АНАЛИЗ ДОСТОИНСТВ И НЕДОСТАТКОВ СПОСОБА УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПОМОЩИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ УГЛЕВОЛОКНА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Анализ достоинств и недостатков способа усиления железобетонных конструкций при помощи композитных материалов из углеволокна

Косарев Леонид Владимирович

кандидат технических наук, технический институт (филиал) ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» (в г. Нерюнгри), leonid_kossarev@mail.ru

Вавилов Виктор Иванович

кандидат технических наук, Технический институт (филиал) ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» (в г. Нерюнгри), leonid_kossarev@mail.ru

Болдырев Николай Юрьевич

студент, Технический институт (филиал) ФГАОУ ВО «СевероВосточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» (в г. Нерюнгри), leonid_kossarev@mail.ru

Добрынкина Ольга Валерьевна

студент, Технический институт (филиал) ФГАОУ ВО «СевероВосточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» (в г. Нерюнгри), leonid_kossarev@mail.ru

Костюкова Юлия Сергеевна

студент, Технический институт (филиал) ФГАОУ ВО «СевероВосточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» (в г. Нерюнгри), leonid_kossarev@mail.ru

Статья посвящена выявлению достоинств и недостатков внешнего армирования посредством углеволокна. Для начала рассматривается группа композитных материалов на основе фибры, выявляются их основные виды. На основе общих качеств проводится сравнение такого способа усиления железобетонных конструкций со схожим по использованию - с армированием стальными листами. Авторы статьи выявляют преимущества композитных материалов над сталью, а затем уже делают более подробный разбор трех основных составляющих композитов - арамид, стекло и углерод. Для наглядного изображения различий между ними составляется сравнительная таблица с характеристиками. Проводится ее анализ, и описываются качества, которые отделяют КМФУ от остальных композитных материалов. Для более детального рассмотрения данного способа армирования описаны технологии как изготовления углеволокна, так и проведения работ. Ключевые слова: железобетонные конструкции, углеволокно, композитные материалы на основе фибры, углерод, композит.

Введение

Усиление железобетонных конструкций - комплекс технологических и конструктивных мероприятий, направленных на обеспечение несущей способности и эксплуатационной пригодности конструкции при увеличении действующих на нее нагрузок, изменения условий эксплуатации или объемно-планировочных решений сооружения. Усиление конструкций необходимо для предотвращения разрушений, человеческих жертв и других неприятных последствий из-за нарушения несущих способностей.

Методы и материалы

Способ усиления конструкций при помощи композитных материалов на основе фибры (КМФ) -волокон - называется внешним армированием. Также необходимость в нем возникает:

1. при наличии дефектов или повреждений вследствие температурных, сейсмических, осадочных или любых других силовых деформаций;

2. при увеличении эксплуатационных качеств;

3. при выявлении невыполнения строительного плана, которое понизило несущую способность конструкций;

4. при реконструкции;

5. при изменении функционального назначения здания или сооружения.

Данный способ тесно связан с увеличением площади поперечного сечения железобетонного элемента. Только в 1980-х годах особой популярностью стали пользоваться полимерные композитные материалы из углеродных, арамидных, полиэфирных и стекловолокон. Они не увеличивают вес конструкции и выполняют свои основные функции. Чтобы оценить по достоинству КМФ, сравним его с самым популярным способом армирования ЖБК - усиление стальными пластинами.

Оно является наиболее близким по применению и по условиям использования с КМФ. В отличие от стальных пластин волокна обладают высокой прочностью растяжения и меньшим удельным весом в 4-5 раз. Отсюда вытекает простота эксплуатации композитных материалов и их установка в любых условиях: в стесненных - на высоте, в узких пространствах и в технических пространствах - и в обычных. При приклеивании стальных пластин на ЖБК необходимы большое количество времени, дополнительные анкерные конструкции и

х

X

о

го А с.

X

го т

о

м о м

сч о сч

о ш Ш X

<

т о х

X

другие, которые могут нарушить сечение здания. Несомненно, это также снижает безопасность строительного процесса. С КМФ в большинстве случаев такие сложности не возникают.

