Применение углепластиков для усиления строительных конструкций

 

Проблемы ремонта строитель­ных конструкций, связанные с их деструкцией в результате многолет­него воздействия природных факто­ров и агрессивных сред, становят­ся для развитых стран все более значимыми и требуют возрастаю­щих затрат. Нередко восстановле­ние строительных конструкций при­ходится решать одновременно с их усилением для восприятия повы­шенных технологических нагрузок.

Для России эти проблемы осо­бенно остры из-за практического отсутствия в последние 15-20 лет финансирования на восстановление основных фондов промышленных, транспортных и сельскохозяйствен­ных предприятий, что обусловлено радикальными кризисными измене­ниями в экономике страны. Так, в настоящее время количество нуж­дающихся в ремонте и усилении автомобильных мостов превышает 40 тысяч, а число требующих вос­становления строительных конструк­ций промышленных зданий и соору­жений исчисляется миллионами.

Применительно к наиболее рас­пространенным в строительстве кон­струкциям из железобетона их ка­питальный ремонт обычно связан с деградацией собственно бетона и коррозией стальной арматуры. При ремонте и усилении таких конструкций, как правило, предусматривают - удаление дефектного бетона, установку дополнительной арматуры и ее обетонирование. Нередко это приводит к необходимости развития сечения конструкций и, следовательно, их массы, что вызывает дополнительные трудности.

С середины 50-х годов прошлого века получил развитие способ внешнего армирования железобетонных конструкций, предусматривавший установку дополнительной с арматуры вне их сечения. В качестве армирующих элементов использовали стальные стержни или листы (пластины), а также преднапряженные канаты. Способ внешнего армирования стал успешно применяться при восстановлении и усилении железобетонных конструкций, в особенности после освоения технологии приклеивания стальных пластин к поверхности железобетонных элементов эффективными эпоксидными адгезивами. Присоединенные стальные пластины дополняли существующую внутреннюю арматуру и обеспечивали снижение в последней напряжений до приемлемого уровня. Одновременно повышалась жесткость конструкций и их трещиностойкость.

Внешнее армирование при ремонте и усилении имеет необходимую расчетно-нормативную базу, является признанным и достаточно широко распространенным в строительной практике. Этот способ обладает рядом технологических преимуществ по сравнению с традиционно применяемыми технологиями ремонта и усиления. В отдельных случаях он позволяет вести работы без вывода сооружения (или его элементов) из эксплуатации.

В последние годы способ внешнего армирования получил мощный импульс для дальнейшего развития. Это связано с началом применения в качестве армирующих элементов новых высокоэффективных композиционных материалов на основе специальных стекло-, арамидных, и, в особенности, углеродных волокон.

Углеродные волокна обладают исключительными физико-механическими характеристиками (высокой прочностью на растяжение и сжатие и модулем упругости, близким к стали), а также стойкостью в различных агрессивных средах. Арамидные волокна имеют недостаточную прочность на сжатие, а стеклянные волокна относительно низкие мо­дуль упругости. Недостаточная прочность на сжатие арамидных волокон ограничивает их примене­ние только растянутой зоной конст­рукций, а их использование для уси­ления сжатой зоны и наклонных се­чений становится проблематичным.

Важное значение при усилении конструкций имеет модуль упруго­сти волокон, особенно при приме­нении композиционных усиливаю­щих элементов без предваритель­ного напряжения. Только жесткие элементы внешнего армирования могут уменьшить напряжения в су­ществующей арматуре. Элементы внешнего усиления из стеклянных или арамидных волокон должны быть в несколько раз толще, чем из углеродных из-за относительно низ­кого их модуля упругости. Однако при применении толстых пластин внешнего армирования возникает проблема обеспечения совместной работы усиливающих композитных накладок с бетоном конструкции из- за возникновения больших каса­тельных напряжений на границе бе­тон- композит и опасности хрупкого разрушения от сдвига. Исследова­ния [1] показали, что толстые эле­менты усиления из стеклопластика не достигают расчетной прочности; толщина элемента усиления (t) ог­раничивается условием b\t >50, где b ширина сечения.

