CC BY
18УДК 691.328:693.554
В.Н. МОРГУН1, канд. техн. наук ([email protected]); П.Н. КУРОЧКА2, д-р техн. наук,
А.Ю. БОГАТИНА2, канд. техн. наук; Л.В. МОРГУН3, д-р. техн. наук, Е.Э. КАДОМЦЕВА3, канд. техн. наук
1 Академия архитектуры и искусств Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105/42)
2 Ростовский государственный университет путей сообщения (344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2)
3 Ростовский государственный строительный университет (344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162)
Вопросы сцепления стержневой арматуры с бетоном и фибробетоном
Анализ требований к свойствам современных железобетонных конструкций, эксплуатируемых под воздействием знакопеременных и динамических нагрузок, показал, что системным недостатком, предопределяющим их ограниченную эксплуатационную надежность, является низкая прочность бетонов при растяжении. Самым современным приемом снижения негативных последствий этого недостатка является дисперсное армирование бетонов волокнами. Приведены результаты экспериментальных исследований влияния дисперсного армирования синтетическими волокнами на прочность сцепления стержневой металлической и стеклопластиковой арматуры с бетоном и фибробетоном. Несмотря на то что при введении в состав бетона слитной структуры синтетических волокон имеет место снижение его прочности на сжатие, сцепление между стержневой арматурой и фибробетоном увеличивается. Установленный результат позволяет прогнозировать повышение энергоемкости разрушения строительных изделий, изготовленных из фибробетонов, армированных стержневой арматурой.
Ключевые слова: бетон слитной структуры, фибробетон, прочность сцепления, металлическая стержневая арматура, стеклопластиковая стержневая арматура.
V.N. MORGUN1, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]); P.N. KUROCHKA2, Doctor of Sciences (Engineering),
A.Yu. BOGATINA2, Candidate of Sciences (Engineering); L.V. MORGUN3, Doctor of Sciences (Engineering), E.E. KADOMTSEVA3, Candidate of Sciences (Engineering)
1 Academy of Architecture and Arts of the Southern Federal University (105/42, Bolshaya Sadovaya Street, Rostov-on-Don, 344006, Russian Federation)
2 Rostov State Transport University (2, Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Square, Rostov-on-Don, 344038, Russian Federation)
3 Rostov State University of Civil Engineering (162, Sotcialisticheskaya Street, Rostov-on-Don, 344022, Russian Federation)
Issues of Bar Reinforcement Bond with Concrete and Fiber Concrete
An analysis of requirements to properties of modern reinforced concrete structures operating under the influence of reversal and dynamic loads shows that low tensile strength of concretes is a system shortcoming which predetermines their limited operating reliability. The most modern method of reducing negative sequences of this shortcoming is dispersal reinforcement of concretes with fibers. Results of the experimental studies of the influence of dispersal reinforcement with synthetic fibers on the bond strength of bar metal and glass-plastic armature with concrete and fiber concrete are presented. It is shown that in spite of the fact the incorporation of conglomerate structure of synthetic fibers into the concrete composition leads to reducing its compression strength the bond between bar reinforcement and fiber concrete increases. This result makes it possible to predict the increase in energy consumption for destruction of building products made of fiber concrete reinforced with bar reinforcement.
Keywords: concrete of conglomerate structure, fiber concrete, bond strength, metal bar reinforcement, glass plastic bar reinforcement.
Россия в настоящее время наиболее строящаяся страна в мире с огромными территориями и потребностью в эффективных строительных изделиях гражданского, транспортного и промышленного назначения. ХХ и XXI вв. характеризуются лавинообразным развитием различных видов транспорта — автомобильного, железнодорожного и авиационного. Интенсивность транспортных воздействий на грунты и строительные конструкции сооружений обозначила перед строителями проблему повышения их прочности и устойчивости к действию вибрационных и ударных нагрузок.
Бетон массово используется в самых разнообразных строительных конструкциях, как традиционных для этого материала (фундаментных блоках, железнодорожных шпалах, плитах перекрытий, сваях и т. д.), так и в новых областях применения (трубах, тонкостенных оболочках, мостовых пролетных строениях и т. п.). Ужесточение условий эксплуатации предопределяет повышение требований к бетонам. Для большинства современных строительных конструкций недостаточно достигать нормируемого уровня прочности при сжатии, не менее важны с точки зрения эксплуатационной надежности прочность на растяжение и изгиб, ударная вязкость, работа разрушения материала.