Результаты и обсуждения

На практике композитные материалы на основе фибры применяются в виде лент или холстов с любой необходимой длиной, в то время как сталь ограничивается шестью метрами. Она не способна сама по себе повторять форму конструкции без особого усилия, при износе требует масштабного ремонта. Композитные же материалы подвижные, гибкие, обладают любым радиусом кривизны, имеют толщину от 1,5 до 2 мм, что дает возможность устанавливать полосы в двух направлениях, и легки при замене. Наглядно это можно изобразить на диаграмме «напряжение - деформация», где показываются в сравнении основные композитные материалы и сталь (рис.1):

СГ,"

Таблица 2

Коэффициенты надежности в зависимости от способа

^кч 11 [

КМФ Л ^ ^¿Ш?.'1

№ Композитный материал Гг Г»

1 Углерод КМФ 1,4 1,1

2 Арамид КМФ 1,5 1,1

3 Стекло КМФ 3,5 1,8

№ Тип системы, метод изготовления или применения Коэффициент надежности по способу изготовления или нанесения ут„

1 Полосы ламинатов Pultruded 1,1

2 Ргергед 1,1

3 Prefomed 1,2

4 Холстовые материалы -

5 Машинное нанесение 1,1

6 Вакуумное нанесение 1,2

7 Ручное нанесение 1,4

0.С2 0.0-1

Рис.1. Диаграмма «напряжение - деформация»

Это все вычисляется за счет нормативных и расчетных характеристик. Британскими правилами проектирования внешнего усиления железобетонных конструкций композитными материалами приняты следующие положения по определению нормативных и расчетных сопротивлений композитных материалов:

п

0 _ Лсп

Кс —-----,

Ус 'Утп 'Усе

где Дси - сопротивление композитного материала растяжению по данным фирмы-производителя; Ус - коэффициент надежности по композиту; утп - коэффициент надежности по способу нанесения; Усе - коэффициент упругости [5]. Приведем примеры данных коэффициентов в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Коэффициенты надежности по материалу и модулю упругости

Также определяют расчетные деформации композита в зависимости от коэффициента, определяемого зависимостью к = 89.З^^)"05, толщины композитного материала ^ и предельных деформаций композита есп по формуле [4]:

Ес £сп к

КМФ также долговечны и имеют большую надежность при повторяющихся нагрузках. В экономическом плане при отказе от композитных материалов возрастают траты на усиление ЖБК, так как во время эксплуатации на них требуется меньше трудозатрат и возникает меньше мусора, в отличие от стальных пластин. На практике в настоящее время композитные материалы имеют срок эксплуатации 30-40 лет, что несомненно учитывается при проектировании долговечных зданий и сооружения.

Если говорить о недостатках КМФ, то это низкая или средняя пожаросопротивляемость и разрушение всех свойств при нарушении целостности материала. Для ликвидации данного минуса используют специальные покрытия, например: состав «Барьер» с высокой прочностью на сжатие до 98 кПа и состав «Спектр-Композит» для КМФ из угле-волокна. Следующий недостаток - стоимость. Как уже говорилось, в эксплуатации они обходятся дешево, но сами по себе композитные материалы на основе фибры дороже стали. Еще стоимость КМФ покрывается огромным выбором на рынке. В целом можно сказать, что по сравнению со стандартным методом усиления ЖБК стальными пластинами, предпочтительнее использовать КМФ [1].

Как уже говорилось, на рынке композитные материалы на основе фибры имеют большой выбор, но в основном используют КМФ, состоящих из углеродных, арамидных и стекловолокон. Как известно, фибры в сечении материалов имеют продолговатую и сплюснутую форму толщиной 5-20 мкм. Но в чем же различия данных волокон? Составим сравнительную таблицу этих трех КМФ[2] .

Исходя из таблицы, можно сделать вывод, что в основном по вышеперечисленным характеристикам композитные материалы на основе фибры из углеволокна предпочтительнее и лучше. Также сами по себе композиты стойки к температурным перепадам, а значит их возможно использовать в

условиях Крайнего Севера для длительной эксплуатации. Раньше мы рассматривали диаграмму «напряжение - деформация» (рис.1), где рассматривались сталь, КМФУ, КМФА и КМФС. На ней видно, что при повышении напряжений у углеволо-кон замечается низкая деформация по сравнению с арамидом, стеклом и сталью.

Таблица 3.

