Механика композитных материалов N1 2006

Исследовали пять марок бетона разных замесов и разной про­ чности при сжатии (от 20 до 100 МПа) и обмоткой разной толщины и уровнем предварительного натяжения. Образцы, подвергнутые монотонному и повторному нагружению сжатием, в отличие от хрупкого поведения исходного (неармированного) бетона, показали нелинейное напряженно-деформированное поведение со значи­ тельной пластичностью и повышенной прочностью. Предел ли­ нейности кривых деформирования обмотанного бетона прибли­ зительно совпадает с пределом прочности исходного бетона, выше которого в образце с обмоткой развиваются накопление повреждений и пластические деформации. Об этом факте сви­ детельствуют увеличение наклона диаграмм деформирования при разгрузках и повторных нагружениях и заметные остаточ­ ные деформации. Предел линейности может быть значительно повышен посредством предварительного растяжения углерод­ ных волокон в процессе их намотки.

Введение

В последние десятилетия эксплуатационные проекты ориентированы на ремонт и армирование бетонных колонн с помощью композитных материа­ лов. Ремонт и упрочнение железобетона — это те приложения, в которых волокнисто-армированный пластик (ВАП) работает лучше, чем традицион­ ная сталь. Использование композитных материалов может усовершенство­ вать строительные конструкции и стать наиболее эффективным шагом для введения композитов в обычную практику строительства. Многие промыш­ ленные компании и исследовательские группы университетов проявили ак­ тивность в исследовательских и демонстрационных работах с целью оценки использования, долговечности и стоимости композитов при ремонте и упрочнении армированных бетонных конструкций [1—5].

ВАП используют для изгибного и сдвигового упрочнения армированно­ го бетона, каменной кладки, стальных и деревянных конструкций, но одним из наиболее привлекательных применений является их использование в ка­ честве обмотки бетонных колонн. Арматура из ВАП линейно-упруга вплоть до окончательного разрушения и оказывает возрастающее давление обжа­ тия на бетонную сердцевину, что в результате обеспечивает значительное увеличение прочности и пластичности бетона при осевом нагружении.

Для обжатия бетона можно использовать волокна или обмотку из ВАП. При намотке жгутом пропитанные связующим волокна наматывают вокруг колонн с помощью механических устройств. При упрочнении колонн вруч­ ную один или более слоев из листов ВАП приклеивают на поверхность ко­ лонны посредством полимерного связующего. В настоящей работе пред­ ставлены экспериментальные результаты, полученные при испытании цилиндрических бетонных образцов высотой 0,3 м и диаметром 0,15 м. Программа включала испытания образцов пяти марок бетона разных замесов с разной прочностью при сжатии с обмоткой однонаправленного углеплас­ тика (толщина обмотки разная), а также образцов из исходного (неармиро­

ванного) бетона. Влияние предварительного натяжения волокон исследова­ ли на образцах всех пяти марок с обмоткой углеродным жгутом при трех разных уровнях предварительного натяжения. Всего испытано 60 бетонных образцов.

Характеристики бетона и углепластика, использованного для обмотки

Свойства композита. Исследовали образцы бетона с обмоткой широкой углепластиковой лентой и жгутом из углеродных волокон. Ленты изготов­ лены из однонаправленного углепластика Grafil Inc. 340-700 со следующи­ ми механическими свойствами (по данным производителя): прочность 4500 МПа, модуль упругости 234 ГПа, плотность 1,8 г/см3, удлинение 1,9%, диаметр волокна 7 мкм, толщина 0,17 мм. Углеродный жгут образован из непрерывных волокон PANEX 33 производства Zoltek. Механические свой­ ства жгута следующие: прочность 3800 МПа, модуль упругости 228 ГПа, плотность 1,81 г/см3, средняя площадь поперечного сечения куделя 1,86 мм2, диаметр волокна 7,2 мкм, выход волокна 278 м/кг. Всю углеплас­ тиковую арматуру пропитывали эпоксидной смолой, состоящей из двух компонентов: основной смолы NM ВРЕ Composite System 417 и отвердителя NM Hardare 417В, которые смешивали в соотношении 100/44 частей по массе.

