Test Methods and Device for Studying the Mechanical Properties of Fiber, Concrete and Fiber-Reinforced Concrete Elements

Full Text

1. Введение Важнейшими задачами технического прогресса в строительном производстве являются повышение уровня автоматизации и заводской готовности строительных конструкций, расширение применения новых эффективных материалов, снижение энергоемкости и материалоемкости изготовления конструкций. Отечественными и зарубежными исследователями подтверждено, что для решения задач эффективного противодействия разрушающим деформациям в различных эксплуатационных условиях весьма перспективными являются конструкции из дисперсно-армированных бетонов - фибробетонов (ФБ) и сталефибробетонов (СФБ) [1-6]. Поскольку СФБ является композитным материалом, его свойства можно контролировать путем выбора механических характеристик бетона, вида фибр и параметров дисперсного армирования. На сегодняшний день ассортимент стальных волокон для армирования бетона представлен весьма широко как на внутреннем, так и на внешнем рынках. Однако несмотря на то, что стальные фибры обладают различными физико-механическими и геометрическими характеристиками, российские нормативные документы не содержат данных об их рациональном выборе. Отсутствуют спецификации правил выбора параметров армирования волокнами, которые соответствовали бы эксплуатационным требованиям проектируемой конструкции [7]. В связи с этим до настоящего времени исследователями предпринимаются попытки повышения информативности экспериментальных данных, решаются задачи поиска оптимального армирования бетонов волокнами и повешения точности расчетных формул. Для обеспечения наилучших характеристик фибробетонов при минимальных затратах необходимо разработать методы подготовки исходных данных для проектирования конструкций на основе фибробетона. Решение этой проблемы можно разделить на три этапа: численный анализ свойств фибробетона, оптимизация расхода волокон и разработка программного обеспечения для подготовки исходных проектных данных в рамках принятой базы данных [6; 8]. Для полноценного выполнения задач на каждом из перечисленных этапов необходимо предварительно произвести комплексные экспериментальные исследования фибробетонных образцов на растяжение, сжатие, изгиб и другие виды деформаций. Научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом бетона и железобетона «НИИЖБ» (филиалом ФГУП «НИЦ «Строительство», Москва) разработаны стандарты и рекомендации, описывающие методы определения прочности бетона и сталефибробетона на растяжение: СП 360.1325800.2017[22], Приложение Б, ГОСТ 10180-2012[23], Приложение В. Нормативное значение прочности СФБ на растяжение в данных документах предлагается определять на образцах-балках 550×150×150 мм с надрезом высотой 25 мм. Такой подход можно отнести к методам расчета СФБ элементов на основе интегрированного учета работы бетона и фибр, поскольку в документе СП 360.1325800.2017 термин «фибра» определен как «стальные короткие волокна, резанные из листа, фрезерованные из сляба или рубленные из проволоки», о геометрических характеристиках фибр и влиянии ее размеров на прочность СФБ элементов сказано немного и в основном в качестве геометрической характеристики стальных волокон принимается отношение длины фибры к ее диаметру: lf/df. В настоящее время отечественными и зарубежными исследователями предлагаются методы расчета фибробетонных элементов на основе дифференцированного подхода, когда деформации бетона-матрицы и фибры рассматриваются отдельно с учетом адгезии между ними, а геометрические параметры фибры и ее ориентация учитываются в расчетных формулах [9-13]. Задача повышения точности расчета прочности сталефибробетонных конструкций на основе дифференцированного учета сопротивления бетона и фибр актуализируется высокими темпами развития как технологий производства фибробетонов, так и появлением новых видов фибр с разнообразными прочностными свойствами и геометрическими параметрами. Вывод аналитических зависимостей и уточнение расчетных формул основывается на эмпирических диаграммах, характеризующих работу бетона-матрицы и работу стальной фибры в бетоне [9; 14-16]. Для получения таких диаграмм разработана специальная универсальная экспериментальная установка, позволяющая производить исследования работы фибры и фибробетонных образцов при осевом растяжении и при изгибе. 