Экспериментальные исследования железобетонной балки, усиленной композитными материалами

Исследователи широко обсуждают результаты усиления железобетонных балок композитными материалами. Показано, что усиление композитными материалами позволяет увеличить несущую способность, повысить трещиностойкость, уменьшить прогибы железобетонных балок.
Задачами настоящего исследования являлись: сравнение прочности, трещиностойкости и прогибов железобетонной балки и балки, усиленной холстами из углеродных волокон.

Характеристики бетона и арматуры
Кубиковая прочность бетона по результатам испытания на сжатие контрольных кубов составляла 37,06 МПа; призменная прочность - 27,16 МПа. Временное сопротивление бетона растяжению составляло 2,26 МПа. Начальный модуль упругости бетона 31273, 69 МПа.
Продольная растянутая арматура балки класса А400 с модулем упругости 2*105 МПа, по данным СП 52-101-2003, имеет физический предел текучести 400 МПа.
Продольная сжатая арматура балки класса B500 с модулем упругости 2*105 МПа. Напряжение в сжатой арматуре в момент разрушения принимается по данным СП 52-101-2003 исходя из предельной сжимаемости бетона.

Теоретический расчет железобетонной балки без усиления композитными материалами
Расчет выполнен по формулам СП 52-101-2003.
Момент образования трещин M crc 1,867 кН*м; высота сжатой зоны - 7,89 см.
Разрушающий момент Ми = 7,045 кН*м, высота сжатой зоны бетона при разрушении 1,74 см.

Теоретический расчет балки с усилением композитными материалами (холстами из углеродных волокон, ФАП)
Расчет выполнен по СТО 2256-002-2011.
Усиление двумя слоями холстов из углеродных волокон. Толщина слоя холста 0, 128 мм. Модуль упругости композита 24500 МПа.
Расчеты выполнены с учетом ограничения уровня деформаций ФАП.
Расчетная деформация при растяжении 0, 0142.
Расчетная прочность внешнего армирования ФАП составляла 2160 МПа.
Коэффициент условий работы ФАП Km = 1,404>0,9, следовательно, для расчета принимаем Km = 0,9. Выполнение данного условия подтверждает, что отслаивание ФАП не будет происходить. Высота сжатой зоны сечения при разрушении усиленного сечения составляет 3, 47 см. Данное значение превышает высоту сжатой зоны балки без усиления. Граничная высота сжатой зоны бетона 4, 26 см.
Коэффициент условий работы углеродных волокон принят равным 0,9.
Предельный изгибающий момент: Mult = 20,1кН*м.

Технология усиления балки
Поверхность балки предварительно была подготовлена: механически удалены наплывы, на ребрах выполнены закругления радиусом 3 см. Наклеивание углеродного материала выполнялось послойно с помощью эпоксидной смолы с пропиткой смолой каждого слоя. Композит формируется при отверждении смолы в естественных условиях.
В зоне чистого изгиба был наклеен холст в 2 слоя, на опорах балки был наклеен холст в 4 слоя. Холст изготовлен из непрерывных углеродных волокон, уложенных в одном направлении.
В комбинации с эпоксидным клеем-пропиткой Epomax-LD образует композитный материал (FRP), который применен как наружное усиление железобетонной балки.

Испытание балок
Испытания балок выполнены в соответствии с ГОСТ 8829-94. Деформации бетона и композитного материала измеряли тензометрами с ценой деления 0,01 мм, установленных на базе 100 мм. Прогиб балки измеряли индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. Нагрузки прикладывали ступенями. Величина нагрузки на этапе составляла 0,1 теоретической разрушающей.
Разрушение балки произошло вследствие раздробления бетона сжатой зоны.
Изгибающий момент при разрушении балки, усиденной холстами из углеродных волокон, 22 кН*м.

Выводы
Выполнены теоретические расчеты несущей способности, трещиностойкости и прогибов железобетонных балок: без усиления и усиленной холстами из углеродных волокон. Прочность бетона балок определена испытаниями контрольных кубов. Показан различный характер разрушения балок, повышение несущей способности и трещиностойкости балок с усилением, уменьшение прогибов. Доказана эффективность усиления изгибаемых элементов композитными материалами.
Экспериментальные исследования подтвердили эффективность использования холста из углеродных волокон при усилении растянутой зоны железобетонных балок.
Холсты из углеродного волокна работает совместно с бетоном балки вплоть до разрушения.
Несущая способность балки, усиленной углеродным волокном, превышает в 2,5 раза несущую способность балки без усиления.
Прогиб в балке, усиленной углеродным волокном, меньше в 2 раза прогиба в балке без усиления.

Д. O. Василенко, А. О. Шеленкова