Хорошо известно, что прочность однонаправленных композитов зависит не только от прочности армирующих волокон, но и их объемного содержа­ ния, разброса прочности и адгезии [6]. Поэтому фактическую прочность об­ мотки определяли в ходе испытаний растяжением полудисками по стандарту ASTM D2290. Образцы были изготовлены в форме колец шириной 20 мм и диаметром 150 мм, таким же, как диаметр цилиндрических бетонных образ­ цов. Образцы обматывали одним, двумя и тремя слоями углепластика, уло­ женными внахлестку на длине 150 мм. Обмотку из углеродного жгута (5 заходов/см), пропитанного основной смолой, выполнили только на одном образце. Результаты испытаний углепластика полудисками приведены в табл. 1.

Коэффициент уменьшения — это отношение экспериментально опреде­ ленного значения механической характеристики углепластика при растяже­ нии к таковому, указанному в технических данных производителя. Значе­ ния прочности, приведенные в первом столбце табл. 1, — это прямой результат испытания. Во втором столбце приведены значения, полученные в предположении площади поперечного сечения углеродных волокон на 1 см исходя из данных производителя. Интенсивность намотки жгутом — 5 прядей на 1 см — такая же, как в реальных обмотанных образцах. Полу­ ченные результаты свидетельствуют о том, что в обмотке реализовано только около половины прочности углеродных волокон, указанной производителем, тогда как модули упругости почти совпадают.

цилиндров всех исследованных замесов исходного бетона приведены на рис. 1 (а зз — осевое напряжение, г 33 и е хj =е 2г — деформации в осевом и поперечном направлениях соответственно).

Большинство образцов из исходного бетона показало хрупкое поведе­ ние, за исключением образцов прочностью 20 МПа, и разрушалось расщеп­ лением в осевом направлении, что можно объяснить внезапным распростра­ нением внутренней трещины в осевом направлении с боковой дилатацией. В начале нагружения внутреннее повреждение отсутствует, но по мере воз­ растания нагрузки появляется звук, свидетельствующий о возникновении трещин, и немного уменьшается касательный модуль кривой деформирова­ ния. Для большинства исходных бетонов характерно увеличение поперечной деформации как раз перед окончательным разрушением, что обусловлено развитием растрескивания. Затем происходит окончательное разрушение с вертикальными трещинами.

Рис. 1. Поведение цилиндрических образцов исходного бетона прочностью 100 (А)\ 80 (5); 60 (Q ; 40 (D); 20 МПа (Е) при сжатии.

обмоткой тремя (А); двумя (В) и одним (С) слоем углепластика при монотонном нагружении. D — исходный бетон.

На ранней стадии нагружения, вплоть до предела упругости, деформиро­ вание бетонов с обмоткой почти такое же, как у исходных бетонов. Разли­ чия значений модуля упругости и коэффициента Пуассона незначительны. После превышения предела упругости слышен звук, обусловленный нача­ лом внутреннего повреждения бетона, наблюдается увеличение наклона кривых деформирования и появление их нелинейности. Таким образом, под­ крепленные бетоны проявляют заметное нелинейное поведение в переходной зоне при уровне нагрузки, соответствующей пределу прочности исходного бетона.

Как видно из данных рис. 5—а, обмотка одинаковой толщины приводит к одинаковому увеличению прочности для всех марок бетонов. Следова­ тельно, она менее эффективна для более прочных бетонов (рис. 5—б).

Можно было бы ожидать, что образцы разрушатся при той же попереч­ ной деформации углепластика, которую измерили в испытаниях на кольцах (см. табл. 1). Однако значения поперечной деформации цилиндров были меньше, чем колец, и имели большой разброс, что можно объяснить “пло­ хим” разрушением, имевшим место в некоторых случаях (разрушение начи-