2. Оригинальная методика экспериментальных исследований прочности стальных фибр и фибробетонных элементов С целью проведения испытаний бетонных образцов, стальной фибры и фибробетонных элементов на растяжение, определения прочности фибр, а также исследования работы фибр в бетоне-матрице разработана специальная экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 1. Фотоиллюстрации экспериментальной установки представлены на рис. 2. Разработанная установка является универсальной и позволяет проводить испытания на статические однократные, циклические и динамические импульсные нагружения, а также одновременное действие среза и растяжения. Основная цель создания данной экспериментальной установки заключается в повышении информативности получаемых в ходе испытаний данных, а именно регистрации информации о нисходящей ветви диаграммы «нагрузка - деформация» для бетонов при осевом растяжении. Рис. 1. Схема разработанной оригинальной экспериментальной установки: 1 - винт для создания преднапряжения; 2 - шарнир Гука; 3 - захваты; 4 - испытуемый образец; 5, 9, 11 - индикаторы часового типа; 6 - станина; 7 - неподвижная стойка; 8 - рычаг; 10, 13 - динамометрические кольца; 12 - винт, поворотом которого осуществляют нагрузку; 14 - регулятор перераспределения нагрузки между компенсатором 10 и рычагом 8 И с т о ч н и к: выполнено А.В. Сухановым в программе КОМПАС-3D. Figure 1. Diagram of the developed original experimental device: 1 - screw for creating pre-stress; 2 - Hooke’s joint; 3 - grips; 4 - test sample; 5, 9, 11 - dial indicators; 6 - frame; 7 - fixed stand; 8 - lever; 10, 13 - proving rings; 12 - screw, by turning which the load is applied; 14 - regulator for redistributing the load between compensator 10 and lever 8 S o u r c e: made by A.V. Sukhanov in the КОМПАС-3D. Рис. 2. Фотоиллюстрации экспериментальной установки И с т о ч н и к: выполнено А.В. Сухановым в программе КОМПАС-3D. Figure 2. Photos of the experimental device S o u r c e: made by A.V. Sukhanov. Известно техническое решение для испытания образцов материала на растяжение, осуществляемое путем деформирования образца равными ступенями деформации с изменением соответствующих им величин растягивающих нагрузок. После достижения величины нагрузки, соответствующей пределу прочности материала, нагрузку на образец снижают до достижения предыдущей ступени деформации. После этого догружают образец, деформируя его на предыдущую и следующие ступени. Порядок деформирования образца повторяют, вплоть до его разрыва. Способ обеспечивает получение нисходящей ветви «нагрузка - деформация» для всех видов материалов [17]. Недостатком этого способа является прерывистость прикладываемой нагрузки, что влияет на точность построения диаграммы «нагрузка - деформация». Кроме того, для построения диаграммы в данном способе осуществляется ручная регулировка фиксирующих винтов на каждой стадии нагружения, что усложняет процесс испытания, а также уменьшает информативность получаемых в ходе испытаний данных, - диаграмма «нагрузка - деформация» имеет кусочно-линейный вид. Более того, в данном способе повышение точности построения диаграммы (уменьшение шага перемещений фиксирующего винта) приводит к повышению времени испытания и усложнению процесса испытания. С целью устранения указанных недостатков была создана универсальная экспериментальная установка, представленная на рис. 2. Методика испытания образцов на осевое растяжение, технически реализованная с помощью созданной экспериментальной установки, заключается в том, что испытание проводится с помощью нагружающего устройства, в котором усилие определяется по величине деформирования упругого элемента. Для построения ниспадающей ветви диаграммы «нагрузка - деформация» используется компенсатор, также представляющий собой упругий