серии “ЭМАКО”, выпускаемые ЗАО “Ирмаст-Холдинг” по лицензии итальянской фирмы “MAC”, используемые для восстановления любых железобетонных конструкций и сооружений гражданского и промышленного назначения [3, 4].

Опыт применения сухих смесей серии “ЭМАКО” в практике восстановления конструкций и сооружений довольно велик [5, 6], но, несмотря на это, специальных исследований работы восстановленных железобетонных конструкций, как экспериментальных, так и теоретических, практически нет. В связи с этим весьма актуальным становится проведение исследований в этой области.

Для разработки инженерных методов расчета и оценки работоспособности изгибаемых железобетонных конструкций, имеющих повреждения и восстановленных при помощи сухих смесей “ЭМАКО”, на кафед- ре “Строительные конструкции и материалы” СамГУПС были проведены экспериментальные исследования специальных опытных образцов в виде железобетонных балок прямоугольного сечения.

Было изготовлено пять опытных образцов, один из которых являлся эталонным (БЭ) и не имел повреждений, а в остальных образцах имитировалось разрушение бетона защитного слоя растянутой зоны и различная степень коррозии продольной растянутой арматуры. Затем образцы восстанавливались с помощью сухой смеси до первоначального состояния без увеличения рабочего сечения. Размеры всех балок (b=120 мм, h=220 мм, l=2000 мм) и их армирование были приняты одинаковыми. В качестве основной рабочей арматуры принята арматура класса А-III, для хомутов использована проволока класса Вр-I.

Процент армирования балок составлял 2,6% и являлся для них граничным ( ξ ≈ ξ _R ). Поперечное армирование подбиралось таким образом, чтобы опытные образцы были равнопрочными по нормальным и наклонным сечениям.

Конструкция опытных образцов приведена на рис. 1, 2.

Бетон для опытных образцов был принят класса В20, как наиболее характерный для большинства эксплуатируемых в настоящее время изгибаемых железобетонных конструкций.

Было предусмотрено изучение работы восстановленных опытных образцов имев- ших повреждения в виде полного разрушения бетона защитного слоя растянутой зоны с оголением и коррозией продольной растянутой арматуры на 36% (БР-1, БР-1т) и 64% (БР-2, БР-2т) и полной коррозией участков хомутов попавших в растянутую зону.

Перечисленные выше повреждения создавались на стадии изготовления опытных образцов. С помощью пенопласта, до заливки бетона в опалубку, имитировалось разрушение бетона защитного слоя растянутой зоны с оголением арматуры (рис. 2). Коррозия продольной растянутой арматуры на 36% имитировалась заменой 2Ж20 А-III рабочей арматуры на 2Ж16 А-III. Коррозия продольной растянутой арматуры на 64% имитировалась заменой 2Ж20 А-III рабочей арматуры на 2Ж12 А-III. Полная коррозия участков хомутов попавших в растянутую зону с разрушенным защитным слоем создавалась заменой замкнутых хомутов на П-образные.

Кроме того, в образцах БР-1т и БР-2т в пролете среза, в процессе изготовления, были образованы по две искусственных наклонных трещины с каждой стороны (рис. 2 а).

Армирование опытных образцов, в которых имитировалась коррозия продольной растянутой арматуры, восстанавливалось до первоначального путем добавления в растянутую зону 2Ж12 А-III при коррозии 36% и 2Ж16 А-III при коррозии 64%. При этом добавленные арматурные стержни не заводились за грань опоры.

Рис. 1. Конструкция эталонного опытного образца

a)

искусственные трещины _____ (для образцов БР-1т, БР-2т)

участок восстановления бетона защитного слоя растянутой зона арматура_____ восстановления

участок восстановления бетона защитного слоя растянутой зоны

05 Bp-I

016 А-Ш

012 А-Ш*

в)

арматура восстановления 012 А-Ш, 016 А-Ш*

Примечание: * - для образцов БР-2, БР-2т

Рис. 2. Конструкция опытных образцов с повреждениями а – продольный разрез образца после восстановления; б – поперечное сечение образца до восстановления; в – поперечное сечение образца после восстановления

После набора бетоном прочности, опытные образцы, имеющие повреждения, были восстановлены ремонтной смесью ЭМАКО S55 наливного типа. Приготовление ремонтной смеси, и восстановление образцов производилось в соответствии с рекомендациями производителей [7].

Опытные образцы испытывались как однопролетные балки распределенными силами в третях пролета.

