Особенности применения самоуплотняющегося сталефибробетона при усилении железобетонных колонн

Повышение несущей способности строительных конструкций по-прежнему остаётся актуальной проблемой в современном строительстве. Это объясняется тем, что большое количество действующих объектов было возведено более 20 лет назад. В настоящее время значительно увеличивается потребность в проведении реконструкции промышленных и общественных зданий, а также опор мостов и эстакад трубопроводов. Поэтому возникает необходимость в разработке новых конструктивных решений усиления несущих элементов, в особенности опорных частей сжатых железобетонных колонн, а также введении инновационных материалов в практику строительства.

Для повышения несущей способности железобетонных колонн используют различные способы усиления. Как показал анализ традиционных способов усиления сжатых элементов, железобетонные обоймы считаются самыми простыми и надежными конструктивными решениями усиления и применяются достаточно часто [9]. Данный метод усиления изучается и совершенствуется на протяжении многих лет.

Одним из наиболее важных факторов, определяющих сопротивление сжатых усиленных железобетонных конструкций, является эффект обоймы, то есть способность обойм сдерживать поперечные деформации усиливаемого элемента. Поперечное армирование обойм приводит к увеличению деформативности, по этой проблеме известны исследования [3]. С появлением новых композиционных материалов (фибробетон) исследований эффекта обоймы и новых конструктивных решений обойм в настоящее время недостаточно. В нормативной литературе [8] существуют зависимости и формулы для проектирования фибробетонных конструкций, однако, отсутствуют нормы проектирования усиления с использованием дисперсно армированного бетона (сталефибробетона). Существует нормативный документ [7], в котором имеются рекомендации по проектированию конструкций из некоторых видов фибр, рекомендации по технологии приготовления фибробетонной сме- си, но данный нормативный документ носит рекомендательный характер. А также в нем отсутствуют положения по проектированию усиления конструкций из фибробетона.

Сталефибробетоном называют бетон, дисперсно армированный расположенными в нем стальными волокнами – фибрами. Каждая фибра играет роль стержневой арматуры в железобетоне. Прочность фибробетона на растяжение при изгибе возрастает в 2–3 раза, трещинностойкость – в 1,5– 2 раза по сравнению с бетоном.

Фибробетон для усиления конструкций применяется достаточно редко, его можно встретить только при усилении изгибаемых элементов, а также в конструкциях промышленных полов. Усиление опорных частей сжатых элементов фибробетоном изучено не достаточно. Существуют только некоторые исследования [11].

На рис. 1 представлено конструктивное решение усиления железобетонной колонны с помощью спирального комбинированного армирования.

Рис. 1. Усиление с помощью спирального армирования: 1 – плита перекрытия, 2 – U-образный металлический лоток, 3 – усиливаемая колонна, 4 – фланцы, 5 – болты, 6 – фибробетон, 7 – продольная арматура, 8 – поперечная арматура

В соответствие с [5] производится усиление концевых участков каркаса обоймы. Технический результат достигается обеспечением совместной работы арматурного каркаса и сталефибробетона. В соответствии с этим, несущая способность железобетонной колонны, утратившей несущую способность, существенно возрастает.

Немаловажным аспектом является повышение качества и удобоукладываемости бетонной смеси, а также постепенный отказ от механизированных средств уплотнения. Для доказательства лучших свойств самоуплотняющегося сталефибробетона при усилении железобетонных колонн были изготовлены кубики размерами 100 x 100 x 100 мм из самоуплотняющегося бетона (класс В20) и самоуплотняющегося сталефибробетона, аналогично [6]. Однако в качестве крупного заполнителя был использован гранитный отсев (фр. 0-5), а также местный цемент М400 и песок. Для лучшей удобоукла-дываемости использовалась добавка поликарбоксилат. Для определения оптимального содержания фибрового волокна были проанализированы экспериментальные исследования [1, 10]. В [10] указывается оптимальное количество стального фибрового волокна для элементов, работающих на сжатие. В [1] подробно указывается процентное содержание волокна для элементов, испытанных на изгиб. Сопоставляя указанные выше исследования: по техническим требованиям, учитывая экономический эффект, для использования в обоймах оптимальным значением является 2 % армирования по объёму стальной волновой латунированной фиброй. В соответствии с ГОСТ 10180–2012 в строительной лаборатории кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Тольяттинского государственного университета на прессе МС-500 были испытаны кубики из самоуплотняющегося сталефибробетона (ССФБ). В качестве бетона-матрицы был принят бетон класса В20. В результате получены данные, которые сведены в табл. 1.

Рис. 2. Опытный образец из ССФБ после разрушения

В кубиках из самоуплотняющегося бетона СУБ (класс В20) разрушение происходит по заполнителю, а в кубиках из самоуплотняющегося сталефибробетона по щебню и по фибре (рис.2.). Фибра существенно сдерживает деформации кубиков, поэтому фибробетон в отличие от простого бетона обладает лучшими деформативными свойствами. Также в лаборатории изготовлены балки из ССФБ (130 кг/м³, бетон-матрица В20). Заполнители и фибра были приняты аналогично изготовленным кубикам. ССФБ лучше сопротивляется растяжению и изгибу, что подтверждают лабораторные испытания балок размерами 40 x 40 x 160 мм. Результаты эксперимента занесены в табл. 2.

Отмечено, что введение фибры существенно повышает класс бетона. Если провести аналогию между получившимся классом бетона на изгиб, эмпирически получим соответствующий ему класс бетона на сжатие, то есть, Btb4,0 примерно равен В30 [2].

Исходя из особенностей ССФБ стальная фибра встаёт жестким «скелетом» и препятствует нормальному самоуплотнению. Возможным путём развития предполагается изменить концентрацию поликарбоксилата либо объём фибрового армирования.

Таблица 1

Результаты испытаний опытных образцов-кубиков

Таблица 2

Результаты испытания опытных образцов-балок

Таким образом, применение самоуплотняющегося сталефибробетона целесообразно в качестве усиления железобетонных колонн реконструируемых зданий и сооружений.

Поднебесов П.Г., Теряник В.В.