Прочность сжатых бетонных элементов с углефибровым, углекомпозитным стержневым и внешним армированием при статическом и кратковременном динамическом нагружениях

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Томский государственный архитектурно-строительный университет»

В.С. Плевков, И.В. Балдин, А.В. Невский

ПРОЧНОСТЬ СЖАТЫХ БЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 

С УГЛЕФИБРОВЫМ, УГЛЕКОМПОЗИТНЫМ 

СТЕРЖНЕВЫМ И ВНЕШНИМ АРМИРОВАНИЕМ 

ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И КРАТКОВРЕМЕННОМ 

ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИЯХ

Томск

Издательство ТГАСУ

2022

УДК 624.012.45(075.2)
ББК 38.53я7

Плевков, В.С.

Прочность сжатых бетонных элементов с углефибровым, угле
композитным стержневым и внешним армированием при статическом 
и кратковременном динамическом нагружениях
: монография / 

В.С. Плевков, И.В. Балдин, А.В. Невский. – Томск : Изд-во Том. гос. 
архит.-строит. ун-та, 2022. – 176 c. – Текст : непосредственный.

ISBN 978-5-6048004-3-0

Монография посвящена теоретическим и экспериментальным исследо
ваниям сжатых бетонных конструкций с углекомпозитным стержневым армированием при статическом и кратковременном динамическом нагружениях.
Приведены результаты испытаний и диаграмма состояния углекомпозитной 
арматуры при растяжении и сжатии. Рассмотрены наиболее рациональные 
способы реализации ее высокого прочностного потенциала в статически и динамически нагруженных сжатых бетонных элементах при помощи углеродного фибрового и углекомпозитного внешнего армирования бетона. На основе
опытных данных и результатов теоретических исследований сформулирован 
инженерный метод расчета прочности сжатых бетонных элементов с углеродным фибровым, углекомпозитным стержневым и внешним армированием. 
Приведены результаты численных и экспериментальных исследований сжатых 
бетонных элементов с различными параметрами углефибрового, стержневого 
и внешнего углекомпозитного армирования при статическом и кратковременном динамическом нагружениях.

Монография предназначена для научных и инженерно-технических ра
ботников научно-исследовательских и проектных организаций.

УДК 624.012.45(075.2)

ББК 38.53я7

Рецензенты:
О.Г. Кумпяк, докт. техн. наук, профессор, кафедра «Железобетонные 
и каменные конструкции» ФГБОУ ВО ТГАСУ;
Н.Н. Трекин, докт. техн. наук, профессор, нач. отдела конструктивных систем АО «ЦНИИПромзданий».

ISBN 978-5-6048004-3-0
 Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2022

 Плевков В.С., Балдин И.В.,

Невский А.В., 2022

П38

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ..................................................................................................... 5
Глава 1. Современное состояние вопроса по исследованию 
прочности сжатых бетонных элементов с углефибровым, 
углекомпозитным стержневым и внешним армированием............. 7

1.1. Арматура композитная полимерная для стержневого 
армирования бетонных элементов........................................................ 7

1.1.1. Классификация и физико-механические свойства
арматуры композитной полимерной................................................. 7
1.1.2. Особенности расчета сжатых бетонных конструкций 
со стержневым углекомпозитным армированием ......................... 15

1.2. Методы повышения эффективности использования 
стержневой углекомпозитной арматуры в сжатых бетонных 
элементах............................................................................................... 16

1.2.1. Фибровое армирование бетона углеродными волокнами... 17
1.2.2. Система внешнего углекомпозитного армирования 
бетона................................................................................................. 20

1.3. Обзор теоретических и экспериментальных исследований 
сжатых бетонных элементов с композитным стержневым 
армированием........................................................................................ 25

Глава 2. Предпосылки расчета прочности сжатых бетонных 
элементов с углефибровым, углекомпозитным стержневым 
и внешним армированием при статическом и кратковременном 
динамическом нагружениях................................................................. 31

2.1. Нормирование предельных состояний сжатых бетонных 
элементов с углефибровым, углекомпозитным стержневым 
и внешним армированием.................................................................... 31
2.2. Прочностные и деформационные свойства углекомпозитной 
арматуры................................................................................................ 38
2.3. Прочностные и деформационные свойства бетона 
с углефибровым армированием........................................................... 46
2.4. Прочностные и деформационные свойства бетона с внешним 
углекомпозитным армированием........................................................ 67

Глава 3. Метод расчета прочности нормальных сечений сжатых 
бетонных элементов  с углефибровым, углекомпозитным 
стержневым и внешним армированием при статическом 
и кратковременном динамическом нагружениях............................ 75

