ОЦЕНКА ИЗГИБНОЙ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИТНОЙ АРМАТУРЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ УПРОЧНЯЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ

EVALUATION FLEXURAL STRENGTH OF THE COMPOSITE REBAR WITH THE METAL REINFORCING MEMBER

Julija Bashkova

senior lecturer, Department of industrial and civil construction, South Ural State University, Zlatoust branch,

Russia, Zlatoust

Konstantin Novoselov

a 4rd year student, South Ural State University, Zlatoust branch

Russia, Zlatoust

Anastasija Maksimova

a 2rd year student, South Ural State University,

Russia, Chelyabinsk

АННОТАЦИЯ

Показано, что композитная арматура имеет неоспоримые преимущества перед металлической. Это технологичность изготовления и монтажа, транспортирования, коррозийная стойкость, больший предел прочности на разрыв и др. Однако композитная арматура обладает низкой изгибной прочностью. Это существенно ограничивает ее использование в ответственных конструктивных элементах строительных конструкций. В работе предложено внедрить в сечение арматуры d10 мм металлический упрочняющий элемент прямоугольного сечения (а=2 мм и b=8 мм). Для полученной арматуры с металлической вставкой проведены теоретические и экспериментальные исследования, которые показали прирост изгибной прочности на 30,4 и 25,7 % соответственно.

ABSTRACT

It was shown that a composite rebar has advantages over metal one. This is workability of fabrication and assembly, transportation, corrosion resistance, higher tensile strength, etc. However, the composite rebar has a low flexural strength. This greatly limits its use in important structural elements of building constructions. It suggested, in this labor, to introduce in rebar section d10 mm, the metal reinforcing member of rectangular cross section (a = 2 mm and b = 8 mm). For renewed rebar with the metal insert carried out theoretical and experimental research, which showed growth of the flexural strength of 30.4 and 25.7 %, respectively.

Ключевые слова: композитная арматура, изгибная прочность, упрочняющий элемент, металлическая вставка, теоретическое и экспериментальное исследование.

Keywords: the composite rebar, the flexural strength, reinforcing member, a metal insert, theoretical and experimental research.

Анализ современного состояния строительной отрасли показывает активное использование композитной арматуры при проведении различных работ. К неоспоримым преимуществам данной арматуры по отношению к металлической можно отнести высокую технологичность изготовления и монтажа, транспортирования, высокую коррозийную стойкость и предел прочности на разрыв, не электропроводность и др.

Однако композитная арматура обладает низкой изгибной прочностью. Это существенно ограничивает ее использование в ответственных высоконагруженнных конструктивных элементах строительных конструкций. Поэтому ее применяют для армирования легких фундаментов, дорожных покрытий, элементов благоустройства и т. п.

Современная тенденция развития строительной отрасли определяет поиск новых материалов с повышенными прочностными характеристиками и низким коэффициентом металлоемкости. Поэтому исследования и разработка новых методов производства и конструктивных особенностей композитной арматуры, повышающих ее конкурентноспособность являются актуальной задачей.

В предыдущих работах были предложены возможные пути повышения изгибной прочности композитной арматуры. Одним из направлений является установка упрочняющего элемента, например, металлической вставки, расположенной вдоль оси арматуры [1]. Таким образом, используя высокий модуль упругости стальной пластины, появляется возможность повысить общую жесткость композитной арматуры.

Для проверки данной теории в лабораторных условиях были изготовлены опытные образцы усиленной композитной арматуры. Процесс ее производства включал в себя:

1. выборку специальным инструментом в теле арматуры паза определённых размеров для размещения стальной вставки с расчётными размерами поперечного сечения;
2. изготовление стальной вставки из листового материала;
3. внедрение упрочняющего элемента в паз арматуры и его фиксация специальным клеевым составом;
4. выдержка склеиваемых деталей для обеспечения условий затвердевания клеевого состава.

В приведенной работе изготовление усиленной композитной арматуры проводилось на основе арматуры марки АКС 10 диаметром стержня 10 мм. Размеры упрочняющей вставки приняли равными 2х8 мм, изготовленной из листовой стали толщиной 2 мм (рисунок 1).

Рисунок 1. Расчётная схема арматуры

В качестве клеевого состава была использована эпоксидная смола ЭД-20 и отвердитель ПЭПА. Предел прочности на сдвиг клеевого соединения – 8 МПа при использовании в нормальных условиях, с максимальным временем желатинизации 1,5 часа при t⁰=25⁰C) [3; 4]. Общее разрушающее напряжение при растяжении клеевого состава 50 МПа, при сжатии 113 МПа, при статическом изгибе 115 МПа, теплостойкость 105⁰C [2]. Условия твердения: 5 суток при температуре 25⁰C.