На базе углеродных волокон были созданы фиброаромированные пластики, обладающие чрезвы­чайно высокими удельными (по от­ношению к объемной массе) проч­ностными показателями. Это пре­допределило энергичное внедрение углепластиков в авиационной и аэрокосмической отраслях про­мышленности начиная с 60-х годов прошлого столетия (так же, как в свое время бурное внедрение титановых сплавов).

Развитие промышленного произ­водства углеродных волокон приве­ло к применению углепластиков в других отраслях техники, в том чис­ле - для усиления строительных кон­струкций. Начало применения угле­пластиков в строительстве относит­ся к первой половине 80-х годов прошлого века.

С 1994 года количество реали­зованных проектов по ремонту и усилению железобетонных конструк­ций с использованием угле­пластиков растет в геометрической прогрессии. Новая технология при­менялась для пролетных строений и опор мостов, для резервуаров и дымовых труб, для причальных со­оружений, для балок, колонн и пе­рекрытий зданий разного назначе­ния. В последние годы они исполь­зуются для восстановления несу­щей способности кирпичной и ка­менной кладки, а также деревянных конструкций.

Используемые для ремонта и усиления конструкций композитные материалы на базе углеродных во­локон можно подразделить на две группы:

• формируемые непосредствен­но при производстве работ на стро­ительном объекте,
• заводского изготовления.

Первая группа основывается на использовании углеродной ткани с расположением волокон в одном (однонаправленные) или в двух (двунаправленные) направлениях. Эти ткани поставляются в рулонах и применяются при т.н. «мокром» способе. Они наклеиваются на по­верхность восстанавливаемой или усиливаемой конструкции послойно с помощью специальных эпоксид­ных смол с пропиткой смолами каж­дого слоя. Композит формируется при отверждении смолы в естествен­ных условиях.

Композиты второй группы - же­сткие (как правило, «однонаправлен­ные»). Они производятся в заводс­ких условиях путем пропитки угле­родной ткани в ванне с эпоксидным составом, формирования пакета из необходимого количества слоев пропитанной ткани и последующей его термообработки до полного от­верждения смолы. Полученные же­сткие композиционные ленты назы­вают «ламинатами». Ламинаты на­клеивают на усиливаемую конструк­цию, как правило, одним слоем.

Ламинаты изготовляют длиной до 250 м, шириной 5 - 15 см при толщине 1,2 -1,5 мм. Их доставля­ют на объект свернутыми в рулон и разрезают на гильотинных ножницах или обрезной машиной на отрезки необходимой длины. Стоимость ла­минатов значительно выше стоимо­сти тканей, однако трудоемкость работ при их использовании может быть ниже, чем при “мокром” (по­слойном) способе усиления. В то же время требуются большие дополни­тельные трудовые и материальные затраты на подготовку поверхности конструкции (выравнивание) перед наклейкой. Возможности примене­ния “мокрого" способа формирова­ния композита шире, чем при ис­пользовании ламинатов, т.к. с помо­щью мягкой ткани можно легко вы­полнять даже сложные простран­ственные формы с объемным пере­распределением усилий в восста­навливаемых элементах конструк­ций.

Физико-механические характе­ристики некоторых представленных на рынке ламинатов и композитов, получаемых “мокрым" способом на основе углеродных волокон пред­ставлены в таблице.

Несмотря на высокие стоимос­ти композитов, усиление строитель­ных конструкций с их помощью во многих случаях оказывается эконо­мически целесообразным, так как реконструкцию можно выполнять без вывода сооружения из эксплу­атации, при этом значительно со­кращается трудоемкость выполне­ния работ. В ряде случаев усиле­ние строительных конструкций ком­позитными материалами по совокуп­ности затрат оказывается более эф­фективным, чем традиционными методами, например, металлически­ми пластинами, приклеиваемыми в растянутой зоне [2].

