Оценка сцепления композитной арматуры с бетоном
В двадцать первом веке наряду с традиционной арматурой из стали при строительстве зданий широко применяется полимеркомпозитная арматура (ПКА). Она изготавливается из базальтовых, стеклянных или углеродных волокон и полимерных связующих, а также эпоксидных и винил-эфирных смол. Существуют два основных метода производства.
Пултрузия – протяжка ровинга, пропитанного жидким связующим, через фильеру (отверстие) круглого сечения. В ходе протягивания формируется стержень, который обматывается по спирали тонким жгутом или покрывается кварцевым песком.
Нидлтрузия – бесфильерный метод. При этом формирование стержня круглого сечения из ровинга осуществляется методом винтовой обмотки двумя такими же прядями. В ходе процесса ровинг непрерывно протягивается с заданной скоростью.
Свойства композитной арматуры
ПКА относится к волокнистым полимерным композиционным материалам (ПКМ), высокая прочность которых на растяжение обусловлена прочностью входящих в их состав неорганических волокон, прочно связанных полимерной матрицей. Высокая податливость и адгезия обеспечивает их совместную работу под нагрузкой, воспринимает сдвигающие напряжения и при этом придает свойственные только органическим полимерам особенности:
- низкий модуль упругости;
- ползучесть при нагружении (обусловленную вынужденно- эластическими деформациями связующего);
- низкую длительную прочность;
- высокую чувствительность к температуре;
- более высокие, чем у бетона и стали, коэффициенты температурного расширения и сжатия, низкую теплостойкость.
Прочность ПКА на растяжение более чем в три раза превосходит прочность стали. Новый материал не требует защиты от коррозии,в отличие от стали, поэтому с каждым годом он все шире применяется при строительстве зданий и сооружений в России.
Но при этом на сегодняшний день отсутствуют методики расчета и проектирования конструкций с использованием ПКА, в которых бы учитывались ее низкие модуль упругости, теплостойкость и длительная прочность. К тому же, при армировании следует учитывать разную прочность при растяжении, сжатии, сдвиге.
Нужны широкие экспериментальные исследования механического поведения как самой арматуры при длительном нагружении в нормальных условиях эксплуатации, а также при повышенных и циклических температурных воздействиях, так и бетонных конструкций, армированных ПКА.
Необходимо создавать банк экспериментальных данных для расчета и проектирования конструкций и начать, очевидно, нужно с оценки сцепления ПКА с бетоном.
Оценка сцепления ПКА
В настоящее время для оценки сцепления арматуры с бетоном используется метод выдергивания стержней из бетонных кубов, либо балочный метод, по которому испытывают специальные балки на изгиб. Установлен следующий характер разрушения при вырыве арматурных стержней:
- Вырыв арматурных стержней происходит по граничному с арматурой слою бетона, то есть носит когезионный характер и потому ограничивается прочностью бетона на сдвиг, возрастающей с увеличением его класса. Из характера разрушения следует, что сцепление с поверхностью ПКА и стали выше когезионной прочности бетона в граничной зоне.
- Вырыв стержней ПКА с наклеенной винтовой навивкой происходит в результате ее сдвигового отрыва от стержня при испытании образцов бетона класса В 22.5 и выше. Причем разрушение происходит в 2 стадии: вначале при максимальной нагрузке происходит деформационное смещение с отслоением нижних витков навивки ввиду недостаточной прочности их склейки. Количество одновременно отслоившихся витков возрастает с увеличением прочности бетона. На второй стадии при нагрузке 40-50 % от максимальной происходит плавное выдергивание стержня из бетонного цилиндра.
- Вырыв стержней ПКА с предварительно удаленной навивкой происходит равномерно с постоянной скоростью) после достижения определенной для каждого образца максимальной нагрузки. При этом усилие вырыва мало отличается от такового в стержнях с винтовой навивкой.
- Вырыв стержней ПКА с навивкой из малопрочного бетона класса В 12.5 происходит равномерно без срыва навивки при достижении определенной нагрузки.
- Образцы с частично втопленной навивкой выдергиваются из бетонного образца без разрушения навивки и ее отслоения. По характеру разрушения близки к стальной арматуре периодического профиля.
- Уменьшение шага навивки и увеличение ее угла к оси стержня снижает усилие вырыва из бетона всех классов, т.к. адгезия цементного камня к эпоксидной поверхности стержня выше прочности на сдвиг.
- При выдергивании опесчаненных образцов разрушение происходит в зоне контакта: и по бетону, и по слою крупного песка на поверхности ПКА вследствие среза его крупных зерен.
- В результате испытаний образцов гладкой арматуры, покрытой эпоксидным связующим установлено, что величины ее сцепления с бетоном превышают значения сцепления стальной арматуры при выдергивании из образцов аналогичного класса бетона на 30-50 %. Данный факт свидетельствует о приоритетной роли сцепления бетона с поверхностью эпоксидного полимера. Меньшие показатели сцепления обусловлены частичным отслоением эпоксидного покрытия от поверхности стального стержня.
Заключение
Сцепление ПКА с бетоном обеспечивается за счет адгезии, а не механического зацеплением витков в бетоне, в отличие от стальной арматуры. Наклейка на стержень жгута из стеклянных или базальтовых волокон неэффективна, она срезается с поверхности при вырыве. В свою очередь, адгезия бетона превосходит когезионную прочность, это значит, что она достаточна для анкеровки.
Более целесообразным является профилирование самого стержня путем его обжатия тонким жгутом с шагом 1-2 диаметра. Это увеличивает удельную площадь контакта с бетоном, улучшает сцепление ПКА с бетоном под нагрузкой, что позволит полнее реализовать прочностные свойства ПКА при работе в несущей конструкции.
Эффективнее всего использовать ПКА в высокопрочных бетонах класса В 40 и выше. Интересно, что характер разрушения при вырыве аналогичен таковому для стальной арматуры с периодическим профилем. Это значит, что при расчете анкеровки возможно использовать методики, разработанные для стальной арматуры.
