В статье анализируются результаты испытаний бетонных и железобетонных балок на растяжение при изгибе с использованием фиксаторов защитного слоя. Указываются возможные причины снижения трещиностойкости бетона при использовании данных фиксаторов.

УДК 691.32:620.191.33

И.М. БЕЗГОДОВ, научный сотрудник, Е.А. БОРИСЮК, канд. техн. наук, М.М. КОЖЕВНИКОВ, аспирант, В.Н. СВИРИДОВ, канд. техн. наук, НИУ МГСУ

Ключевые слова: бетон, прочность, деформативность, трещиностойкость, растяжение при изгибе, фиксатор арматуры
Keywords: concrete, strength, deformability, fracture toughness, bending tension, locking rebar

Надежная работа ряда железобетонных конструкций и сооружений требует обеспечения непроницаемости и недопущения появления трещин. К таким конструкциям можно отнести напорные трубы, емкости для хранения жидкостей и газов, подземные сооружения, тюбинги и т.д. Кроме того, конструкции и сооружения могут эксплуатироваться в условиях агрессивных сред, которые приводят к быстрой коррозии арматуры. Поэтому проверку трещиностойкости выполняют с учетом воздействия расчетных нагрузок, а величину защитного слоя бетона увеличивают [1].

Необходимым условием изготовления высококачественных железобетонных изделий является фиксация стального арматурного каркаса в бетоне при бетонировании в строго проектном положении для исключения вероятности смещения арматурного каркаса. Достаточно жесткое закрепление необходимо как для последующей надежной работы конструкции в сооружении (обеспечения расчетного распределения напряжений и возможных локальных внутренних дефектов), так и для сохранения от коррозии стальной арматуры, защищенной необходимым слоем бетона. Эту задачу выполняют специальные закладные детали, так называемые фиксаторы арматуры. Принято считать, что основная функция фиксаторов арматуры – это обеспечение защитного слоя арматуры от возможной коррозии из-за вредного воздействия агрессивных сред, но только этим роль фиксаторов не ограничивается. Фиксируя арматуру в форме, фиксаторы дают возможность бетонной смеси в процессе формования равномерно распределяться вокруг арматуры и, как следствие, обеспечивают способность конструкции работать в расчетных режимах. Поэтому термин «фиксатор защитного слоя арматуры в бетоне» не в полной мере отражает его функцию. Задача защиты арматуры в бетоне от вредного воздействия внешней среды остается, является достаточно важной и требует специальной оценки существующих и предлагаемых фиксаторов.

Высокие темпы строительства, развитие монолитного домостроения, возросшие требования к железобетонным изделиям заводской готовности обусловили рост потребности в фиксаторах арматуры, производство которых за последнее время существенно увеличилось. Широкое распространение в настоящее время получили пластмассовые фиксаторы из ПВХ, ПНД, ПП. Фиксаторы имеют различную форму и назначение. По своему применению они подразделяются на три категории: фиксаторы для установки на вертикальную арматуру, фиксаторы для установки на горизонтальную арматуру, фиксаторы для установки в опалубку с фиксацией общей толщины бетона.

Их применение целесообразно и оправданно в конструкциях, которые в меньшей степени подвержены вредному воздействию внешней среды и находятся вне зоны действия высоких нагрузок. Это объясняется тем, что адгезия цемента и, соответственно, бетона к пластмассам невысока. Контактная зона в таком случае может служить, во-первых, источником возникновения локальных дефектов и трещинообразования при действии растягивающих напряжений в месте расположения пластмассовых фиксаторов. Во-вторых, учитывая, что опорная часть фиксатора выходит на поверхность конструкции, агрессивная среда может достаточно свободно проникать по границе «бетон – фиксатор» к арматуре и способствовать возникновению ее коррозии. Пластмассовые фиксаторы можно рекомендовать для железобетонных конструкций, работающих в воздушно-сухих условиях с невысокими внутренними напряжениями. Для конструкций, работающих в условиях воздействия агрессивных сред, зонах с растягивающими и изгибающими напряжениями использование пластмассовых фиксаторов арматуры нежелательно. К таким конструкциям относятся опорные элементы мостов, элементы высотных зданий, тюбинги, резервуары, железобетонные столбы и мачты для электрификации РЖД и т.д. В подобных конструкциях необходимо применять фиксаторы, изготовленные из материалов, имеющих высокое химическое сродство с основным материалом изделия: из асбестоцемента, высокопрочного мелкозернистого бетона с различными минеральными и химическими добавками и т.д. В этом случае граница фиксатора и бетона является условной, так как кристаллы новообразований твердеющего цемента изделия и фиксатора со временем срастаются и создают плотное и достаточно прочное соединение.