3.1. Теоретические основы определения расчетных напряжений 
в углекомпозитной арматуре нормальных сечений сжатых 
бетонных элементов с углефибровым и внешним 
углекомпозитным армированием........................................................ 75
3.2. Метод расчета прочности нормальных сечений сжатых 
бетонных элементов с углефибровым, углекомпозитным 
стержневым и внешним армированием.............................................. 88
3.3. Результаты расчетов прочности нормальных сечений 
сжатых бетонных элементов с различными параметрами 
углефибрового, углекомпозитного стержневого и внешнего 
армирования........................................................................................ 105

Глава 4. Экспериментальные исследования прочности колонн 
с углефибровым, углекомпозитным стержневым и внешним 
армированием при статическом и кратковременном 
динамическом нагружениях............................................................... 111

4.1. Программа экспериментальных исследований ........................ 112
4.2. Экспериментальные исследования фрагментов натурных 
бетонных колонн со стальным и углекомпозитным стержневым 
армированием при статическом нагружении................................... 115

4.2.1. Конструкция фрагментов натурных колонн....................... 115
4.2.2. Методика проведения испытаний фрагментов 
натурных колонн............................................................................. 117
4.2.3. Результаты испытаний фрагментов натурных колонн...... 118

4.3. Экспериментальные исследования прочности бетонных 
колонн с углефибровым, углекомпозитным стержневым 
и внешним армированием при статическом и кратковременном 
динамическом нагружениях .............................................................. 121

4.3.1. Конструкция колонн............................................................. 121
4.3.2. Методика проведения испытаний колонн .......................... 123
4.3.3. Результаты испытаний колонн............................................. 130
4.3.4. Сопоставление опытных данных с результатами 
расчетов по предложенному методу............................................. 145

Библиографический список ............................................................... 148

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современных технологий создания новых ресурсоэф
фективных и долговечных композитных материалов требует поиска 
и совершенствования форм их эффективного применения в строительстве. Среди композитных материалов конструкционного назначения 
наибольшее распространение приобрела арматура композитная полимерная, используемая для стержневого армирования бетонных конструкций. Особого внимания заслуживает ее разновидность с армирующим наполнителем из углеродных волокон, благодаря которым 
углекомпозитные арматурные стержни обладают высокими прочностными показателями и уникальными эксплуатационными свойствами. 
Возможность применения углекомпозитной арматуры в строительстве 
взамен традиционной стальной стержневой арматуры вызывает большой научный и практический интерес, который широко проявляется 
во всем мире. Этот интерес обоснован актуальностью вопросов создания новых видов армированных бетонных конструкций с уникальными свойствами для зданий и сооружений гражданского строительства
или специального защитного назначения. Последние из них в процессе эксплуатации могут быть подвержены динамическим воздействиям 
взрывного характера, которые связаны с диверсиями и террористическими актами или вызваны аварийными ситуациями, возникшими на 
производстве. Задачей проектирования подверженных таким воздействиям конструкций является недопущение возникновения в них предельных состояний (значительно отличающихся от статически нагруженных конструкций), при достижении которых возникает угроза человеческой жизни и опасность повреждения или уничтожения материальных ценностей.

Среди известных результатов теоретических и эксперименталь
ных исследований армированных углекомпозитной арматурой бетонных конструкций одним из наименее изученных является вопрос их 
прочности при статическом и кратковременном динамическом сжатии. Ввиду высоких прочностных свойств и значительной деформативности углекомпозитных стержней реализация их прочностного потенциала в сжатых бетонных конструкциях тем больше, чем выше 
предельные сжимающие деформации бетона. Для повышения деформативности бетона могут использоваться различные способы его мо

Прочность сжатых бетонных элементов с углеродным армированием

6

дифицирования, наиболее перспективным из которых (в сочетании 
с углекомпозитным стержневым армированием) является применение 
углеродного фибрового и внешнего углекомпозитного армирования.