Сравнение композитных матери­алов различных фирм показывает, что для каждой системы эквивален­тные уровни напряжения могут быть обеспечены путем изменения шири­ны или (для мокрого способа) коли­чества уложенных слоев. Преиму­щество полос большей ширины при фиксированном усилении заключается в увеличении площади сцеп­ления и, соответственно, снижении контактных напряжений.

Ламинаты и ткани на основе уг­леродных волокон рекомендуется использовать для усиления изгиба­емых (балочных и плитных), внецентренно сжатых (колонны) железобе­тонных и стальных конструкций, а материалы на основе стекловолокон - для усиления центрально сжатых железобетонных конструкций (ко­лонн, свай), кирпичной кладки (уси­ление стен, простенков) и деревян­ных конструкций.

Успех применения композитных материалов для усиления строи­тельных конструкций зависит не только от выбора эффективных ком­позитов, но, в значительной мере, от качества подготовки основания под наклейку. Это связано с выбо­ром материалов и технологий для ремонта деструктивной поверхности железобетона, обеспечивающих их высокую адгезию к “подложке”.

Ремонтный слой, в свою очередь, должен сам явиться надежным основанием для приклейки усиливаю­щих композитных материалов и работать с ними совместно. Подготовка железобетонной конструкции к ремонту и последующему усилению должна включать мероприятия по блокированию процессов корро­зии арматуры, которые, как правило, развиваются при первых признаках деструкции. Без надлежащей подготовки образующиеся продукты коррозии будут отрывать защитный слой из ремонтных материалов, что сведет на нет работы по наклей­ке композитов.

Подготовка бетонной подложки предусматривает удаление бетона в деструктивных зонах, очистку по­верхности бетона и арматуры, обработку их специальными ингибитора­ми коррозии. Каверны и раковины заделываются высокопрочными быстротвердеющими ремонтными растворами. Прочность бетонной подложки (на отрыв) должна составлять не менее 1,5 МПа. Трещины с раскрытием более 0,2 мм должны быть заинъектированы эпоксидной смолой. Неплоскостность поверхности при наклейке ламинатов не дол­жна превышать 2 мм на базе 2 м, при использовании тканей требования по неровности поверхности менее жесткие.

При выполнении работ по уси­лению железобетонных конструкций угле- и стеклопластиками использу­ются три вида эпоксидных матери­алов:

• грунтовки, наносимые на под­ложку с помощью кисти или вали­ка; они пропитывают поверхностный слой, укрепляя его;
• шпатлевки для заделки мел­ких неровностей подложки перед наклейкой элементов усиления;
• непосредственно адгезивные составы для наклейки полос лами­ната или тканей.

Адгезивные составы наносятся на основание тонким (не более 1мм) слоем с помощью шпателя. В слу­чае использования ламинатов, ад­гезив наносится и на ленту, наклеи­ваемая поверхность которой долж­на быть перед этим тщательно очи­щена чистой мягкой тканью, смо­ченной ацетоном. После этого лен­ту укладывают на основание (клей к клею) и прикатывают резиновым валиком. Избытки клея, выдавлива­емые по краям ленты, тщательно удаляют. Приклеенный ламинат не следует тревожить, по крайней мере, в течение суток.

При использовании тканей адгезив наносят только на подложку. После этого ткань накладывается на бетонную поверхность и аккуратно вдавливается в клей с помощью шпателя или валика. Предпочти­тельно использование рифленых валиков, что способствует лучшему пропитыванию тканей при разделе­нии волокон и выходу вовлеченно­го в адгезив воздуха. После прикатки осуществляется выдержка в те­чение 30 мин. для лучшей пропитки ткани, после чего укладывается вто­рой слой адгезива и ткани. При на­клейке ткани на потолочную повер­хность иногда приходится дожидать­ся полимеризации предыдущего слоя до наклейки следующего. По завершении наклейки всех слоев на верхний наносится защитное по­крытие.