Установка для испытания образцов показана на рис. 3.

Для измерения деформаций бетона сжатой зоны в сечении, расположенном в середине пролета, на верхнюю грань каждого образца наклеивались два тензорезистора, а на боковые грани по высоте сечения наклеивались четыре тензорезистора с каждой стороны с интервалом 25 мм. Деформации арматуры в этом же сечении измерялись тензо-резисторами с базой 20 мм. В зоне действия поперечных сил на уровне центра тяжести приведенного сечения наклеивались по три тензорезистора в виде розетки. Для измере- ний деформаций бетона использовались тен-зорезисторы с базой 50 мм. Для регистрации показаний тензорезисторов использовался автоматический электронный измеритель деформаций АИД-4 в блоке с магазинами сопротивлений Р33 [8].

Прогибы образцов в середине пролета и в сечениях под силами, а также осадки опор измерялись прогибомерами ПАО-6.

Загружение образцов производилось ступенями. Для стадии, близкой к моменту тре-щинообразования, нагрузку увеличивали ступенями, не превышающими 5% от разрушающей. Далее, вплоть до разрушения образца, не более 10%. Выдержка на каждой ступени составляла 10 минут, при этом показания с приборов снимались в начале и в конце ступени.

Нагрузка создавалась вручную с помощью гаек через опорные подшипники и распределялась через систему траверс. Величины приложенных сил контролировались по показаниям образцового динамометра типа ДОСМ-50 системы Н.Г. Токаря.

Рис. 3. Установка для испытания опытных образцов

При испытаниях на каждой ступени фиксировалось визуально (с использованием ацетона) появление и развитие трещин. Ширина их раскрытия измерялась при помощи микроскопа МПБ-2 с ценой деления 0,05 мм.

Перед испытанием опытных образцов были определены прочностные и деформа-тивные характеристики арматура, а также прочностные характеристики исходного бетона и ремонтной смеси.

Разрушение эталонного образца (БЭ) носило хрупкий характер и произошло вследствие раздавливания бетона сжатой зоны при нагрузке 112 кН. Высота сжатой зоны бетона составила 10,5 см, при этом напряжения в арматуре не достигли предела текучести, и составляли 340 мПа, то есть почти достигали расчетного сопротивления на растяжение. Нормальные трещины образовались при нагрузке 0,16 Pразр , а ширина их раскрытия при этом составила 0,05 мм. С ростом нагрузки трещины развивались по высоте, при этом интенсивное их развитие наблюдалось вплоть до приложения нагрузки 0,74Pразр , затем их рост практически остановился. Расстояние между нормальными трещинами к моменту разрушения образца составляло 5...8 см. Наклонные трещины образовывались при нагрузке 0,5 Pразр и развивались под углом ≈ 45о к оси продольной арматуры. Ширина раскрытия при этом составляла 0,05 мм. В тоже время ширина раскрытия нормальных трещин при этой же нагрузке составляла 0,1...0,15 мм. Всего в образце образовывалось 8 наклонных трещин (рис. 4 а).

Разрушение восстановленных образцов происходило при нагрузках 117 кН (БР-1), 110 кН (БР-1т), 96 кН (БР-2) и 99 кН (БР-2т), вследствие потери сцепления растянутой арматуры с ремонтным составом, включая арматуру восстановления, чему способствовало образование наклонных трещин в бетоне (рис. 4). При этом характерным было образование трещин (при нагрузке 0,8...0,95 P _разр ) в ремонтной смеси вдоль арматуры в пролете среза. По мере увеличения нагрузки продольные трещины объединялись в одну магистральную, шириной раскрытия до 0,5...0,8 мм, обусловливая проскальзывание арматуры восстановления в защитном слое. Кроме того, в восстановленных образцах, не имеющих искусственных наклонных трещин (БР-1, БР-2), одновременно с выключением арматуры из работы происходило отслоение лещадок бетона сжатой зоны в месте приложения нагрузки.