элемент, с помощью которого перераспределяется нагрузка между образцом и нагружающим устройством [18]. Для построения диаграммы «нагрузка - деформация» в реализуемом способе осуществляется регулировка значения осевой силы на каждой стадии нагружения, что упрощает процесс испытания и увеличивает информативность получаемых в ходе испытаний данных. Испытание образца осуществляют с помощью нагружающего устройства, в котором усилие определяется по величине деформирования упругих динамометрических колец. Для построения ниспадающей ветви диаграммы «нагрузка - деформация» используется компенсатор - упругий элемент, перераспределяющий нагрузку между собой, образцом и нагружающим устройством. Установка для испытания образца (см. рис. 1) содержит захваты для образца 3, закрепленные к станине 6 и рычагу 8, который через неподвижную стойку 7 также соединен со станиной 6. Для нагружения образца 4 к станине 6 прикреплено устройство, состоящее из стойки, упругого элемента 13 и винта 12. Для получения нисходящей ветви диаграммы к станине 6 прикреплено устройство, состоящее из стойки 7 и упругого элемента - компенсатора 10. Испытание на осевое растяжение осуществляется следующим образом. Образец 4 материала зажимают в захватах 3, затем деформируют образец на заданную величину деформации путем приложения через захваты 3 растягивающих усилий, для чего нагружают упругий элемент 13, действующий на рычаг 8, путем перемещения винта 12. При этом часть нагрузки приходится на компенсатор 10, который в процессе всего испытания всегда сжат. В процессе испытания нагрузка, действующая на образец, вычисляется по формуле , где P = c1Δ1 - приложенная нагрузка (c1 - жесткость упругого элемента 13, определяемая тарировкой, Δ1 - деформация упругого элемента 13, замеряемая при нагружении); K = c2Δ2 - усилие в компенсаторе 10 (c2 - жесткость упругого элемента 10, определяемая тарировкой, Δ2 - деформация упругого элемента 10, замеряемая при нагружении); а, b - расстояния от стойки 7 до оси усилия на образец 4 и до оси усилия на компенсатор 10 соответственно (рис. 3). Рис Рис. 3. Схема нагрузок на рычаг экспериментальной установки И с т о ч н и к: выполнено А.В. Сухановым в программе КОМПАС-3D. Figure 3. Loading scheme for the lever in the experimental device S o u r c e: made by A.V. Sukhanov. Деформации в образцах и нагрузка на динамометрические кольца определялись индикаторами 5, 9, 11 с ценой деления 0,001 мм. На компенсатор 10 устанавливается один, а на динамометрические кольца 13 - два индикатора часового типа. Применение упругого элемента 10, перераспределяющего нагрузку между образцом и нагружающим устройством, позволяет увеличить информативность регистрируемых данных и построить нисходящую ветвь диаграммы растяжения. Повышение точности получаемых данных обусловлено тем, что значение деформации образца можно измерить при любом усилии, т. е. получить любую точку диаграммы. Самостоятельное перераспределение нагрузки между упругими элементами нагружающего устройства и компенсатора упрощает процесс проведения эксперимента [18]. Для проверки работоспособности экспериментальной установки была создана ее 3D-модель в программе Autodesk Inventor 2021 (рис. 4). Модули CAE системы Autodesk Inventor позволили смоделировать нагрузку на основные узлы установки: соединение рычага 8 и шарнира Гука 2, регулятор перераспределения нагрузки между компенсатором 10 и рычагом 8. Моделирование позволило определить максимальные допустимые напряжения в компенсаторах 10 и 13. На рис. 4 показана 3D-модель экспериментальной установки, выполненная в соответствии со схемой на рис. 1. В данной модели захваты экспериментальной установки, соединенные с шарниром Гука, предназначены для выполнения исследований работы на трехточечный изгиб балок-призм размером 40 × 40 × 160 мм. В зависимости от вида захватов, закрепленных в экспериментальной установке, возможны испытания фибр и фибробетонных элементов на различные виды нагружений. Рис. 4. Моделирование нагрузки и проверка работоспособности основных узлов экспериментальной установки И с т о ч н и к: выполнено А.