О некоторых результатах экспериментальных исследований прочности и деформативности сжатых усиленных элементов обоймами с использованием самоуплотняющегося сталефибробетона

Существует достаточно много способов усиления железобетонных колонн. Самым простым по трудовым и экономическим затратам являются обоймы. Данный вопрос хорошо изучен, что отражено в литературе [5], однако с развитием инновационных материалов существующих способов усиления недостаточно.

В развитие работ [2, 6], авторами статьи проведены экспериментальные исследования влияния на прочность и деформативность сжатых железобетонных колонн разновидности бетона усиления.

В соответствии с нормами проектирования железобетонных элементов [5] были изготовлены образцы колонн сечением 80 x 140 мм, длиной 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 поликарбоксилат концентрацией 1,5 % от массы цемента. Осадка конуса 22–24 см. 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 стале-фибробетона (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 изготовлялись двух видов:

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

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

Армирование обойм элементов ЭСУ выполнено стандартным: 6 стержней диаметром 8 мм АIII (А400) в продольном направлении и диаметром 6 мм АI (А240) с шагом 80 мм – в поперечном, однако поперечные хомуты были загнуты таким образом, чтобы получилось кольцо.

Армирование обойм в элементах ЭСУ (ф) выполнено комбинированным: стержневым, по аналогии с элементами ЭСУ, и стальной волновой латунированной фиброй (длина волокна 15 мм, диаметр 0,3 мм, l/d=50). Процент армирования был выбран исходя из исследований [1, 7] и составил 2 % фибрового волокна по объёму, то есть 130 кг/м3. Высота обойм принималась из опыта проектирования равной высоте колонны.

Следует отметить, что стальная фибра вводилась в состав бетона постепенно. Вследствие использования добавки поликарбоксилат, а также постепенного введения фибры в бетонной смеси не образовывались комки и ежи, цементное тесто не скапливалось на фибре, а фибра, в свою очередь, равномерно распределялась по объёму фибробетона. К числу положительных моментов стоит отнести и тот факт, что бетонная смесь после заливки в металлоформы не уплотнялась механически. Таким образом, была сокращена трудоёмкость изготовления железобетонных элементов.

Для предотвращения смятия в опорных частях обоймы шаг поперечных хомутов уменьшался вдвое в соответствии с [3].

Для измерения деформаций на продольную и поперечную арматуру наклеивались фольговые тензорезиторы КФ5П1-20-200, на них наносился герметик. 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 Самарской области).

Статические испытания проводилось в строительной лаборатории кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Тольяттинского государственного университета с использованием пресса П-250 на осевое сжатие. Нагрузка прикладывалась ступенями, равными 10 % от разрушающей нагрузки. Регистрация деформаций осуществлялась тензометрической станцией ММТС-64.01.

Проведенные исследования показали, что железобетонные элементы ЭС разрушались с образованием продольных трещин. Усиленные образцы разрушались по обойме, заметного отслоения бетона обойм не обнаружено. Экспериментальные элементы разрушались по обойме с образованием продольных трещин, выпучивания продольной арматуры не обнаружено. Характер разрушения обойм показывает наличие в них поперечных деформаций (рис. 1).

Разрушающая нагрузка для образцов ЭС составила в среднем 225 кН. Образцы с обоймой, выполненной из ССФБ (ЭСУ 2-1ф), показали наибольшую несущую способность по сравнению с остальными элементами, которая составила 675 кН. Деформации в продольной арматуре обоймы составили 240·10–5, в поперечной арматуре обоймы – 157·10–5. Несущая способность элементов, обойма которых выполнена из СУБ (ЭСУ 2-1), составила 620 кН. Деформации в продольной арматуре обоймы составили 154·10–5, в поперечной арматуре обоймы – 46·10–5.

Отмечено также, что железобетонные обоймы включались в работу несколько позже, за счёт не- значительного проскальзывания по поверхности элемента.

Элементы ЭСУ (ф) деформировались с образованием сетки мелких «волосяных» трещин (рис. 1), в то время как ЭСУ – с образованием вертикальных трещин, ширина которых многим больше ширины раскрытия в обоймах из ССФБ.

Как видно из рис. 2, 3, в элементах ЭСУ(ф) с ростом нагрузки возрастают продольные и поперечные деформации, однако образование трещин долгое время не наблюдается. Максимальная концентрация сеток трещин отмечена в опорных частях элементов. В то время как в ЭСУ с ростом нагрузки начинает разрушаться элемент, образовываются продольные трещины по всей высоте обоймы.

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

По результатам испытаний самоуплотняющийся сталефибробетон является наиболее выгодным инновационным материалом с точки зрения новизны и технического результата. На данный момент широкое применение данного вида бетона сдерживает пока еще высокая цена фибрового волокна. Как отмечалось в статье [4], существует эмпирическая зависимость между классами бетона на сжатие и растяжение при изгибе. Исходя из этого, ССФБ В20(М250) эквивалентен бетону В30(М400). Таким образом, запустив стальную фибру в массовое производство, есть возможность

Рис. 1. Вид разрушения элементов ЭСУ (ф): 1 – стальная волновая латунированная фибра;

2 – бетон обоймы

Теория расчета строительных конструкций

Рис. 2. Зависимость N-ε sc для элементов: ЭС2-1, ЭСУ 2-1ф, ЭСУ2-1

Рис. 3. Зависимость N-εw для элементов: ЭС2-1, ЭСУ 2-1ф, ЭСУ2-1

снизить стоимость товарного фибробетона по отношению к обычному В30.

Следовательно, есть все предпосылки получить максимальный эффект от применения самоуплотняющегося сталефибробетона.