Вторая группа предельных состояний характеризует прогибы и сопутствующие его образования трещин. Поэтому, прежде всего, необходимо было испытывать образцы на прогиб. Схема испытания композитной арматуры – консольно-закреплённая балка. При данной схеме испытания целесообразно обеспечить нижнее расположение стальной вставки, так как разрушающее напряжение клеевого соединения выше при сжатии, а при консольном закреплении образца на сжатие работают нижние волокна [6]. Таким образом, затвердевший клей будет работать на сжатие и не будет негативно влиять на прочность арматуры в целом.

Длину испытываемого образца приняли равной 100 см, для удобства расчёта прогибов.

Формула определения прогиба консольно-закреплённой балки имеет вид [6]:

 , см                                             (1)

где: P – масса подвешиваемого груза в кг;

l – длина образца в см;

E – модуль упругости материала испытываемого образца кг/см²;

I – момент инерции сечения испытываемого образца, см⁴.

Момент инерции круглого сечения вычисляется по формуле [6]:

                                                  (2)

где: D – диаметр, см.

Момент инерции сечения стеклопластиковой арматуры АКС 10, имеющей паз для вставки, равен I=0,04055 см⁴ [1].

Момент инерции прямоугольного сечения вычисляется по формуле [6]:

                                                                  (3)

где:   b – ширина прямоугольного сечения, см;

h – высота прямоугольного сечения, см.

Формула (1) имеет прямо-пропорциональную линейную зависимость, поэтому изменение массы грузов будет оказывать прямо-пропорциональное влияние на значение прогиба. Вследствие чего отпадает необходимость использования большого числа нагружений, а также упрощается расчёт и статистическая обработка результатов измерений. Для экспериментального определения прогиба исследуемых образцов усиленной арматуры был использован груз массой 3 кг.

Для объективной оценки изменения характеристик жесткости усиленной композитной арматуры помимо неё были произведены и измерения прогибов цельной стеклопластиковой арматуры АКС-10, а также арматуры АКС-10 с выбранным пазом для вставки, а также стальной арматуры АIII диаметром 10 мм. Помимо приведенных расчётов прогибов по формуле (1), была прорисована расчётная схема, для определения деформаций в ПК «Лира». Результаты расчетов и испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты расчетов и испытаний на прогиб

При определении теоретических значений прогибов были использованы следующие значения модулей упругости материалов Е:

• для стеклопластика (композитная арматура) – 550000 кг/см2 [7];

• для стали 2000000 кг/см4 [5].

Для усиленной металлической вставкой арматуры, проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали прирост изгибной прочности на 30,4 и 25,7 % соответственно. Однако данное увеличение не может быть основанием использовать арматуру в ответственных высоконагруженных элементах строительных конструкций, поскольку сечение арматуры в этом случае не равнопрочно во всех направлениях нагружения. Создание условий равнопрочности существенно усложнит технологию изготовления и превысит в итоге стоимость металлической при меньших показателях изгибной прочности. Это предопределяет поиск новых путей повышения жёсткости армирующих элементов из композитных материалов, например, путем изменения продольного и поперечного сечений арматуры, либо поиска материалов с повышенными прочностными характеристиками.

Список литературы:

1. Башкова Ю.Б., Новоселов К.К., Максимова А.Е. Разработка и расчёт усиленной композитной арматуры // Инновационные технологии нового тысячелетия / Сборник статей Международной научно-практической конференции. Издательство: Общество с ограниченной ответственностью "Аэтерна" (Уфа). – 2016. – С. 10–13.
2. Энциклопедия эпоксидных материалов – [Электронный ресурс] – Ресурс компании «Титаник». – Электронные текстовые данные. – Режим доступа: http://all-epoxy.ru/tablizi/ПЭПА.
3. ГОСТ 10587-84. Смолы эпоксидно-диановые неотвержденные. Введ. с 01.01.85 по 01.01.94. – Москва: Изд-во стандартов, 1995. – 14 с.
4. Полиэтиленполиамины (ПЭПА) ТУ 2413-357-00203447-99СЭЗ. № 66.01.10.344.П.003117.11.04 от 05.11.2004 г.
5. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя в 3 т. Т. 1 / В.И. Анурьев; 8-е изд., перераб и доп. Под ред. И.Н. Жестковой – М.: Машиностроение, 2001. – С. 34.
6. Александров А.В., Потапов В.Д. Сопротивление материалов. – М.: Высшая школа, 1995. – 560 с.
7. ГОСТ 31938–2012. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия. – М.: Стандартинформ, 2014. 38 с.