В. Сухановым в программе Autodesk Inventor 2021. Figure 4. Load modeling and operability testing of the main components of the experimental device S o u r c e: made by A.V. Sukhanov in the Autodesk Inventor 2021. Помимо испытаний на осевое растяжение, экспериментальная установка обладает функциональной возможностью нагружения образца до разрушения совместным действием усилий растяжения, среза и изгиба при фиксированном соотношении между величиной усилия при растяжении, величиной усилия при срезе и величиной изгибающего момента [19]. Возможность проводить такие эксперименты достигается тем, что к устройству прикрепляют специальные соосные захваты для фиксации образца, дугообразные рычаги, соединенные с захватами, и платформы, опирающиеся на стенки захватов, дугообразные рычаги выполнены в виде коромысел с отверстиями, центры которых лежат на одной окружности. Рычаги с помощью болтов соединены с захватами образца и с платформами, опирающимися на стенки захватов (рис. 5). Созданные захваты могут также использоваться для испытания прочности анкеровки стальных фибр, расположенных в бетоне под разными углами к оси нагрузки [20]. Разработаны специальные захваты, позволяющие проводить испытания фибробетонных балок-призм размером 160×40×40 мм на изгиб. Схема закрепления таких образцов в захватах и схема их нагружения показаны на рис. 6. Рис. 5. Схема крепления захватов для образцов при испытании прочности анкеровки И с т о ч н и к: выполнено А.В. Сухановым в программе КОМПАС-3D. Figure 5. Mounting configuration of the grips for samples during anchorage strength testing S o u r c e: made by A.V. Sukhanov in the КОМПАС-3D. Рис. 6. Схема крепления захватов для образцов при испытании балок-призм на изгиб И с т о ч н и к: выполнено А.В. Сухановым в программе КОМПАС-3D. Figure 6. Mounting configuration of the grips for specimens during bending tests of prismatic beams S o u r c e: made by A.V. Sukhanov in the КОМПАС-3D. Разработаны специальные захваты, позволяющие проводить испытания фибробетонных образцов в виде «восьмерок» на осевое растяжение до разрушения. Схема закрепления таких образцов в захватах и схема их нагружения показаны на рис. 7. Стальные захваты выполнены так, что повторяют форму экспериментальных образцов и обеспечивают их статическое положение во время испытания. Универсальность установки заключается в дополнительном функционале, реализующем возможность производить испытания фибробетонных образцов на статико-динамические нагрузки [21]. Предложен простой способ испытания, расширяющий возможности экспериментального определения статико-динамических характеристик бетона и заключающийся в возможности заранее задавать перемещение в компенсирующем элементе при динамическом нагружении и разгружении. Здесь опытный бетонный образец в виде призмы или «восьмерки» также закрепляется в зажимах экспериментальной установки с использованием центрирующего устройства, обеспечивающего центральное приложение нагрузки в процессе нагружения; регистрация усилия и деформаций во времени осуществляется с использованием динамометра и тензостанции. Нагружение осуществляют через рычажную систему в два этапа: на первом - ступенчатое статическое нагружение образца до заданного уровня, на втором - мгновенное или ступенчатое динамическое догружение или разгружение посредством кратковременного изменения диаметра оси в месте соединения рычага и компенсирующего элемента (рис. 8). Рис. 7. Схема крепления захватов для образцов при испытании фибробетонных элементов на осевое растяжение И с т о ч н и к: выполнено А.В. Сухановым в программе КОМПАС-3D. Figure 7. Mounting configuration of the grips for specimens during tensile testing of fiber-reinforced concrete elements S o u r c e: made by A.V. Sukhanov in the КОМПАС-3D. Рис. 8. Схема механизма ступенчатого динамического догружения и разгружения посредством кратковременного изменения диаметра оси в месте соединения рычага и компенсирующего элемента И с т о ч н и к: выполнено А.