Двухслойные балки из железобетона и сталеполимербетона
Составные конструкции с полимербетоном в растянутой зоне привлекают внимание наших и зарубежных специалистов [1, 2]. Проделанные нами ранее эксперименты с двухслойными балками, имеющими в растянутой зоне полимерцементный бетон на ПВА эмульсии, показали, что эффект повышения трещиностойкости составил 40—60%, при этом двухслойные балки в своей работе проходят те же стадии, что и железобетонные.
Существенным образом может повлиять на работу конструкции такой материал растянутой зоны, который имел бы предельную растяжимость, близкую по величине к растяжимости арматуры к моменту начала текучести. Такими материалами являются полимербетоны на различных синтетических связующих, но наиболее полно выявить особенности работы комбинированных конструкций двухслойного типа позволяет применение полимербетонов на эпоксидном связующем, характеризующихся высокой прочностью и надежной совместимостью с цементным бетоном (затвердевшим и свежеуложенным).
Исследованиями, проведенными в МИИТе, выявлены оптимальная толщина полимербетонного слоя в растянутой зоне и основные закономерности поведения комбинированных балок под изгибающей нагрузкой. Испытано 5 серий балок (по 3 в серии) сечением 10x20 см, длиной 120 см, толщиной полимербетонного слоя от 0 до 95 мм.
Балки армированы двумя каркасами, выполненными из гладких стальных стержней «класса А-1 (расчетная арматура диаметром 8 мм, диаметр хомутов 5 мм). Хомуты ставились только в крайних третях балки. По результатам испытаний контрольных образцов предел текучести рабочей арматуры составил 2140 кг!см2.
Для изготовления балок использован бетон состава 1:1,45:1,62 с ?Щ=0,48, заполнителем служил гранитный щебень крупностью до 20 мм и речной песок. Бетонная смесь показала осадку конуса 2—3 см. Через 1 сутки балки освобождались от опалубки, после чего хранились 5 сут. во влажной среде, а затем в воздушно-сухих условиях. Прочность бетонных кубов со стороной 10 см к моменту испытания балок (в возрасте 4—4,5 мес.) составила в среднем 250 кг/см2.
В растянутую зону двухслойных балок укладывали мелкозернистый полимербетон на эпоксидном связующем следующего состава (в вес. ч): эпоксидная смола ЭД-6—1, дибутилфталат — 0,25, полиэтиленполиамин — 0,1, речной песок —5.
Для изготовления двухслойных балок в формы укладывалась бетонная смесь и после виброуплог-нения на влажный бетон уложен слой полимербетонной смеси с последующим повторным уплотнением.
Выбор мелкозернистого полимербетона для растянутой зоны был сделан из тех соображений, что толщина слоя в балках серий 2 и 3 составляла 6 и 20 мм и применение крупного наполнителя не представлялось возможным. Предел прочности бетона при растяжении равнялся 13 кг/см2, полимербетона— 70 кг1см2, предельная растяжимость соответственно 1 • 10-4 и 10 • 10-4.
Деформацию арматуры измеряли рычажными тензометрами на базе 20 мм, а деформации растянутых и сжатых граней балок с помощью тензодатчиков сопротивления с базой 50 мм и индикаторов часового типа на удлиненной базе 200 мм. Деформации бетона и полимербетона по высоте сечения определялись фотоупругими датчиками, а контролировались тензодатчиками сопротивления.
Метод фотоупругих покрытий дает возможность измерять напряжения и деформации непрерывно по всей поверхности, а не в отдельных точках, как это делается, например, при электротензометрировании. Определение деформаций и напряжений при применении фотоупругих датчиков сводится к измерению относительной разности хода поляризованных лучей. Для замеров использован портативный полярископ конструкции института горного дела им. Скочинского.
Первые трещины в железобетонных балках появились при нагрузках 1100—1200 кг, начало текучести арматуры — при нагрузке 2600 кг. В дальнейшем, под влиянием значительных прогибов происходило разрушение балок, т. е. характер разрушения соответствовал случаю 1.
Комбинированные балки под нагрузкой ведут себя по-иному. При толщине слоя полимербетона, не превышающей толщину защитного слоя, выявлено повышение момента трещинообразования бачок почти в 2 раза.
Балки серии 1, 2 и 3 начинали разрушаться с растянутой арматуры, а балки серий 4 и 5 работали как переармированные и разрушение их носило хрупкий характер (разрушение по случаю 2). Эта особенность, а также значительное повышение несущей способности балок серий 4 и 5 указывает на то, что полимербетон принимает участие в работе и должен учитываться при расчете на кратковременное действие нагрузки. Определение длительной прочности полимербетона на растяжение позволит сделать вывод для случая длительного действия нагрузки.
В растянутой полимербетонной части сечения балок серий 4 и 5 трещин не было вплоть до разрушения. В бетонной части растянутой зоны сечения трещин обнаружено не было, однако последующий анализ показаний датчиков, наклеенных с двух сторон по высоте сечения балок, выявил трещины в бетоне над полимербетонной частью сечения при нагрузках 2700 кг (для балок серии 4) и 5250 кг (для балок серии 5).
В балках последних двух серии деформации м арматуре, регистрируемые тензометрами, значительно превысили деформации, соответствующие текучести арматуры. При этом с увеличением толщины полимербетонного слоя величина деформации арматуры возрастала, а состояния текучести в арматуре не наступало. Это явление, вероятно, объясняется тем, что к моменту наступления текучести в арматуре прочность растянутого полимербетона еще не была исчерпана, а высокое сцепление, (склеивание) арматуры и эпоксидного полимербетона препятствовало резкому проявлению пластических деформаций в арматуре. Можно полагать, что внутреннее растягивающее усилие целиком воспринимается полимербетонной частью сеченая. В результате прочного сцепления арматуры с полимербетоном совместность относительных деформаций полимербетона и арматуры не нарушается вплоть до разрушения балок.
Следует отметить также, что в двухслойных балках, как и сталеполимербетонных, арматура включается в работу на ранних стадиях нагружения [3].
Выводы
Двухслойные (комбинированные) балки из железобетона и сталеполимербетона обладают высокой трещиностойкостью и прочностью. Применение таких конструкций позволит отказаться в ряде случаев от предварительного напряжения арматуры. Расчет и конструирование двухслойных балок следует производить с учетом полимербетона в растянутой зоне.
Толщина полимербетонного слоя должна назначаться из конструктивных и экономических соображений. Целесообразно толщину полимербетонного слоя ограничить величиной o=a+d^p4 + 1 см, где а — толщина защитного слоя, которую в подобных конструкциях можно принимать не более 1 см.
Исследование работы двухслойных балок под действием длительных нагрузок позволит дать окончательные рекомендации по их расчету.
ЛИТЕРАТУРА
I Давыдов С. С. Армолластбетои. Известия АСиА СССР № 4, 1960.
2. L a v i е М., L ere h е п t h а 1 Н., S'piraE. Composite beams made of resine concrete and conventional concrete. RILEM, International simposium, Raris 1967.
3. Давыдов С. С, Чeбаиeико А. И., Сапунов А. А., Жиров А. С. Исследование работы сталепласт-бетопных элементов шахтной крепи па изгиб Труды ЦНИП-По 1зсмшахтостроя, выи. 5, Недра, 1967.
Д-р техн. наук С. С. ДАВЫДОВ, канд. техн. наук В. И. СОЛОМАТОВ, инж. Я. И. ШВИДКО
журнал бетон и железобетон 1961г.