Введение

Восстановление бетонных и железобетонных конструкций является одной из важнейших задач современной строительной отрасли. Значительная часть эксплуатируемых сооружений подвергается воздействию механических, температурных и агрессивных факторов, приводящих к образованию трещин, разрушению защитного слоя бетона и коррозии арматуры. При этом эффективность ремонтных работ определяется не только прочностью ремонтного состава, но и его способностью работать совместно с материалом основания.

Практика эксплуатации восстановленных конструкций показывает, что разрушение чаще всего происходит по границе контакта старого и нового материала. Несмотря на то что современные ремонтные смеси обладают высокой прочностью и адгезией, различия в деформационных характеристиках материалов вызывают возникновение внутренних напряжений, приводящих к образованию трещин и отслоению ремонтного слоя.

Существующие нормативные документы регламентируют прочность на сжатие, адгезию, ограниченную усадку и другие характеристики ремонтных смесей, однако отсутствуют комплексные критерии оценки механической совместимости ремонтного состава с основанием. В связи с этим актуальной задачей является разработка метода, позволяющего количественно оценивать влияние различий физико-механических свойств материалов на долговечность их совместной работы.

Целью работы является разработка метода оценки механической совместимости ремонтного состава с бетонным основанием на основе анализа напряженно-деформированного состояния составных образцов.

Материалы и методы

Для проведения экспериментальных исследований использовались мелкозернистые бетонные смеси, моделирующие систему «бетонное основание — ремонтный состав». В качестве вяжущего применялся портландцемент ЦЕМ I 42,5Н, в качестве заполнителя — кварцевый песок фракции 0–2,5 мм. Для регулирования структуры смесей и предотвращения расслаивания использовалась доломитовая мука, а для обеспечения сопоставимой подвижности — суперпластификатор «Vinavil Flux 3».

В ходе исследований были приготовлены составы с различными водоцементными отношениями: 0,4; 0,5 и 0,6. Изменение В/Ц позволяло получать материалы с различными прочностными и деформационными характеристиками. Контрольным был принят состав с В/Ц = 0,5. Для изготовления образцов использовались металлические формы размером 40×40×160 мм. Исследовались три группы образцов:

– целиковые образцы без датчиков — для определения прочности при сжатии;

– целиковые образцы с одним датчиком линейных перемещений — для получения диаграмм деформирования;

– составные образцы из двух материалов с различными В/Ц — для оценки совместной работы материалов.

Комбинации составных образцов включали различные сочетания основания и вставки с В/Ц = 0,4; 0,5 и 0,6, что позволяло анализировать влияние различий механических характеристик на поведение контактной зоны.

Испытания проводились с использованием гидравлического пресса Matest С040Т 1500/250кН и универсальной испытательной машины BISS UT-02–0100. Для регистрации линейных деформаций применялся измерительный комплекс «Терем 4.0», позволяющий фиксировать перемещения, влажность и температуру в процессе испытаний.

При изготовлении составных образцов применялась разделительная перегородка, позволяющая формировать две части образца с различными составами в пределах одной формы. После укладки смесей перегородка удалялась, и дальнейшее твердение происходило в условиях непосредственного контакта материалов. Перед проведением испытаний на образцы устанавливались датчики линейных перемещений: один датчик для целиковых образцов и два датчика для составных.

Результаты и обсуждение

Проведенные исследования показали, что различия физико-механических характеристик материалов существенно влияют на напряженно-деформированное состояние системы «основание — ремонтный состав».

При испытании составных образцов установлено, что наиболее равномерное распределение деформаций наблюдается в образцах, изготовленных из материалов с близкими водоцементными отношениями. В случаях значительного различия В/Ц между основанием и вставкой фиксировалось увеличение разности деформаций по обе стороны контактной зоны, что свидетельствует о возникновении внутренних напряжений.

Особенно заметное влияние оказывала разница в модуле упругости материалов. Более жесткое основание ограничивало деформации ремонтного состава, что приводило к концентрации напряжений в зоне контакта. Аналогичная ситуация наблюдалась при различии усадочных характеристик материалов. В процессе твердения материалы деформировались неравномерно, вследствие чего в контактной зоне возникали растягивающие напряжения, способствующие образованию микротрещин.

Полученные результаты показывают, что высокая прочность сцепления не всегда обеспечивает долговечность ремонта. Даже при достаточной адгезии разрушение может происходить вследствие несовместимости деформационных свойств материалов.

Использование составных образцов с двумя датчиками линейных перемещений позволило получить более полное представление о совместной работе материалов по сравнению с традиционными методами испытаний на отрыв и сдвиг. Предложенная методика дает возможность оценивать не только прочность сцепления, но и характер распределения деформаций в системе.

Наиболее устойчивое поведение показали образцы, в которых различие водоцементных отношений между основанием и вставкой было минимальным. При увеличении различий характеристик материалов наблюдалось повышение вероятности разрушения контактной зоны.

Результаты исследования подтверждают необходимость комплексной оценки механической совместимости ремонтных составов с основанием с учетом модуля упругости, усадки, деформационных характеристик и прочности сцепления.

Заключение

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Основной причиной разрушения системы «основание — ремонтный состав» является не только недостаточная адгезия, но и различие деформационно-прочностных характеристик материалов.
2. Существенное влияние на долговечность контактной зоны оказывают различия в модуле упругости, усадочных деформациях и коэффициентах температурного расширения.
3. Предложенная методика испытаний составных образцов позволяет комплексно оценивать механическую совместимость материалов и анализировать их совместную работу в процессе нагружения.
4. Наиболее благоприятные условия совместной работы достигаются при минимальном различии физико-механических характеристик основания и ремонтного состава.
5. Разработанный подход может использоваться при подборе ремонтных смесей и совершенствовании нормативных требований к материалам для ремонта бетонных и железобетонных конструкций.

Литература:

1. ГОСТ Р 56378–2015. Материалы и системы для защиты и ремонта бетонных конструкций.
2. ГОСТ 32016–2012. Материалы и системы для защиты и ремонта бетонных конструкций. Общие требования.
3. Щетников, И. В. Проблемы выбора ремонтной смеси для ремонта бетонных и железобетонных конструкций / И. В. Щетников. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2024. — № 21 (520). — С. 152–154. — URL: https://moluch.ru/archive/520/114509/
4. СП 349.1325800.2017. Конструкции бетонные и железобетонные. Правила ремонта и усиления. — М.: Минстрой России, 2017. — URL: https://docs.cntd.ru/document/550507449
5. ГОСТ 31108–2020. Цементы общестроительные. Технические условия.