В трудах отечественных и зарубежных авторов (М.К. Бейсемба
ев, 
С.А. Бокарев, 
С.В. Бондаренко, 
Д.С. Ванус, 
А.П. Васильев, 

С.В. Георгиев, Т.С. Евдокимова, С.Т. Захаров, Ю.Н. Карнет, С.В. Клюев, В.Н. Кондель, А.Н. Костенко, А.Л. Кришан, Д.В. Кузеванов, 
А.Е. Лапшинов, У.Х. Магдеев, С.А. Мадатян, Д.Р. Маилян, С.И. Меркулов, В.И. Морозов, Т.А. Мухамедиев, П.П. Польской, Ю.В. Пухаренко, Е.А. Рабинович, Б.Л. Рискинд, Д.Н. Смердов, К.В. Талантова, 
В.В. Теряник, А.М. Уманский, Р.Ф. Фардиев, А.О. Хегай, Е.А. Чистяков, А.А. Шилин, M.Z. Afifi, S.H. Alsayed, A. Amer, L. Bisby, 
J. Brown, A. De Luca, M.L. Ehab, V. Egidijus, A. El-Kurdi, B. Fillmore, 
A. Hadhood, S. Jiang, N. Kawaguchi, E.M. Lotfy, A. Mirmiran, N.S. Paramanantham, H. Tobby и др.) приведены результаты исследований сжатых бетонных конструкций при различных параметрах стержневого 
(углекомпозитного или высокопрочного стального), фибрового (неметаллического или стального) и внешнего (углекомпозитного или 
стального) армирования при статическом нагружении. Данных о результатах исследований сжатых бетонных элементов с комбинированием углефибрового, стержневого и внешнего углекомпозитного армирования в литературе недостаточно. Научным трудом, лежащим 
в основе настоящей книги, авторы постарались восполнить это упущение новыми экспериментальными и теоретическими данными.

Авторы выражают благодарность коллективам кафедр Томского 

государственного архитектурно-строительного университета (ТГАСУ):
«Железобетонные и каменные конструкции», «Строительные материалы и технологии», «Металлические и деревянные конструкции» за 
помощь в проведении экспериментальных исследований, а также сотрудникам Научно-исследовательского, проектно-конструкторского
и технологического
института
бетона и железобетона (НИИЖБ) 

им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ „Строительство“» за поддержку в проведении теоретических исследований.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЧНОСТИ СЖАТЫХ БЕТОННЫХ 
ЭЛЕМЕНТОВ С УГЛЕФИБРОВЫМ, УГЛЕКОМПОЗИТНЫМ 

СТЕРЖНЕВЫМ И ВНЕШНИМ АРМИРОВАНИЕМ

В настоящей главе приведено обоснование актуальности приме
нения углекомпозитных стержней в качестве рабочей арматуры сжатых бетонных элементов. Рассмотрены методы повышения эффективности использования углекомпозитной арматуры в сжатых элементах
путем применения фибрового и внешнего армирования бетона. Приводятся результаты обзора современного состояния вопроса по исследованию прочности сжатых бетонных элементов с углеродным фибровым, стержневым и внешним углекомпозитным армированием при 
статическом и кратковременном динамическом нагружениях.

1.1. Арматура композитная полимерная 

для стержневого армирования бетонных элементов

Наибольшее распространение среди современных строительных

полимерных композитных материалов конструкционного назначения 
получила арматура композитная полимерная (АКП) для стержневого 
армирования бетонных конструкций. Благодаря высокой прочности и 
уникальным физико-химическим свойствам АКП, ее применение в 
строительстве в качестве стержневой арматуры позволяет придать 
конструкциям особенные эксплуатационные качества и повысить их 
долговечность. Наибольшая эффективность АКП достигается при ее
использовании в бетонных конструкциях, эксплуатируемых в условиях их взаимодействия с влагой, агрессивной химической и электрохимической внешней средой и подверженных силовым воздействиям
динамического характера [43, 80, 149, 169, 219].

1.1.1. Классификация и физико-механические свойства

арматуры композитной полимерной

АКП, или Fiber Reinforced Polymer (FRP), представляет собой

выполненный в форме стержня гетерогенный анизотропный материал, 
состоящий из ориентированных высокопрочных неметаллических волокон и полимерного связующего.

Прочность сжатых бетонных элементов с углеродным армированием

8

История появления АКП имеет свое начало в шестидесятых го
дах прошлого столетия. Хронология появления, развития и совершенствования технологий производства и свойств АКП подробно рассмотрена в работах [169, 180, 223]. К настоящему времени большинство проблем, связанных в основном с вопросами уменьшения стоимости и повышения технологичности производства АКП, решены, а ее
широкомасштабное индустриальное производство налажено во многих странах мира.

Волокна в АКП являются основным несущим элементом, вос
принимающим нагрузку, а полимерная матрица служит средой, защищающей их от внешних механических и химических воздействий, 
а также выполняет функцию распределения усилий между волокнами
при сопротивлении силовым воздействиям.