Для обеспечения перечисленных свойств со второй половины ХХ в. бетоны дисперсно армируют различными видами волокон [1, 2], т. е. строительный комплекс при необходимости переходит от бетонов к фиб-робетонам. Принципиальное отличие фибробетона от бетона состоит в том, что при введении волокон в структуру минерального композиционного материала, состоящего из дисперсных частиц зернистой формы, получаемый камень обладает большей прочностью при растяжении. Причиной такого улучшения свойств, обеспечивающего комплексное повышение энергоемкости разрушения [3, 4], является тот факт, что в работу сопротивления приложенной нагрузке включается гораздо больший объем по сравнению с тем, который препятствует развитию трещин в материалах, состоящих из сырья только зернистой формы.
Для получения фибробетонов, прочность которых при сжатии не уступала бы бетонам без дисперсной арматуры, применяют волокна с модулем упругости существенно большим, чем у бетона [1]. Практика показывает, что соблюдение такого соотношения не всегда оправданно [3, 4]. При проектировании и изготовлении строительных конструкций, повергающихся вибрационным и ударным нагрузкам, следует учитывать, что
56
август 2014
iA ®
Анализ долговечности эксплуатации железобетонных шпал, автодорожных покрытий и фундаментов опор контактной сети, эксплуатируемых в РФ, Центральной Европе и Северной Америке [5], показывает, что развитие технологии железобетона обеспечило рост ее продолжительности, от 1—3 лет в 30-е гг. ХХ в. до 5—11 лет к 90-м гг., т. е. в 4—5 раз. Тем не менее фотографии, визуально отражающие особенности разрушения железобетонных конструкций, показывают, что важнейшей причиной появления и развития трещин в бетоне транспортного назначения [6] является его недостаточная прочность при растяжении.
Развитие технологий производства материалов в ХХ в. предложило строительному комплексу обширную номенклатуру синтетических, минеральных и металлических волокон, пригодных для повышения прочности бетонов при растяжении [1—4]. Исследо-вание причин достижения указанного свойства показывает, что важнейшими кроме рецептуры являются процессы массо-переноса, протекающие в сырьевых смесях в период гомогенизации компонентов и начального структуроо-бразования [4, 7—9]. Введение волокон в состав бетонных смесей предопределяет формирование направленного массопереноса мельчайших дисперсных частиц смеси (минерального вяжущего) к поверхности протяженного раздела фаз — дисперсной арматуре [4, 8]. Этот процесс наиболее интенсивно протекает в период существования вязких связей между дисперсными компонентами смесей. Он обеспечивает снижение меры дефектности получаемых камней потому, что в их структуре за счет технически эффективного соотношения между величинами поверхностных энергий волокнистых и зернистых частиц сырьевых компонентов бетонной смеси формируются кластеры трубчатой, а не зернистой формы [9].
Развитие технологии железобетона поставило на повестку дня и проблемы коррозионной стойкости стержневой металлической арматуры [3, 10] в составе
Вид и диаметр стержневой арматуры, мм Длина фибры, мм Содержание фибры, % от массы цемента Относительная прочность сцепления ^ц^ж) Прочность сцепления, МПа
Без фибры 0,45 10,18
12 0,5 0,46 10,41
Стеклопластиковая, 6 24 1 0,62 13,51
12 1 0,48 10,3
24 0,5 0,6 12,1
Без фибры 0,31 6,64
12 0,5 0,34 7,71
Стеклопластиковая, 12 24 1 0,42 8,97
12 1 0,37 7,95
24 0,5 0,4 8,86
Без фибры 0,42 9,24
12 0,5 0,43 8,99
Металлическая, 6 24 1 0,57 11,98
12 1 0,47 10,2
24 0,5 0,53 11,4
Без фибры 0,34 7,41
12 0,5 0,35 7,84
Металлическая, 12 24 1 0,39 8,31
12 1 0,35 7,72
24 0,5 0,38 8,13
Рис. 1. Характер разрушения при сжатии бетона, дисперсно-армированного полиамидными волокнами длиной 12 мм в количестве 0,5% от массы цемента
прочность при сжатии — важный и удобный показатель эксплуатационных свойств материалов. Однако разрушение подрельсовых конструкций начинается только там, где превышена местная прочность материала при растяжении. В железобетонных конструкциях транспортного назначения разрушение начинается с нарушения сцепления между арматурными каркасами и бетоном, обеспечивающим его коррозионную защиту.
Ы ®
август 2014
57
железобетонных конструкций. Для ряда наименований эффективно проявила себя стеклопластиковая стержневая арматура [11] поскольку неэлектропроводна, обладает относительным удлинением близким к предельной растяжимости бетона, а прочностью при растяжении большей не менее чем на полтора порядка. Именно поэтому было принято решение о важности экспериментальной оценки прочности сцепления различных по вещественной природе видов стержневой арматуры с равнопрочными бетонами и фибробетонами.