Сравнение по общим характеристикам волокон из стекла, ара-

Характеристики Стекловолокно (КМФС) Арамид-ное волокно (КМФА) Углеволокно (КМФУ)

Прочность на растяжение, МПа 2400-3500 3200-3600 С высокой прочностью (на полиакрилнитриновой матрице) - 4300-4900; С высоким модулем упругости (на полиакрилнитриновой матрице) - 740-5490; С высоким модулем упругости (на полимерной матрице из эпоксида) - 2600-4020

Модуль упругости, ГПа 70-85 124-130 С высокой прочностью (на полиакрилнитриновой матрице) - 230-240; С высоким модулем упругости (на полиакрилнитриновой матрице) - 294-329; С высоким модулем упругости (на полимерной матрице из эпоксида) - 540-640

Деформация удлинения, % 3,5-4,7 2,4 С высокой прочностью (на полиакрилнитриновой матрице) - 1,9-2,1; С высоким модулем упругости (на полиакрилнитриновой матрице) - 0,7-1,9; С высоким модулем упругости (на полимерной матрице из эпоксида) - 0,4-0,8

Плотность, т/мЛ3 2,6 1,44 С высокой прочностью (на полиакрилнитриновой матрице) - 1,8; С высоким модулем упругости (на полиакрилнитриновой матрице) - 1,78-1,81; С высоким модулем упругости (на полимерной матрице из эпоксида) - 1,91-2,12

Стойкость к химическим воз-действиям Подвержены щелочной коррозии, но не солевой Высокая сопротивляемость химическим веществам: щелочам, солям, кислотам и т.д.

Сопротивляемость ультрафиолетовому излучению Не подвержены воздействию Снижение прочностных характеристик на растяжение Не подвержены воздействию

Электро-проводимость Диэлектрики Слабо проводимые

Жесткость Намного меньше стали Меньше стали Выше, чем у стали

Воздействие огня Сохранение прочности до температуры бо-лее1000П Сохранение прочности до температуры 200П Сохранение прочности до температуры 650П

Все показатели, приведенные в таблице, могут быть вычислены по определенным формулам. Модуль упругости композитного материала Ее и модуль на растяжение Rc определяются по формулам:

•Ут

ЕС-ЕГ Уг+Еп

ЯГ=Я

■ ^ + Д„

• к,

Поясним некоторые значения: Е^ Rf, Vf - модуль упругости, прочность на растяжение и объемное соотношение в композите волокон, а Ет, Rm, Vm -те же показатели отверждающего полимера, где должно соблюдаться условие: Ут + У^ = 1 [6].

Теперь остановимся на том, чем является угле-волокно. Это есть композит из углеродных нитей толщиной 5-15 микрон. Он получается термической обработкой химических или органических волокон, в составе которых содержатся атомы углерода. В первом этапе происходит окисление по-лиакрилонитрильного волокна при температуре 250°С в течение 24 часов. На втором идет карбонизация - образование графитоподобных структур при 800-1500°С. Потом третьим этапом проводится графитизация при 1600-3000°С в инертной среде. Таким образом содержание углеродных волокон в исходном материале доводится до 99%. Существует три технологии использования КМФУ:

• Применение лент из углеродного волокна -укрепление мостов и пролетных построек;

• Использование холстов из углеродного волокна (применяется в укрепление балок, ригелей, отверстий и колонн). Основной плюс холстов - это их гибкость, им можно легко придать нужную форму;

• Применение сеток из углеродного волокна (используются чаще всего при работе с железобетонными конструкциями). Такие сетки огнеупорны [3].

Работа может проходить двумя способами "сухим" или "мокрым". Каждый из способов предполагает обработку материала специальным связующим - адгезивом. Различаются они лишь последовательностью использования адгезива, в первом случае он наносится на материал, во втором случае - на поверхность строения, а на него материал. Каждый слой материала прокатывается валиком, он должен полностью просохнуть и затвердеть, после этого накладывается новый. Также могут потребоваться и другие мероприятия для работы. К ним относится ликвидация неисправностей и брака с помощью инъектирования либо склеивания отдельных элементов. В общем, все, что необходимо для реконструкции целостности строения. Для конкретики приведем примеры КМФУ и его связующих в таблице [3].

х

X

о

го А с.

X

го т

о

м о м

сч о сч

о ш Ш X

<

m о х

X

Таблица 4. Примеры углеволокна

№

Наименование продукции

Углеродная ткань CWrap Fabric 230

Углеродная ламель CWrap CarbonPlate 12/100

Эпоксидный клей CWrap Polimer 530

и связующих

Основные характеристики

Плотность - 230 г/м2 ± 5 %. Расчетная толщина монослоя ткани -0,128 мм ± 5 %. Ширина - 300 мм ± 5 %. Длина рулона - 50 м ± 5 %.

Плотность - 1,40 г/см3. Тип связующего - эпоксидный полимер.