Важнейшей проблемой внешне­го армирования с приклейкой арми­рующих элементов на поверхность строительных конструкций является обеспечение их совместной работы. Необходимо предотвратить отрыв и проскальзывание армирующих эле­ментов вдоль поверхности растяну­той зоны и их отрыв по концевым участкам. Кроме того, опасно отде­ление армирующих элементов от поверхности конструкций в зонах критического трещинообразования. Эти проблемы особенно существен­ны для пластинчатых армирующих элементов, как стальных, так и ком­позитных. Прочность их сцепления с поверхностью растянутой зоны иногда оказывается недостаточной. В этих случаях необходимо устрой­ство специальной анкеровки, в т.ч. стальных анкеров. “Мокрый способ" с использованием углеродных тка­ней имеет в этом отношении суще­ственные преимущества. Площадь сцепления такого композита с повер­хностью конструкции может быть значительно развита. Так, для изги­баемых конструкций углеродные ткани, в отличие от ламинатов, мо­гут быть приклеены не только по работающей на растяжение плоско­сти конструкции, но и выходить на вертикальные стороны балок, риге­лей и т.п., обеспечивая достаточное сцепление без устройства каких- либо анкеров. Совместность рабо­ты элементов усиления из тканей с конструкцией может быть улучше­на, также, посредством тканевых бандажей и хомутов.

ТАБЛИЦА 1

* Двунаправленная ткань

Эффективность усиления компо­зитными полосами во многом зави­сит от прочности адгезива, его сцеп­ления с бетоном. Отслаивание уг­лепластиковых полос от бетона из-за недостаточной прочности адгези­ва или слабого сцепления с бето­ном, а также разрушение от сдвига по непрочному поверхностному слою бетона могут снизить эффек­тивность усиления. Вопросу изуче­ния сцепления элементов усиления с бетоном, определения необходи­мой длины анкеровки, влиянию на сцепление величины прочности бе­тона и адгезива, качества подготов­ки поверхности посвящено много исследований. Их результаты пока­зали, что качество бетонной повер­хности оказывает сильное влияние на сцепление с композитом. Проч­ность бетона на сжатие должна быть не менее 25 МПа, в противном слу­чае не реализуется в полной мере расчетная величина усиления. По­верхность не должна иметь трещин с раскрытием более 0.2 мм , а так­же легко отделяющихся частиц це­ментного камня и заполнителя. При соблюдении этих условий предель­ная расчетная величина сцепления пропорциональна величине.

Для обеспечения хорошего сцепления весьма эффективна очи­стка поверхности струей воды под давлением 15-20 МПа.

Для углепластиковой накладки толщиной до 2 мм эффективная дли­на анкеровки составляет примерно 100 мм.

Комитет №440 Американского института бетона обращает внима­ние на то, что при проектировании усиления нельзя принимать в рас­чет величину максимальной прочно­сти углепластика. За расчетное пре­дельное состояние принято условие достижения предельной расчетной величины сцепления адгезива с бе­тоном [3]. В связи с этим вводится ограничение на величину предель­ной допускаемой продольной де­формации:

Так как углепластик является линейно упругим материалом, вве­дение такого ограничения приводит к снижению его расчетной прочно­сти.

На основании эксперименталь­ных исследований [3] предлагается величину “к” определять из выраже­ния:

 

При этом максимальные каса­тельные напряжения на границе уг­лепластик-бетон (гц) определяют­ся выражением:

а длина анкеровки:

Из анализа выражений (2), (3) и (4) следует, что чем толще слой уг­лепластика и выше его модуль уп­ругости, тем ниже расчетное сопро­тивление углепластика и соответ­ственно эффективность усиления. Поэтому стремление использовать углепластики с высоким модулем (больше 200000 МПа) не оправда­но. Этот анализ показывает также, что даже "толстые” усиливающие Накладки не позволят решить зада­чу восстановления железобетонных конструкций при потере более 50% несущей способности*.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Peter Н. Emmons, Alexander М. Vaysburd, and Jay Thomas/ Strengthening Concrete Structures, Part II. Concrete International, vol 20, № 4, p.56-60

Gregor Schwegler, Thierry Berset. The Use of Prestressed CFRP-Laminates as Post-Strengthening. 16 Congress of IABSE, Lucerne, 2000, CD.