В восстановленных образах по мере возрастания нагрузки образовывались горизонтальные трещины между бетоном и ремонтным составом, вследствие нарушения сцепления между ними (рис. 4). Начальная ширина раскрытия достигала 0,05 мм, длина 6...10 см,

а)

б)

в)

г)

д)

Рис. 4. Вид опытных образцов после испытаний а – образец БЭ; б – образец БР-1; в – образец БР-1т; г – образец БР-2; д – образец БР-2т

в дальнейшем тещины объединялись. Наиболее значительные по длине тещины (2/3 от длины поверхности контакта бетона и ремонтного состава) образовались в образцах БР-1, БР-1т и БР-2. Причем в образце БР-2 трещины появились до приложения нагрузки. В образце БР-2т такие трещины начали проявляться на последних ступенях загружения. Ширина раскрытия продольных трещин по контакту бетона и ремонтного состава перед разрушением для образцов с коррозией растянутой арматуры на 36% составляла 0,5...1 мм, а для образцов с коррозией растянутой арматуры на 64% – 0,3...0,35 мм.

В восстановленном защитном слое поврежденных образов были отмечены начальные усадочные трещины (рис. 4). Ширина раскрытия этих трещин перед началом заг- ружения составляла 0,05 мм, шаг 4...7 см. До нагрузки 0,5...0,75 в ремонтном составе возникали новые нормальные трещины, деля участки между начальными усадочными трещинами надвое, таким образом, что среднее расстояние между трещинами к моменту разрушения составило 4 см.

Нормальные трещины в бетоне восстановленных образцов образовались как продолжение некоторых усадочных трещин в средней части пролета при нагрузке 0,2...0,3, шириной раскрытия 0,05 мм. При нагрузке близкой к разрушающей в образцах с коррозией растянутой арматуры 36% было 9 нормальных трещин, а в образцах с коррозией растянутой арматуры 64% – 5 нормальных трещин (рис. 4). Шаг этих трещин был не постоянным, и расстояние между ними составляло от 5 до 15 см. Наклонные трещины во всех образцах образовывались при нагрузке 0,25...0,5 и развивались под углом 45о к оси продольной арматуры, с уменьшением угла по мере увеличения нагрузки, ширина раскрытия при этом составляла 0,05...0,1 мм. В тоже время ширина раскрытия нормальных трещин уже составляла 0,05...0,2 мм, далее они не раскрывались и удлинялись незначительно. В образцах имеющих искусственные наклонные трещины их проявление на поверхности и начало развития происходило при нагрузке 0,18...0,25. В каждом образце образовывалось от 4 до 10 наклонных трещин (рис. 4).

На стадии близкой к разрушению ширина раскрытия нормальных трещин в бетоне восстановленных образов на уровне контакта бетона и ремонтного состава составляла 0,05...0,1 мм, ширина раскрытия наклонных тещин составляла 0,7...1 мм. Ширина раскрытия нормальных трещин в ремонтном составе достигла 0,35 мм.

На рис. 5. представлен график зависимости прогибов опытных образцов от нагрузки.

Полученные в результате экспериментальных исследований распределения продольных деформаций по высоте сечений опытных образцов представлены на рис. 6.

По результатам проведенного эксперимента можно сделать следующие выводы:

• 1.    Незначительный разброс прочности опытных образцов свидетельствует о полном восстановлении прочностных свойств образцов с коррозией растянутой арматуры на 36% и о частичном (на 85%) восстановлении образцов с коррозией растянутой арматуры на 64%, что характеризует возможность смесей ЭМАКО S55 достаточно эффективно восстанавливать железобетонные конструкции. Искусственные наклонные трещины на прочность опытных образцов ощутимого влияния не оказывают.

• 2.    Трещиностойкость всех восстановленных образцов соответствует трещиностойкос-ти эталонного образца, за исключением образцов с коррозией продольной растянутой арма-

  

  Рис. 5. График прогибов опытных образцов

  
  
  

  Рис. 6. Распределение деформаций по высоте сечения образцов на различных этапах нагружения: а – образование нормальных трещин в бетоне; б – образование наклонных трещин; в – разрушение образца

  
  

• 3.    Процесс разрушения всех восстановленных образцов можно характеризовать как разрушение по наклонной трещине в бетоне от действия изгибающих моментов, вследствие потери сцепления продольной растянутой арматуры с ремонтным составом в пролете среза.

• 4.    Добавленная арматура в восстановленных образцах на протяжении всего испытания работает практически совместно с основной арматурой вплоть до разрушения.

• 5.    При разработке методики расчета восстановленных изгибаемых конструкций, с разрушением бетона защитного слоя растянутой зоны и коррозией арматуры, особое внимание следует обратить на анализ работы таких конструкций в наклонных сечениях при действии изгибающих моментов.

туры на 64%, в которых образование наклонных трещин происходило более интенсивно.