Физико-механические свойства АКП в основном определяются 

типом и количеством армирующего наполнителя из непрерывного волокна, составляющего 80–85 % ее состава по массе [169]. Эффективность применения того или иного вида АКП зависит от правильности
выбора вида армирующего наполнителя, что определяется требованиями к его прочности, жесткости и долговечности [80, 218]. На сегодняшний день армирующий наполнитель АКП изготавливается из 
стеклянных, базальтовых, арамидных и углеродных неметаллических
волокон диаметром 8–20 мкм. В зависимости от вида волокон армирующего наполнителя различают стеклокомпозитную (АСК), базальтокомпозитную (АБК), арамидокомпозитную (ААК), углекомпозитную (АУК), а также комбинированную композитную (АКК) арматуру
[48]. В табл. 1.1 представлены основные механические характеристики неметаллических волокон, используемых при изготовлении полимерных композитов согласно литературным данным [51, 80, 94, 120, 
169, 187 и др.]. Все приведенные в таблице типы волокон имеют линейную диаграмму деформирования при растяжении
вплоть до 

наступления разрушения (рис. 1.1). В табл. 1.1 и на рис. 1.1 приняты 
следующие обозначения типов волокна: УМ – углеродное высокомодульное; УП – углеродное высокопрочное; АМ – арамидное высокомодульное; АП – арамидное высокопрочное; Б – базальтовое; СЩ –
стеклянное щелочестойкое; СУ – стеклянное универсальное; СП –
стеклянное высокопрочное.

Глава 1. Современное состояние вопроса

9

Таблица 1.1

Механические свойства неметаллических волокон, 

используемых для изготовления полимерных композитов

Тип 

волокна

Плотность, 

кг/м3

Модуль 

упругости 
при растяжении, ГПа

Прочность 
при растяжении, МПа

Предельная 

относительная 
деформация, %

Коэффициент 

Пуассона

УМ
1950
300–700
2900–4000
0,45–1,2
0,2

УП
1750
200–250
3400–3900
1,5–2,5
0,2

АМ
1440
110–175
2900–3450
2,0–2,4
0,35

АП
1440
75–124
3500–3620
2,9–4,6
0,35

Б
2800
79–110
3000–4840
3,1–6,0
–

СЩ
2700
70–76
3000–3500
2,5–4,3
–

СУ
2600
72–77
3400–3700
4,5–4,8
0,22

СП
2500
74–88
4020–4650
4,2–5,4
0,22

Рис. 1.1. Диаграмма деформирования неметаллических волокон при 

растяжении

Как видно из представленных данных, наибольшей прочностью 

при растяжении обладают базальтовые, высокопрочные стеклянные 
и углеродные волокна. Наименьший модуль упругости наблюдается 
у стеклянных волокон, а наибольший – у углеродных.

Неметаллические волокна обладают разнообразным комплексом 

физико-химических и технологических свойств, значительно отлича

Прочность сжатых бетонных элементов с углеродным армированием

10

ющихся друг от друга. Стеклянным волокнам свойственна низкая теплопроводность, хорошая теплостойкость, электроизоляционные свойства и устойчивость к химическим воздействиям. Самым большим 
преимуществом стекловолокон, обусловившим их широкую популярность, является низкая стоимость [28].

Базальтовые волокна являются близким по объемам производства 

к стекловолокну материалом. Благодаря широкому распространению 
минерального сырья, стоимость этих волокон невысока. Среди достоинств также следует отметить высокую щелочестойкость, огнестойкость, диэлектрические свойства и экологичность материала [94, 169].

Арамидные волокна обладают большей щелочестойкостью, чем 

базальтовые и стеклянные волокна. Им также свойственны низкая
электро- и теплопроводность, высокая термостойкость. К недостаткам
можно отнести их высокую стоимость, низкую водостойкость и долговечность, обусловленную процессами старения материала во времени [156].

Углеродные волокна превосходят все перечисленные выше не
металлические волокна по многим показателям. Эти волокна обладают высокой химической стойкостью к длительным контактным воздействиям на них широко спектра агрессивных реагентов (минеральных кислот, щелочей и органических растворителей) любой концентрации. Устойчивость к такого рода воздействиям несколько падает
лишь при высокотемпературных взаимодействиях с окислителями, 
вызывающими в результате реакции разрушение аморфного углерода
[169]. Углеродные волокна имеют хорошую термо- и атмосферостойкость, устойчивость к воздействию ультрафиолета и проникающей 
радиации [62, 80]. Хорошую электропроводимость углеволокна с учетом его высокой электрокоррозионной стойкости в зависимости от 
сферы применения можно отнести как к недостаткам, так и к преимуществам [75, 186]. Единственным значительным недостатком углеродных волокон на сегодняшний день выступает высокая стоимость, 
обусловленная дороговизной сырья и сложностью технологии производства. Однако, несмотря на это, углеродные волокна являются самым перспективным видом волокон, применяемым в качестве армирующего наполнителя АКП для строительных бетонных конструкций 
ответственных зданий и сооружений, испытывающих интенсивные 
силовые воздействия в условиях активного взаимодействия с агрессивной внешней средой.

