Определение прочности сцепления бетона и арматуры

Сцеплением арматуры с бетоном называется непрерывная связь по поверхности контакта между арматурой и бетоном, обеспечивающая их совместную работу. Сцепление арматуры с бетоном обусловливает их сопротивление взаимному сдвигу. Общее сопротивление сдвигу определяется следующими основными физикомеханическими факторами:

1) сопротивлением бетона смятию и срезу вследствие наличия выступов и неровностей арматуры;

2) силами трения вследствие обжатия арматурных стержней;

3) склеиванием арматуры с бетоном вследствие адгезии цементного клея. На долю этих факторов относят обычно соответственно 70—75%, 15—20% и до 10% общего сопротивления сдвигу.

Определение прочности сцепления арматуры с бетоном не регламентируется стандартами. Однако в ряде случаев, учитывая важность совместной работы арматуры и бетона (для изгибаемых элементов при нарушении сцепления арматуры с бетоном потеря несущей способности составляет 30—35%), необходимо определить прочность сцепления тсц или ее изменение под действием различных технологических факторов во времени вследствие коррозии и т. п. Вопросы методики испытаний по определению прочности сцепления бетона с арматурой разработаны в некоторых других работах.

При изготовлении образцов кроме общих требований необходимо обеспечить следующие условия. Арматура перед установкой в форму для обетонирования должна быть тщательно очищена от смазки, загрязнений и продуктов коррозии. Оставлять последние можно, если изучение их влияния является целью испытаний. Арматурные стержни должны быть ровными (допускаются искривления не более 3 мм на 1 м), без видимых дефектов поверхности. Замеры производят с погрешностью не более 0,1 мм для диаметра d и шага вмятин; 0,05 мм для глубины профилировки стержневой и 0,02 мм для проволочной арматуры. Арматурные стержни должны быть жестко и надежно укреплены в форме для предупреждения их перемещения при укладке и уплотнении бетонной смеси. При уплотнении смеси глубинными вибраторами последние не должны касаться арматурных стержней.

В местах прохождения арматурных стержней через стенки формы необходимо обеспечить, например с помощью резиновых колец, уплотнение для предотвращения вытекания цементного «молока» при вибрации.

Следует обязательно учитывать направление вибрирования по отношению к арматуре и угол W между направлением вибрирования и направлением усилия в арматуре при испытании. При этом возможны случаи, когда:

1) арматурный стержень при бетонировании расположен горизонтально и w = 90°;

2) арматурный стержень при бетонировании расположен вертикально и при испытании усилие в нем направлено по направлению бетонирования, т. е. w = 0°;

3) арматурный стержень при бетонировании расположен вертикально, но при испытании усилие в нем направлено в противоположную усилию бетонирования сторону, т. е. W = 180°. В этом случае обычно тcц максимальна.

Различие в последних двух случаях обусловлено седиментационным расслоением бетонной смеси под выступами арматуры периодического профиля.

Размеры образцов рекомендуется назначать с обеспечением наименьшего поперечного размера призмы а из условия a=5(d+1), см, и длины по табл. III.23. При этом для образцов из бетона на пористых заполнителях вместо Rcж бетона следует принимать Rcж растворной составляющей.

При необходимости исследования сцепления арматуры с инъекционным раствором изготовляют бетонные образцы со сквозными каналами, помещают в них арматуру и заполняют их раствором.

Для испытания на сцепление могут применяться различные способы (рис. III.19), каждый из которых имеет свои особенности. Значение тсц, полученное в одних и тех же условиях, но разными способами, различно, поэтому при описании результатов следует обязательно указывать способ испытания.

По способу (рис. III.19, а) стержни в середине плиты разделены на две части. При этом способе отсутствует поперечное давление. Способ целесообразно использовать при исследовании сцепления арматуры с инъецированным в каналы (трубы) раствором.

По способу (рис. III.19,б) усилие растяжения в арматурном стержне уравновешивается усилием в петле. При этом возможны два варианта: по первому — петля свободно проходит через каналы в призме и закрепляется на торцах анкерами; по второму — петля удерживается силами сцепления в бетоне.

Определение прочности сцепления бетона и арматуры

По способу (рис. III.19,в) испытание состоит в выдергивании арматурного стержня с упором призмы в торец. Вследствие упора призмы в торец траектории главных сжимающих напряжений в бетоне образуют свод, который вызывает обжатие стержня и повышает тсц. Следует отметить, что поскольку при испытании по способу рис. III.19, а максимальные напряжения достигаются только на одном стержне, оставшийся в призме стержень можно выдернуть этим же методом. При этом, несмотря на то, что сцепление стержня частично нарушено, зачастую отмечается более высокое усилие вырыва по способу рис. III.19, в, чем по способу рис. III.19, д.

Довольно часто применяют способ продавливания (рис. III.19, г). Значение тcц, полученное этим способом, выше, чем полученное предыдущим (см. рис. III.19, в), поскольку нагрузка, приложенная к арматурному стержню, вызывает увеличение его сечения, что в свою очередь увеличивает силы, повышающие сопротивление сдвигу. Трудность реализации способа состоит в. необходимости обеспечить точное центрирование нагрузки, так как даже при малых эксцентриситетах наблюдается продольный изгиб арматуры. Это ограничивает применение способа, особенно для проволочной арматуры малых диаметров.