Объемное содержание волокон > 68 %. Прочность на растяжение > 3,1 ГПа. Модуль упругости > 170 ГПа. Удлинение при разрыве - 1,8 %. Толщина - 1,2 мм. _Ширина - 100 мм._

Срок годности смеси - 40 мин при 20°С.

Вязкость смеси ~ 100 000 сантипуаз. Температура стеклования ~ 68°С. Предел прочности при растяжении - 68 Мпа.

Модуль упругости при растяжении - 3,3 ГПа.

Предел прочности при сжатии - 76,4 МПа.

Модуль упругости при сжатии - 3 ГПа. Предел прочности при изгибе - 82,7 МПа.

Модуль упругости при изгибе - 3,1 ГПа. Время открытой выдержки (полной полимеризации) при t=25 °С - 36 часов. _Удлинение не более 5 %._

tf >0,5fc,

i—У \b + h)'

k-h — '

Rf • £fU

бетона класса В25 с нормативным сопротивлением сжатию Иь = 1400 Мпа. Для композита нормативное значение модуля упругости композитного материала Ег = 120000 МПа, нормативное сопротивление композитного материала растяжению = 1351,9 МПа.

Сначала определим, удовлетворяет ли ЖБК условиям проектирования: 300

-<1,5

800 _ , 0,375 <1,5 120000-0,008 < 0,75-1351,9 960 < 1013,925 Условие выполняется, а значит продолжаем вычислять. Найдем коэффициент кк при том, что максимальная деформация при растяжении углепластика равна 0,024:

_ 0,8(0,005 - 0,004) -1,5 ■ 1400 _

кн ~ 1351,9 -0,024 _

1,68

= 0,052

32,45

Определяем толщину обоймы материала:

800•300 \

tf >0,5

(!

0,052 ^

tf

При внешнем армировании углеволокном ЖБК прямоугольного сечения необходимо узнать толщину обоймы материала, которая определяется по формуле:

Ьй

где tf - толщина оболочки композита, см; й -высота сечения колонны, см; Ъ - ширина сечения колонны, см. При этом:

0,8(еЬи - 0,004) -1,5ДЬ

где £Ьи - максимальная деформация бетона при сжатии (0,003+0,002); efu - максимальная деформация при растяжении композитного материала; - нормативное сопротивление композитного материала растяжению, кгс/см2; Иь - нормативное сопротивление бетона сжатию, кгс/см2. Но условиями при проектировании являются: Ь

-<1,5 п

£> • £г < 0,75Д^,

Где £у - нормативное значение модуля упругости композитного материала, кгс/см2; £у - нормативная деформация растяжения композитного материала [6, 10].

Найдем толщину оболочки композита из углепластика, наносимого как полосы ламинатов, на ЖБК сечения размерами Ь = 300 мм, = 800 мм, из

^800 + 300/ if >5,67

Выводы

Для ЖБК на основе бетона класса В25 с сечением 300x800 толщина композитного материала должна составлять 5,67 см или больше данного значения [7, 8, 9].

Как уже говорилось, по физико-механическим качествам КМФУ превосходит как сталь, так и другие композитные материалы. Углеволокно является относительно новым материалом и по штучному набору достаточно дорогим, но работы со стандартными усилениями ЖБК обходятся намного выше по цене. Качественные характеристики композита из углеродных волокон, как говорилось выше, подходят для любых климатических условий из-за термостойкости, устойчивости к ударам, к химическому воздействию, высоких сроков эксплуатации, возможности работ в стесненных условиях и прочности. Также КМФУ не увеличивают вес несущей железобетонной конструкции. На основе этого можно сказать, что подобное внешнее армирование - это хороший способ усиления конструкций зданий и сооружений.

Литература

1. Шилин А.А., Зайцев М.В., Картузов Д.В. Пособие по усилению железобетонных конструкций с использованием композитных материалов. -Москва, 2017;

2. СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования». Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/1200113273. Дата ссылки: 30.08.2021;

2

3

3. ГК ИННОВА // Усиление ЖБ конструкций уг-леволокном. Режим доступа:https://gk--mnova-ru.turbopages.org/gk-mnova.m/s/usNenie-zhb-konstruktsij-uglevoloknom/. Дата ссылки: 02.09.2021;

4. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции: Общий курс: Учеб. для вузов. - М.: Стройиздат, 1991. - 767 с.: ил;

5. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. - М.: Мир, 1980;

6. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных промышленных зданий и сооружений. / Харьковский ПромстройНИИпроект, Харьков, 1985;