В. Сухановым в программе КОМПАС-3D. Figure 8. Diagram of the mechanism for stepwise additional dynamic loading and unloading by means of a short-term change in the diameter of the axis at the connection point of the lever and the compensating element S o u r c e: made by A.V. Sukhanov in the КОМПАС-3D. Для осуществления многократного мгновенного или ступенчатого динамического нагружения создана специальная ось, размещающаяся над компенсатором. Испытание образцов бетона и фибробетонных элементов на циклические нагружения реализуется посредством вращения и кратковременного изменения диаметра оси в месте соединения рычага и компенсирующего элемента, а чередование динамических и статических циклических нагрузок можно осуществлять посредством смещения оси [22]. Схема предложенной оси с различными сечениями и принцип работы показан на рис. 9. Рис. 9. Схема оси с различными сечениями и принцип ее работы при реализации многократных динамических нагружений на бетонный образец И с т о ч н и к: выполнено А.В. Сухановым. Figure 9. Diagram of a shaft with different sections and the principle of its operation when implementing multiple dynamic loads on a concrete sample S o u r c e: made by A.V. Sukhanov. В процессе проведения испытаний динамометром измеряют усилие, действующее на образец, а параметры деформирования самого образца при статическом или динамическом нагружении в условиях циклических нагрузок измеряются при помощи тензостанции, оборудованной встроенным тензоусилителем, позволяющим подключать тензодатчики без использования промежуточных усилителей, и имеющей возможность при подключении к компьютеру и использовании специализированного программного обеспечения записывать и отображать преобразованные сигналы нескольких входных каналов в зависимости от времени. 3. Применение созданной универсальной экспериментальной установки для исследования механических свойств бетонов и фибробетонных элементов Развитие исследований о прочности композитов, армированных дискретными волокнами, происходило по пути изучения напряженного состояния фибробетона от упругой стадии до стадии образования и роста трещин, когда работа фибры постепенно переходит от сопротивления разрушению матрицы к сопротивлению раскрытию трещины. Для этого необходимо было проведение экспериментов, результаты которых позволили бы оценить вклад отдельного волокна в работу композита по сопротивлению росту трещины, то есть эксперименты по выдергиванию фибры из бетона. Важные шаги в этом направлении предприняты исследователями F. Laranjeira, C. Molins, A. Aguado [9; 23], A. Pupurs [6; 24, 25], Y. Zhan [26], I. Löfgren [27], S. Ahmadvashaghbash, M. Mehdikhani, Y. Swolfs [28], J.M. Alwan, A.E. Naaman, P. Guerrero [29], C. Sujivorakul [30], Ye Ma, Hongbo Xiao [31] и др. Работы этих и других исследователей значительно расширили возможности использования деформационной модели и диаграммного метода расчета по прочности линейных элементов конструкций из фибробетона на действие изгибающих моментов и продольных сил. Многие современные исследователи концентрируют свою работу над повышением точности описания диаграмм «нагрузка - смещение» фибр в матрице композитов, для чего используют различные методики испытаний [32-34]. Преимущество описанного здесь устройства заключается в том, что оно позволяет с высокой точностью измерять деформации бетона, фибры и фибробетонных элементов, получать данные о нисходящей ветви диаграмм «нагрузка - смещение» фибр при их разрыве и при смещении их из бетона. Устройство также повышает информативность экспериментальных данных, поскольку конструкция экспериментальной установки предусматривает режим плавного разрушения образца или фибры, создавая условия, приближенные к условиям разрыва фибробетона в растянутой зоне изгибаемого линейного элемента. Созданное устройство прошло апробацию в ходе научно-исследовательской работы по изучению механических свойств стальных фибр и фибробетонных образцов. Первые испытания позволили уточнить предельную прочность стальной фибры, используемой при дисперсном армировании фибробетонных конструкций [15]. Дальнейшие испытания были посвящены исследованию анкеровки стальных фибр в бетонах