Для изготовления контрольных образцов был подобран тяжелый бетон слитной структуры класса по прочности В20. Указанный класс бетона выбран потому, что многие железобетонные конструкции транспортного назначения в РФ изготавливаются именно из бетонов В20.
В качестве вяжущего вещества использовали сульфа-тостойкий портландцемент М400. Мелкий заполнитель — песок речной, содержащий пылеватых и глинистых примесей 1,88% с модулем крупности Мкр=1,28. Щебень гранитный крупностью 5—20 мм оптимального зернового состава.
Были изготовлены смеси без дисперсной арматуры и с арматурой из полиамидных (ПА) волокон длиной 12 и 24 мм с содержанием 1 и 0,5% от массы цемента. Смеси обладали удобоукладываемостью П3 и твердели в нормальных условиях. Их изготовление осуществлялось в лабораторном турбулентном смесителе емкостью 60 л со скоростью движения рабочего органа 350 об/мин.
Приготовленные смеси укладывались в формы кубов с ребром 100 мм, оборудованных шаблонами для обеспечения вертикального расположения в них арматурных стержней. Арматурные стержни периодического профиля диаметрами 6 и 12 мм изготавливались из стек-лопластиковой и металлической арматуры класса А400. Прочность при растяжении стеклопластиковой арматуры составляла 1000 МПа, модуль упругости 45 ГПа. Возможность применения такой арматуры в строительных конструкциях регламентирована СНиП 52-01—2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения», п. 5.3. «Требования к арматуре». Уплотнение смесей в течение 1 мин осуществляли с помощью лабораторной виброплощадки. Частота вертикальных колебаний 3000 в мин, амплитуда 0,1 мм. Оценка прочности сцепления арматуры с бетонами осуществлялась методом выдергивания арматурного стержня из бетонного куба [11].
Испытания образцов на сжатие показали, что величина прочности фибробетона снижается на 4—9% по отношению к бетону, не содержащему дисперсной арматуры. Изменяется характер трещинообразования (рис. 1). Бетоны без дисперсной арматуры разрушались хрупко, разделяясь на части.
На рис. 1 видно, что несмотря на утрату несущей способности под действием сжимающей нагрузки, от образца не отделилось крупных фрагментов. Он изменил форму, получил большое количество трещин, но не разделился на части. Последнее крайне важно в условиях воздействия на строительные конструкции чрезвычайных ситуаций (землетрясения, взрывы и т. п.) так как от характера разрушений строительных конструкций зависят здоровье и жизнь людей, находящихся в это время внутри сооружений. В таблице приведены результаты влияния дисперсного армирования полиамидными волокнами на прочность сцепления бетонов слитной структуры со стержневой арматурой периодического профиля из стеклопластика и арматурной стали.
Анализ полученных данных (см. таблицу) показывает, что у металлической арматуры диаметром 12 мм сцепление с бетоном и фибробетоном практически оди-
Рис. 2. Характер нарушения сцепления между фибробетоном и арматурой различной вещественной природы
наково. Полученные различия могут быть отнесены к погрешностям измерений. Для диаметра 6 мм наблюдается повышение прочности сцепления до 23% в том случае, когда содержание длинной фибры достигает 1% от массы цемента. Насыщение бетонной смеси фиброй длиной 12 мм в лучшем случае не превышает 10%, что в таких материалах, как бетон, можно считать незначимым.
Прочность сцепления стеклопластиковой арматуры с бетоном более существенно зависит от длины и концентрации в нем дисперсно-распределенных волокон. Для стержней диаметром 12 мм повышение прочности сцепления составляет 14%, а для диаметра 6 мм оно достигает 25%. На рис. 2 хорошо виден характер нарушения сцепления фибробетона со стеклопластиковой арматурой.
На переднем плане рис. 2 расположен образец со стеклопластиковой арматурой, на большей части поверхности которой видны остатки бетонной матрицы. В глубине снимка виден образец с металлической стержневой арматурой, поверхность которой практически не содержит следов сцепления с бетоном.
Сравнивая показатели прочности сцепления бетона с каждым из видов стержневой арматуры можно заключить, что со стеклопластиковыми стержнями бетон и фибробетон взаимодействуют на 1—2 МПа прочнее. Следовательно, применение стеклопластиковой арматуры в конструкциях из фибробетона может способствовать повышению их эксплуатационной надежности и энергоемкости разрушения.
Выводы
1. Обоснована практическая потребность строительного комплекса в материалах и конструкциях повышенной энергоемкости разрушения.
2. Показано, что дисперсное армирование бетонов волокнами обеспечивает повышение их прочности на растяжение и, как следствие, повышение энергоемкости разрушения.