Пример условного обозначения фиксаторов в технической документации: «Фиксатор ФБ-30 ТУ 1276-001-9457603-2007», где ФБ – сокращенное название фиксатора, 30 – толщина защитного слоя бетона.

С целью проверки влияния фиксаторов на трещиностойкость бетона в процессе испытания на растяжение при изгибе были изготовлены образцы-призмы размерами 15х15х60 см из бетона состава 1:2,7:4,0 на портландцементе М500 в количестве 300 кг/м³ при В/Ц=0,67. В качестве заполнителя использовали гранитный щебень и кварцевый песок с модулем крупности 1,5. Подвижность бетонной смеси соответствовала П2. Для улучшения удобоукладываемости вводилась добавка Pozzolith MR 55. Образцы изготавливались на заводе железобетонных изделий и после вибрирования на виброплощадке проходили термообработку по режиму пропаривания тюбингов. После распалубки образцы находились в лабораторных условиях в течение 2-х месяцев. Далее проводились испытания на осевое сжатие с целью получения основных физико-механических характеристик Rb, Eb, νb и на растяжение при изгибе в соответствии с [2]. Образцы на растяжение при изгибе были разделены на 4 группы. Первая группа испытывалась без арматуры. Вторая – с арматурой ∅14 А400, но без фиксаторов. В третьей и четвертой группе были установлены в центре образцов пластмассовый и комбинированный фиксатор с защитным слоем 35 мм.

Подъем нагрузки во всех случаях осуществлялся ступенями с 5-минутной выдержкой на ступени. При определении призменной прочности Rb, модуля упругости Eb и коэффициента поперечной деформации νb использовались индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 мм. При испытании на растяжение при изгибе с целью измерения предельных деформаций растяжения в зоне максимальных растягивающих напряжений приклеивались маяки на базе 15 см, в которые устанавливались индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 мм.

Физико-механические характеристики бетона, полученные при испытании на осевое сжатие, представлены в табл. 1. Предельная относительная деформация сжатия, соответствующая призменной прочности, определялась в соответствии с предложением, отраженным в статье [3]. Коэффициент призменной прочности для данного бетона составил 0,82.

Таблица 1

R, МПа	Rb, МПа	Eb×103, МПа	νb	εb0×10-5
50,7	41,7	34,3	0,213	228

Для проверки влияния фиксаторов арматуры на трещиностойкость бетона использовались пластмассовые фиксаторы, которые представляют собой объемный элемент. Верхняя часть состоит из двух прищепок, расположенных на расстоянии 20 мм между осями, находящихся на общем пластмассовом основании в виде полушара ∅40 мм с трезубцем, обеспечивающим устойчивость при монтаже. Первый вид фиксатора был полностью пластмассовым, а у второго вида нижняя часть изготовлена из мелкозернистого бетона.