Возможно испытание способом (рис. III.19, д), при котором растягивающее усилие в арматурном стержне уравновешивается силами тления, действующими по двум граням бетонной призмы, например при обжатии ее между опорными плитами пресса.

Известно новое конструктивное решение устройства, предназначенного для реализации данного способа. Образец размещают между верхней и нижней рамой испытательной машины, например типа ГРМ. В одном из захватов закрепляют конец арматурного стержня, поэтому при движении верхней рамы вверх происходит выдергивание стержня. Отличительной особенностью конструкции устройства является то, что бетонный образец в этом устройстве расположен между двумя боковыми плитами, которые шарнирно связаны с верхней подвижной и нижней неподвижной рамами машины. Подвижная рама снабжена фиксатором. Поскольку при перемещении верхней рамы в процессе выдергивания арматурного стержня вверх рамы сближаются, через систему рычагов и плиты усилия обжатия передаются бетонному образцу.

Известен способ выдергивания арматурных стержней из бетонного массива (рис. III.19, в). Поскольку процент армирования близок к нулю, напряженное состояние бетона мало влияет на получаемые результаты. Опоры вырывного устройства следует размещать на достаточном расстоянии от стержня, к которому приложена нагрузка. Вторая разновидность способа состоит в том, что в массив замоноличивают призмы с заранее установленными в них арматурными стержнями, после чего проводят испытание по обычной схеме. Этот вариант дает возможность применять при изготовлении призм такие условия формования и твердения, использование которых при изготовлении массива затруднительно, неэкономично или даже невозможно.

Способ (рис. III.19, ж) основан на передаче предварительных напряжений на бетон от арматуры, освобожденной от упоров. На концевых участках возникают две симметрично расположенные зоны анкеровки, в пределах которых действуют напряжения сцепления. Способ по характеру возникающих напряжений близок к способу продавливания.

Способ (рис. III.19, э) основан на растяжении арматурного стержня, забетонированного в призму. Напряжения противоположны по знаку тем, которые возникают при способе (рис. III.19, ж).

Способ (рис. III.19, и) основан на испытании железобетонной балки на изгиб. В растянутой зоне арматура на некоторых участках обнажена, что дает возможность измерить деформации.

Способ (рис. Ш.19, к) отличается от предыдущего тем, что арматурный стержень, уложенный в растянутой зоне балки, имеет выпуски за пределы торцов (lст больше lбалк), по изменению длины которых определяют момент нарушения сцепления.

Наиболее часто при испытаниях применяют довольно простые способы выдергивания стержня с упором призмы в торец (см. рис. III. 19, в) и продавливания (см. рис. III. 19, г), хотя такое простое напряженное состояние в практике встречается сравнительно редко. В процессе загружения образца для исследования характеристик сцепления арматуры с бетоном измеряют смещение арматуры относительно бетона на торцах образца g0 (на загруженном конце) и g1 (на незагруженном конце), а также напряжения в арматуре т0.

Величину т0 можно определять по усилию (нагрузку — по силоизмерителю; площадь поперечного сечения для стержня периодического профиля вычисляют косвенным методом — путем взвешивания) или по продольной деформации арматуры, измеряемой с помощью тензометров или тензодатчиков (предварительно определяют диаграмму растяжения арматуры).

Перемещения g0 в g1 наиболее удобно измерять механическим методом с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм. Крепить индикаторы можно как к бетону, так и к арматуре с помощью закладных деталей, струбцин или клея (рис. III.20); в последнем случае используют дополнительную крышку для защиты индикатора. При креплении индикатора к арматуре с помощью струбцин расстояние от последних до поверхности бетонного образца должно быть минимальным (~10/15 мм).

Испытание проводят при плавном загружении по этапам по 10—15% ожидаемой предельной нагрузки. Первые два-три и последний этапы целесообразно принимать по 5—7%. Скорость возрастания нагрузки должна соответствовать приросту т0 на 5 МПа/с. Выдержку под нагрузкой перед снятием отсчетов принимают 1 мин, если деформация при этом продолжается, то выдержку увеличивают до тех пор, пока деформация не будет менее 0,01 мм за 1 мин.

За начало сдвига арматуры принимают момент, соответствующий началу деформаций на ненагруженном конце gt. Однако следует учесть, что незначительные первичные деформации, особенно при испытании арматуры периодического профиля, не соответствуют сдвигу арматуры, а характеризуют обжатие образца.

Если испытание доведено до выдергивания арматуры, то можно рассчитать среднее условное напряжение сцепления тсцср:

где тмакс — предельное напряжение в стержне; S — площадь стержня; тмаксS — предельное усилие в стержне; dср — средний диаметр стержня (для периодической арматуры вычисленный методом взвешивания); l — длина забетонированной части стержня.

Кроме того, во всех случаях возможно построение графика зависимости g0 от т0 и определение ряда других параметров.

Прочность сцепления арматуры с бетоном может быть определена и при длительном загружении; при этом возможно исследовать и дополнительное влияние различных факторов: времени твердения, попеременного замораживания и оттаивания и т.п.

Может быть использован для оценки прочности сцепления арматуры с бетоном ультразвуковой импульсный метод. При прозвучивании арматурного стержня, заделанного в бетон, скорость ультразвука и амплитуда импульсов увеличиваются в случае нарушения сцепления. В настоящее время ведутся исследования по разработке методики таких испытаний.