3. Из экспериментальных данных, полученных в ходе данной работы, следует, что для строительных изделий, изготавливаемых из бетонов, дисперсно-армированных синтетическими волокнами, рационально применять каркасы из стеклопластиковой арматуры, так как прочность сцепления с ней выше, чем с арматурной сталью.
58
август 2014
Список литературы
1. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. Монография. М.: АСВ, 2004. 560 с.
2. Хейнтц А. Фибробетон. Перспективы применения // Бетон и железобетон. Оборудование. Материалы. Технологии. Ежегодный сборник. 2009. Вып. 2. С. 92-94.
3. Талантова К.В., Михеев Н.М. Сталефибробетон и конструкции на его основе. Монография. СПб: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2014. 280 с.
4. Моргун Л.В., Моргун В.Н., Смирнова П.В., Бац-ман М.О. Зависимость скорости формирования структуры пенобетонов от температуры сырьевых компонентов // Строительные материалы. 2008. № 6. С. 50-52.
5. Петрова Т.М., Сорвачева Ю.А. Внутренняя коррозия бетона как фактор снижения долговечности объектов транспортного строительства // Наука и транспорт. Транспортное строительство. 2012. № 4. С. 56-60.
6. Stark J. Alkali-Kieselsaure-Reaktion. F.A. Finqer institute fur Baustoffkunde. 2008. 139 p.
7. Управление процессами технологии, структурой и свойствами бетонов / Под ред. Е.М.Чернышева, Е.И. Шмитько. Воронеж: ВоронежГАСУ, 2002. С. 78-124.
8. Герега А.Н., Выровой В.Н. Управление свойствами композиционных материалов. Перколяционный подход // Вестник ОГАСА. 2005. Вып. 20. С. 56-61.
9. Моргун Л.В., Моргун В.Н., Пименова Е.В., Смирнова П.В., Набокова Я.С. Возможность применения неавтоклавного фибропенобетона в крупнопанельном домостроении // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 19-21.
10. Розенталь Н.К. Коррозия и защита бетонных и железобетонных конструкций сооружений очистки сточных вод // Бетон и железобетон. 2011. № 2. С. 78-85.
11. RILEM Recommendations for the Testing and Use of Constructions Materials. 1994. 618 р.
References
1. Rabinovich F.N. Kompozity na osnove dispersno armirovan-nykh betonov. Voprosy teorii i proektirovaniya, tekhnologi-ya, konstruktsii. [Composites based on dispersion-reinforced concrete. Theory and projection questions, technology, designs]. Monograph. Moscow: ASV. 2004. 560 p.
2. Kheintts A. Fibrous concrete. Application prospects. Beton i zhelezobeton. Oborudovanie. Materialy. Tekhnologii. Yearbook.2009. No. 2, pp. 92 - 94. (In Russian).
3. Talantova K.V., Mikheev N.M. Stalefibrobeton i konstruktsii na ego osnove. [Steel fiber concrete and designs on his basis.] Monograph. St. Petersburg: PGUPS. 2014. 280 p.
4. Morgun L.V., Morgun V.N., Smirnova P.V., Batsman M.O. Dependence of the speed of formation of foam concrete structure on the temperature of the raw materials. Stroitel'nyeMaterialy [Construction Materials]. 2008. No. 6, pp. 50 - 52. (In Russian).
5. Petrova T.M., Sorvacheva Yu.A. Internal corrosion of concrete as a factor reducing the durability of objects of transport construction. Nauka i transport. Transportnoe stroitel'stvo. 2012. No. 4, pp. 56 - 60. (In Russian).
6. Stark J. Alkali-Kieselsaure-Reaktion. F.A. Finqer institute fur Baustoffkunde. 2008. 139 p.
7. Upravlenie protsessami tekhnologii, strukturoi i svoistvami betonov. [Management of technology processes, structure and properties of concrete]. Edited by E.M. Chernyshev, E.I. Shmit'ko. Voronezh: VGASU. 2002, pp. 78 - 124.
8. Gerega A.N., Vyrovoi V.N. Management properties of composite materials. Percolation approach. Vestnik OGASA. 2005. No. 20, pp. 56 - 61. (In Russian).
9. Morgun L.V., Morgun V.N., Pimenova E.V., Smirnova P.V., Nabokova Ya.S. Possibility of using non-autoclaved fibrous-foam concrete in large-panel housing construction. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 3, pp. 19 - 21. (In Russian).
10. Rozental' N.K. Corrosion and protection of concrete and reinforced concrete structures of wastewater treatment plants. Beton i zhelezobeton. 2011. No. 2, pp. 78 - 85. (In Russian).
11. RILEM Recommendations for the Testing and Use of Constructions Materials. 1994. 618 p.
научно-технический и производственный журнал ® август 2014 59