различной прочности и состава. Экспериментальные данные, полученные с применением созданного устройства, позволили уточнить аналитические зависимости для вычисления значений координат характеристических точек диаграммы «нагрузка - смещение» гладкой стальной фибры и анкерной фибры с одним отгибом на концах [15; 16]. Полезные результаты были получены при испытании на установке фибробетонных элементов в виде «восьмерок», армированных стальными фибрами. Фибры в опытных образцах размещались параллельно друг другу вдоль оси приложения растягивающей нагрузки (см. рис. 7). Полученные данные позволили уточнить влияние коэффициента фибрового армирования на предельную прочность фибробетона при осевом растяжении и получить аналитические зависимости для описания диаграмм «sfbt - efbt» растяжения бетона с ориентированным фибровым армированием [35]. С применением созданной экспериментальной установки проведены исследования работы стальных анкерных фибр с одиночными отгибами на концах в мелкозернистом шлакобетоне и получены эмпирические зависимости, описывающие смещения фибр из бетона-матрицы. На основе полученных данных выведена математическая зависимость для определения коэффициента, характеризующего изменение величины вклада в работу фиброармированного элемента каждого волокна в зависимости от длины заделки этого волокна и соседних волокон в бетоне с учетом их ориентации в бетоне-матрице. Полученные в результате исследования данные позволили рассчитывать напряжения в центральном сечении изгибаемых фибробетонных конструкций на стадии трещинообразования [20]. Данные, полученные в ходе испытаний, позволили уточнить расчетные зависимости для построения диаграмм «нагрузка - смещение» фибр, заделанных в бетон-матрицу с различной длиной анкеровки. Такие диаграммы применяются для построения математической модели анализа напряженно-деформированного состояния нормального сечения изгибаемых фибробетонных элементов и для оценки прочности и надежности фибробетонных конструкций, работающих на изгиб [36-40]. 4. Заключение Для исследований работы фибр и фибробетонных элементов специально разработана и создана универсальная экспериментальная установка, на устройство которой и способы испытаний получены четыре патента РФ на изобретение. 1. Предложена оригинальная методика экспериментальных исследований анкеровки одиночных и групп фибр, а также бетона при растяжении, произведена модификация разработанной универсальной испытательной установки для их осуществления, получен. 2. Разработана оригинальная методика экспериментальных исследований фибробетонных изгибаемых элементов, предложены оригинальные приспособления для универсальной испытательной установки для их осуществления, на способ испытаний получен патент на изобретения РФ. 3. Проведены пионерные экспериментальные исследования работы фибр в бетоне при различных углах их расположения и приложения нагрузки на разработанной универсальной испытательной установке, доказана ее универсальность и применимость для широкого круга задач исследования. 4. Данные, полученные в ходе испытаний, позволили уточнить расчетные зависимости для построения диаграмм «нагрузка - смещение» фибр, заделанных в бетон-матрицу с различной ориентацией и длиной анкеровки. 5. Комплекс исследований, проведенных с применением созданной экспериментальной установки, позволил получить новые и уточнить существующие данные о диаграммах, характеризующих работу стальных фибр в бетоне. Такие диаграммы были применены для построения математической модели анализа напряженно-деформированного состояния нормального сечения изгибаемых фибробетонных элементов и для оценки прочности и надежности фибробетонных конструкций, работающих на изгиб.

About the authors

Andrey V. Sukhanov

Lipetsk State Technical University

Author for correspondence.
Email: suhanov_av@stu.lipetsk.ru
ORCID iD: 0000-0003-1329-3984
SPIN-code: 6143-5881

Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of the Department of General Mechanics

30 Moskovskaya St, Building B, Lipetsk, 398055, Russian Federation

References

Supplementary files