7. Абрамов А.В., Березовская М.Е., Войкина О.В., Черенева А.С. Обработка экспериментальных данных по определению механических свойств конструкционных материалов // Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника». 2014. № 1. Режим доступа: https://readera.org/obrabotka-jeksperimentalnyh-dannyh-po-opredeleniju-mehamcheskih-svojstv-14340523. Дата ссылки: 19.10.2021;

8. Голушко С.К., Идимешев С.В., Семисалов Б.В. Методы решения краевых задач механики композитных пластин и оболочек: Учеб. пособие. Новосибирск: КТИ ВТ СО РАН, 2014;

9. Клюев С.В. Усиление строительных конструкций композитами на основе углеволокна: монография / С.В. Клюев, А.В. Клюев, Р.В. Лесовик. -Lambert, 2011;

10. Чернявский В.Л. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами / В.Л. Чернявский, Е.З. Аксельрод // Жилищное строительство. - 2003. - №3. Режим доступа: https://interaqua.biz/stati/28-usilenie-zhelezobetonnykh-konstruktsij-kompozitnymi-materialami. Дата ссылки: 11.10.2021.

References

1. Shilin A.A., Zaitsev M.V., Kartuzov D.V. Manual on strengthening

reinforced concrete structures by using composite materials. - Moscow, 2017;

2. SP 164.1325800.2014 "Reinforcement of armored concrete structures with

composite materials. Design rules." Access mode: https://docs.cntd.ru/document/1200113273. Reference date: 30.08.2021;

3. GK INNOVA//Reinforcement of LHB structures with carbon fiber. Access

mode: https://gk--innova-ru.turbopages.org/gk-innova.ru/s/usilenie-zhb-konstruktsij-uglevoloknom/. Reference date: 02.09.2021;

4. Baykov V.N., Sigalov E.E. Reinforced concrete structures: general course:

Studies for universities. - M.: Stroyizdat, 1991. - 767 p.: il;

5. Kapoor K., Lamberson L. Reliability and system design. - M.: Mir, 1980;

6. Onufriev N.M. Reinforcement of armored concrete industrial buildings and

structures. /Kharkov PromstroyNIIproekt, Kharkov, 1985;

7. Abramov A.V., Berezovskaya M.E., Voikina O.V., Chereneva A.S.

Processing of experimental data on determining the mechanical properties of structural materials//Scientific electronic journal "Materials Science News. Science and Technology. 2014. № 1. Access mode: https://readera.org/obrabotka-jeksperimentalnyh-dannyh-po-opredeleniju-mehanicheskih-svojstv-14340523. Reference date: 19.10.2021;

8. Golushko S.K., Idimeshev S.V., Semisalov B.V. Methods of solving

boundary problems of the mechanics of composite plates and shells: Textbook. Novosibirsk: KTI VT SB RAS, 2014;

9. Klyuev S.V. Strengthening of building structures with composites based on

carbon fiber: monograph/S.V. Klyuev, A.V. Klyuev, R.V. Lesovik. -Lambert, 2011;

10. Chernyavsky V.L. Reinforcement of armored concrete structures with composite materials/V.L. Chernyavsky, E.Z. Axelrod//House construction. - 2003. - №3. Access mode: https://interaqua.biz/stati/28-usilenie-zhelezobetonnykh-konstruktsij-kompozitnymi-materialami. Reference date: 11.10.2021.

Analysis of the advantages and disadvantages of the method of reinforcing reinforced concrete structures using carbon fiber composite materials

Kosarev L.V., Vavilov V.I., Boldyrev N.Yu., Dobrynkina O.V., Kostyukova Yu.S.

North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov

JEL classification: L61, L74, R53

o

m

The article is devoted to identifying the advantages and disadvantages of ^

external reinforcement by means of carbon fiber. To begin with, a group of fiber-based composite materials is considered, and their main types are identified. On the basis of general qualities, a comparison is made of this method of reinforcing reinforced concrete structures with a similar one in use - with reinforcement with steel sheets. The authors of the article identify the advantages of composite materials over steel, and then do a more detailed analysis of the three main components of composites - aramid, glass and carbon. For a visual representation of the differences between them, a comparative table with characteristics is compiled. Its analysis is carried out, and the qualities that separate KMFU from other composite materials are described. For a more detailed consideration of this method of reinforcement, technologies for both the manufacture of carbon fiber and work are described.

Keywords: reinforced concrete structures, carbon fiber, fiber-based composite materials, carbon, composite.