Laura De Lorenzis, Brain Miller, and Antonio Nanni. Bond of Fiber-Reinforced Polymer Laminates to Concrete. ACI Materials Journal, vol. 98 No 3, 2001, p.256-264.

 

К построению общих критериев деформирования и разрушения железобетонных элементов

 Н. И. Карпенко, д-р техн. наук, проф., академик РААСН (НИИЖБ)

Напряжения в элементе являются составными, со­стоящими из напряжений в бетоне и приведенных на­пряжений в арматуре. В результате связь между на­пряжениями {Ϭ} и деформациями {Ԑ} принимает вид (при наличии начальных напряжений {Ϭ₀}):

Полагается, что когда главные растягивающие на­пряжения в бетоне достигают предельных значений, найденных по условиям прочности, в нем образуются трещины. Вывод физических соотношений, устанавли­вающих связи между напряжениями и деформациями в железобетонном элементе с трещинами, является наиболее важным в цепочке теоретических построений. При этом учитываются следующие факторы:

• углы наклона трещин к арматуре и схемы их пе­ресечения трещин (различают три схемы трещин, при­веденные на рис. 3);
• раскрытие трещин ^а_сг и сдвиг их берегов ^Δ (рис. 4);
• жесткость арматуры при осевых деформациях (рис. 4,6) под действием напряжений в арматуре в зоне трещины с учетом влияния на деформации сил сцеп­ления арматуры с полосами и блоками бетона между трещинами (рис. 4,в);
• жесткость арматуры при тангенциальных пере­мещениях ее относительно берегов трещин под дей­ствием касательных напряжений в арматуре в зоне тре­щины с учетом податливости бетонного основания у берегов трещины (рис. 4,г);

 

Применение углепластиков для усиления строительных конструкций

Ю. Г. Хаютин, д-р техн. наук; В. Л. Чернявский, инж.; Е.З.Аксельрод, канд. техн. наук (ООО “ИнтерАква")

Для оценки эффективности усиления отечественными углеродными тканями были проведены лабораторные испытания пяти групп бетонных неармированных балочек размером 10 х 10 х 40 см, на которых определялось влияние количества слоев наклеенной углеродной ткани на момент трещинообразования и разрушающую нагрузку. В каждой группе испытывали на чистый изгиб от 2 до 4 балочек из бетона класса В25. Число наклеиваемых слоев углеродной ткани варьировалось от 0 до 4. Ткань наклеивали на растянутую зону балочек. Для уменьшения опасности разрушения по наклонному сечению балки в зоне переменного изгибающего момента наклеивали хомуты из четырех слоев углеродной ткани. В каждой группе испытано от 2 до 4 балочек. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Результаты испытаний показали, что при подготовке и планировании испытаний в неполной мере была учтена фактическая высокая степень усиления неармированных балочек углепластиком на действие изгибающего момента. Эффективность усиления растянутой зоны, недооценка влияния поперечной силы от больших изгибающих моментов, а также нецелесообразность усиления толстыми накладками, использованными для хомутов, привели в комплексе к разрушению балочек в группах 3-5 по наклонным сечениям. Даже при двух слоях наклеиваемой ткани предельное состояние балочек определялось одновременным разрушением по нормальному и наклонному сечениям. При трех и более слоях предельное состояние балочек характеризовалось преобладающим вли­янием трещин по наклонному сече­нию, а при четырех слоях нормаль­ные трещины не образовывались. В то же время из таблицы 2 видно, что коэффициент усиления по моменту трещинообразования при одном слое ткани составил 1,74, а при двух - 2,73. Коэффициент усиления по несущей способности соответствен­но составил 2,36 и 3,38. При испы­таниях получено подтверждение, что для углепластиковой полосы в растянутой зоне достаточно 100 мм длины анкеровки.