Рассмотрим положительные и отрицательные стороны данных фиксаторов. Положительной стороной является то, что арматура четко фиксируется в проектное положение и нейтральна к агрессивной среде. В то же время если рассматривать их совместную работу в конструкции при наличии растягивающих напряжений, то возникает ряд замечаний. Во-первых, модуль упругости пластмассы приблизительно на порядок ниже, чем у бетона (3,0×10³ и 30×10³ МПа). Поэтому внутри бетона фиксатор является дефектом, который в зоне контакта при наличии растягивающих напряжений создает концентрацию напряжений и, как следствие, раннее возникновение трещин. Во-вторых, сцепление бетона с пластмассой достаточно низкое, что также при возникновении растягивающих напряжений отрицательно сказывается на трещиностойкости бетона. В-третьих, у данных объемных фиксаторов верхняя часть состоит из двух гибких прищепок, расстояние между которыми недостаточное, чтобы в данной зоне хорошо уплотнялся бетон, то есть в данном месте имеет место вероятность дефектной зоны. И в-четвертых, коэффициенты линейного расширения у пластмассы и бетона значительно отличаются (10×10^-5 °С^-1 у пластмассы и 1×10^-5 °С^-1 у бетона), поэтому при остывании конструкции после пропаривания между бетоном и фиксатором могут образовываться температурные трещины. Учитывая, что предельные растягивающие напряжения у бетона достаточно низкие, следует более ответственно подходить к выбору фиксаторов арматуры и проводить экспериментальную проверку с оценкой их влияния на трещинообразование.

Результаты экспериментальных исследований влияния фиксаторов на прочность и деформативность бетона на растяжение при изгибе представлены в табл. 2 и на рисунке.

Таблица 2

Rtf, МПа	Rtfs, МПа	Rпtfs, МПа	Rкtfs, МПа
4,1	4,6	3,7	3,6
εtf×10-5	εtfs×10-5	εпtfs×10-5	εкtfs×10-5
19,5	22,8	15,4	14,5

Примечание: Rtf – прочность на растяжение при изгибе без арматуры; Rtfs – с арматурой, но без фиксатора; Rпtfs – с фиксатором пластиковым; Rкtfs с фиксатором комбинированным

Если проанализировать качество бетона по показателю дефектности структуры ntf=Rb/Rtf [4, 5], то можно отметить, что эта величина составляет 10,2, что говорит о высоком показателе дефектности структуры. Если подсчитать прочность на осевое растяжение через коэффициент 1,7, предложенный в работах [4, 5], то получим величину, равную 2,41 МПа, что близко к значениям, представленным на рисунке. Существенные отклонения от линейности деформирования происходят как раз на участке от 2,4 до 2,8 МПа, что совпадает с расчетной величиной. Данному уровню напряжений соответствует предельная относительная деформация растяжения, равная 8÷9×10^-5.

Анализируя значения момента образования трещин в соответствии с табл. 2 и рисунком, можно отметить следующие факторы. Прочность при изгибе с наличием арматуры ∅14 А400 выше, чем у бетона без нее, что объясняется сдерживанием арматурой ослабленной зоны за счет более высокого модуля упругости. Наличие фиксаторов весьма существенно сказалось на процессе трещинообразования. Так, момент трещинообразования при наличии пластикового фиксатора снизился на 19,6%, а с наличием комбинированного фиксатора – на 21,7%. У образцов с фиксаторами трещиностойкость оказалась ниже, чем у образцов без арматуры, на 9,85 и 12,2%, соответственно. Аналогичным образом обстоит дело и с предельной деформативностью, соответствующей началу трещинообразования.

Таким образом, можно сделать вывод, что выбор фиксатора при расчете по трещиностойкости следует делать с учетом материала, из которого он изготовлен, его адгезии к бетону и формы. Необходимо перед внедрением фиксаторов в производство проводить экспериментальную проверку, доказывающую их удовлетворительное влияние на процесс трещинообразования в процессе нагружения.

Библиографический список

1. СП 28.13330-2012. Защита строительных конструкций от коррозии. Актуализированная редакция СНИП 2.03.11-85: введ. 2011-05-20 / Минрегион РФ. – М.: ФАУ «ФЦС», 2012, – 94 с.

2. ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

3. Безгодов И.М., Дмитренко Е.Н., Митрохина А.О., Баженова А.В. Влияние кратковременной перегрузки на физико-механические характеристики бетона при повторном нагружении // Бетон и железобетон, № 2, 2015, с. 2-4.

4. Безгодов И.М. О повышении предела прочности и деформативности бетона при растяжении // Бетон и железобетон, № 1, 2012, с. 5-8.

5. Безгодов И.М. О соотношениях прочностных и деформативных характеристик бетона при сжатии, растяжении и растяжении при изгибе // Бетон и железобетон, № 2, 2012, с. 2-5.