Глава 1. Современное состояние вопроса

11

Наряду с важнейшим значением функциональности армирую
щего наполнителя в формировании комплекса полезных свойств АКП, 
немаловажную роль играет также тип ее полимерного связующего
(матрицы). В качестве матрицы для армирующего наполнителя АКП
в настоящее время широко применяются связующие на эпоксидных 
и полиэфирных термореактивных смолах. Отличительными чертами 
таких связующих являются высокие прочностные характеристики, 
технологичность, термостойкость, а также низкая доля пластических 
деформаций. Свойства основных видов связующих, используемых для 
производства АКП, приведены в работе [80]. От вида и свойств полимерной матрицы зависят тепло-, огне- и влагостойкость, устойчивость
к различным видам коррозии и многие другие свойства АКП, поэтому 
выбор полимерного связующего осуществляется в основном из условий эксплуатации армируемой АКП конструкции.

Совместность деформаций композитных арматурных стержней

с конструкционным бетоном достигается обеспечением необходимой
прочности ее сцепления с бетоном, которая зависит от вида анкеровочного слоя арматуры и условий механического и химического взаимодействия материалов на границе разделов [18, 20]. Анкеровочный слой 
может быть образован рядами поперечных ребер, сформированных 
намоткой на силовой стержень непрерывного волокна, или песчаным 
(песчано-эпоксидным) покрытием. Величина прочности анкеровки 
АКП в бетоне определяется испытаниями по ГОСТ 32492–2015 [50]
и должна быть не менее нормируемого им значения. Исследования [184, 205], направленные на определение предела прочности сцепления с бетоном АКП с различными видами анкеровочного слоя показали, что ее анкеровка в большей степени обеспечивается вследствие 
адгезии цементного камня к полимерному покрытию, чем механическим зацеплением за цементный камень образованных навивкой поперечных выступов. При этом для АУК с песчано-эпоксидным анкеровочным слоем отмечены наибольшие значения предела прочности анкеровки.

Прочностные 
свойства 
АКП 
определяются 
физико
механическими свойствами армирующего наполнителя и его полимерной матрицы, а также количественным соотношением этих компонентов. Многими исследователями [7, 20, 42, 43, 148] отмечено, что 
в связи с неравномерностью распределения между волокнами внут

Прочность сжатых бетонных элементов с углеродным армированием

12

ренних усилий величина прочности и модуля упругости при растяжении АКП является чувствительной к ее диаметру: с увеличением диаметра арматуры данные параметры принимают меньшие значения.
В отдельных случаях прочность при растяжении композитных стержней с увеличением их диаметра может снижаться на величину до 35 % 
[148]. Прочность же и модуль упругости при сжатии АКП при различных ее диаметрах изменяются незначительно: для композитных 
стержней с анкеровочным слоем, образованным спиральной навивкой
из непрерывного волокна, с увеличением их диаметра прочностные 
характеристики при сжатии несколько увеличиваются, а для композитных стержней с песчаным анкеровочным слоем эти характеристики
практически не изменяются [103, 155]. Вне зависимости от диаметра 
и вида анкеровочного слоя, в соответствии с СП 295.1325800.2017 
[163], значения нормативных характеристик АКП при растяжении 
должны быть не ниже указанных в табл. 1.2 величин.

Таблица 1.2

Минимальные нормативные значения прочностных 

и деформационных характеристик АКП при растяжении

Наименование показателя

Значение показателя АКП 
в зависимости от ее вида

АСК
АБК
АУК
ААК
АКК

Предел прочности 
при растяжении Rf,n, МПа
800
800
1400
1400
1000

Модуль упругости 
при растяжении Ef,n, ГПа
50
50
130
70
100

Помимо прочностных характеристик АКП существует ряд дру
гих
немаловажных 
показателей, 
накладывающих 
ограничения 

на условия эксплуатации армированных ею бетонных конструкций. 
К одному из таких показателей относится стойкость арматуры к щелочам. Данная характеристика значительно влияет на срок службы 
армированных бетонных и железобетонных конструкций. Так, в работе [180] приводятся данные о сокращении сроков эксплуатации железобетонных конструкций до 4–7 лет при воздействии на них вредных 
солей и кислот. Щелочестойкость является основным характерным