Эти лабораторные испытания, конечно, не претендует на раскры­тие механизма работы внешнего армирования из углепластиков, а только подтверждают возможности такого усиления.

Результаты испытаний, приве­денные в [1], показали, что усиле­ние композитными материалами железобетонных балок с процентом армирования рядовой арматурой 0,19-0,76% повышает несущую спо­собность на 20-60%, при этом сни­жается опасность хрупкого разру­шения. Зарождение трещин проис­ходит при более высоких уровнях нагрузок, распространение трещин по высоте сечения сдерживается углепластиком.

Учитывая, что внешнее армиро­вание углепластиком в основном ориентировано на восстановление утраченной в ходе эксплуатации несущей способности конструкций, совместно с “ИМИДИС" были про­ведены испытания на изгиб трех железобетонных балок высотой 0,2 м, шириной 0,15 м и длиной 1,1 м. Бетон балок имел прочность на сжа­тие, соответствующую классу В35. Продольная арматура 010 мм клас­са А-Ill была установлена в нижнем и верхнем поясах. Коэффициент армирования составлял 0,087%.

Задачей этих испытаний было убедиться, что технология внешне­го усиления позволяет восстанавли­вать трещиностойкость и несущую способность железобетонных эле­ментов без снижения их эксплуата­ционных свойств. Первую балку при испытании довели до образования трещин с раскрытием 0,5-0,6 мм, а затем ее разгрузили. Трещины были заинъектированы эпоксидным ком­паундом, после чего на растянутую зону балки наклеено два слоя углеродной ленты. Затем балку вновь испытали на изгиб с доведением до разрушения. Две другие балки яв­лялись контрольными. На растяну­тую зону балки 2 до испытания было наклеено два слоя углеродной лен­ты, а балка 3 не имела внешнего усиления.

ТАБЛИЦА 2

№ группы балок	Количество слоев угле­родной ткани	Момент трещинообразования, кНм	Предельный изгибающий момент, кНм	Коэффициент усиления
				по моменту трещинооб­разования	по несущей способности
1	0	1,61	1,61	1	1
2	1	2,8	3,8	1,74	2,36
3	2	4,4	5,45*	2,73	3,38
4	3	5,3	5,7*	3,29	3,54
5	4	—	5,7*	—	3,54

При испытании балки 1 (до уси­ления) при нагрузке 50 кН было от­мечено образование нормальных трещин раскрытием до 0,08 мм. При нагрузке 110 кН раскрытие трещин достигло 0.6 мм. При повторном ее испытании (после усиления) раскры­тие старых и появление новых тре­щин началось при нагрузке 70 кН. Предельное состояние балки насту­пило при нагрузке 153 кН, которое сопровождалось разрушением сжа­той зоны, разрывом и отслоением углепластика, текучестью растяну­той арматуры.

При испытании балки 2 появле­ние нормальных трещин было за­фиксировано при нагрузке 60 кН, а разрушение - при нагрузке 150 кН. Характер разрушения был такой же.

Во время испытания балки 3 появление нормальных трещин было зафиксировано при нагрузке 50 кН, а разрушение - при 130 кН.

Зависимость "нагрузка - проги­бы” для балок 1 и 2 представлена на рис. 1.

Испытания показали, что несу­щая способность железобетонной балки 1, усиленной после первого этапа испытаний, была не только восстановлена до первоначального уровня (балка 3), но оказалась выше контрольной на 13% (как у балки 2). Результаты испытания этих балок подтвердили, что внешнее армиро­вание из углепластика позволяет не только восстанавливать, но и уве­личивать несущую способность железобетонных конструкций.

 

Рис. 1. Зависимость «нагрузка-прогиб» для балок № 1 и 2 (Р- нагрузка, f-прогиб):
1 — балка №1 до усиления; 2 — балка №1 после усиления; 3 — балка №2.