Эффективность предварительного напряжения арматуры композитной полимерной (АКП) подтверждается множеством результатов отечественных и зарубежных исследований. В зависимости от типа АКП и усилий обжатия бетона наблюдается значительное увеличение жесткости и величины изгибающего момента при образовании трещин, снижение ширины раскрытия трещин. В ряде исследований отмечается положительный эффект от применения предварительно напряженной АКП в комбинации со стальной арматурой или фибровым армированием бетона. Указанные мероприятия позволяют «компенсировать» низкие жесткостные характеристики АКП и приблизить эксплуатационные характеристики армированных ею конструкций к железобетонным аналогам [1–19].

В силу технических особенностей АКП единственный возможный метод ее предварительного напряжения – механический. Наиболее технологичная реализация данного метода может быть достигнута с применением гидравлических и винтовых домкратов, при этом требуется адаптация и апробация технологии, устройств и захватов в условиях современных производственных предприятий. Данные факторы являются барьером для широкого применения сборных армированных бетонных конструкций с предварительно напряженной АКП [1][19–21].

В отечественных и зарубежных нормах требования к предварительно напряженной АКП рассмотрены частично. Например, в американских и канадских нормах [22–28] практически не рассматривается предварительно напряженная АКП на основе стеклянных (АСК) и базальтовых волокон (АБК). В российском СП 295.1325800.2017 [29] не рассмотрена предварительно напряженная АБК. Нормируемые подходы к расчетной оценке параметров предварительного напряжения АКП принципиально схожи с методами, установленными для стальной арматуры. При этом существенные отличия в реологических и физико-механических свойствах стали и АКП учитываются частично. Вопросы влияния температурного перепада при тепловой обработке бетона на потери предварительного напряжения изучены недостаточно. Стандартные методы испытаний по определению релаксации напряжений для АКП в отечественных документах не рассмотрены.

В связи с этим проведение комплекса уточняющих исследований по данной тематике является актуальным и имеет значительный практический интерес.

Целью является проведение экспериментальных исследований с оценкой влияния различных параметров предварительного напряжения АКП на жесткость и трещиностойкость изгибаемых бетонных элементов и выявление предпосылок для совершенствования системы градостроительной деятельности в части уточнения и дополнения действующих нормативных документов по проектированию армированных бетонных конструкций.

В 2023 году сотрудниками НИИЖБ им. А.А. Гвоздева выполнена работа по исследованию влияния предварительно напряженной АСК на жесткость и трещиностойкость нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов.

Для экспериментальных исследований были изготовлены и испытаны 6 серий опытных конструкций (по 2 шт. в каждой серии), которые были условно разделены на две группы в зависимости от анкеровочного слоя АСК (индекс «П» – периодический профиль, «ПЭ» – песчаное покрытие). Для всех опытных конструкций продольное армирование в растянутой зоне выполнено из АСК с величинами начального натяжения (σfp,0) 30 и 45 % от предела прочности при растяжении σf,В для каждого типа арматуры. Также изготовлены контрольные серии опытных конструкций без предварительного напряжения арматуры.

Основные параметры опытных конструкций приведены на рис. 1 и в таблице.

Для изготовления образцов с преднапряженной арматурой была изготовлена деревянная опалубка с геометрическими размерами, обеспечивающими единовременное натяжение арматуры для двух образцов одной серии при их продольном расположении. По торцам опалубки были предусмотрены отверстия таким образом, чтобы исключалось соприкосновение преднапрягаемой арматуры и опалубки. В деревянную опалубку в проектном положении устанавливались металлические каркасы с поперечной арматурой, через которые продевались (без раскрепления) и располагались в проектном положении продольные преднапрягаемые стержни, на выступающих за торцы опалубки концах которых были устроены анкерные устройства, выполненные по аналогии с испытательными муфтами по п. 5.2.4 ГОСТ 32492-2015 [30].

Деревянная опалубка располагалась в замкнутой жесткой металлической раме. С одной стороны рамы закреплялся неподвижный упор со специальным захватом, в котором фиксировались концы преднапрягаемой арматуры с анкерными устройствами. Конструкция захвата позволяла выполнять одновременное равномерное натяжение двух арматурных стержней. С другой стороны устанавливалась силовая система, состоящая из домкрата, подвижного упора, динамометра (силомера) и захвата для фиксации концов преднапрягаемой арматуры с анкерными устройствами (рис. 2). При помощи домкрата осуществлялось перемещение подвижного упора. Контроль заданного усилия натяжения силовой системы (и, как следствие, преднапрягаемой арматуры) осуществлялся при помощи динамометра типа АЦД/1Р-100/1И-1. При достижении заданного уровня натяжения арматуры подвижный упор фиксировался с последующим периодическим контролем показаний динамометра. Мониторинг показаний динамометров осуществлялся вплоть до бетонирования образцов, а далее – до передачи усилий натяжения арматуры на бетон.

Значения потерь от релаксации напряжений АСК определялись параллельными измерениями на специальных динамометрических рамах, позволяющих обеспечить контроль усилия в образце и неизменность его деформаций на период испытаний. Данные измерения выполнялись по методике, разработанной в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева.

Испытания опытных образцов проводились в силовой раме, жестко прикрепленной к силовому полу. Опытный образец помещался на две опоры, одна из которых шарнирно-подвижна, а другая шарнирно-неподвижна. Нагрузка создавалась гидравлическим домкратом, упирающимся в силовую раму, и передавалась на опытный образец через жесткую траверсу и катки в виде двух сосредоточенных сил. Величина нагрузки на образец определялась при помощи динамометра, установленного между домкратом и силовой рамой. Испытание опытных образцов выполнялось в соответствии со схемой, приведенной на рис. 3.

Перед проведением испытания для каждого образца замерялись фактические размеры его поперечного сечения, пролет, расстояния от опор до мест приложения сосредоточенной нагрузки, а после испытания уточнялась рабочая высота сечения и толщина защитного слоя бетона. Во время испытаний измерялись осадка опор и прогибы опытных образцов (схемы установки индикаторов И1–И4 и прогибомеров П1–П5 приведены на рис. 3). Ширина раскрытия трещин на поверхности образца измерялась с помощью отсчетного микроскопа. Дополнительно к указанным выше приборам использовалась бесконтактная оптическая система измерения деформаций Vic-3D.

Нагрузка прикладывалась ступенями 1/10 от теоретической разрушающей нагрузки, с учащением шага в диапазоне нагружения, близком к теоретическому значению нагрузки образования трещин. На каждой ступени проводилась выдержка под нагрузкой около 5 мин. За это время выполнялся визуальный осмотр, зарисовка трещин, отмечались нагрузки образования и развития трещин. Затем снимались все величины деформаций опытной конструкции. При испытаниях нагрузка доводилась до исчерпания несущей способности (до разрушения) опытной конструкции. Общий вид испытаний опытных конструкций приведен на рис. 4.

По результатам экспериментальных исследований опытных конструкций определены разрушающие нагрузки, установлены параметры и схемы трещинообразования (рис. 5 и 6), а также определены прогибы (рис. 7).

Анализ результатов испытаний показал следующее:

В лабораторных условиях апробирована технология натяжения АКП механическим способом. Получен положительный результат, однако для ее реализации в условиях современных производственных предприятий требуется адаптация натяжных устройств и захватов.

В рамках работы была разработана и реализована программа экспериментальных исследований, которая включала изготовление и испытание шести серий опытных образцов с различными параметрами предварительного напряжения АСК. По результатам испытаний можно сделать вывод, что предварительное напряжение АКП является эффективным способом повышения трещиностойкости и жесткости изгибаемых бетонных элементов.

В последующем предполагается более детальная публикация результатов анализа полученных опытных данных проведенного исследования.