Использование композитных материалов на основе углеродного волокна в строительстве Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ГРНТИ 67.09.55

Петлина Евгения Владимировна

магистрант, кафедра «Промышленное гражданское и транспортное строительство», Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: evgeniya_petlina@mail.ru. Саканов Куандык Тимирович

научный руководитель, к.т.н., зав. кафедрой, «Промышленное гражданское и транспортное строительство», Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: kuan_altei@mail.ru.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

В статье рассматриваются вопросы реконструкции зданий путём применения современных инновационных технологий, в частности композитных материалов -углеродных волокон. Приведены основные характеристики углеродных волокон.

Рассматриваются результаты сравнения двух вариантов усиления конструкции: классический и с применением углеродных волокон. Приведены примеры усиления конструкции с применением стальных элементов и систем внешнего армирования.

Даны результаты расчёта стоимости усиления рассматриваемых вариантов.

Ключевые слова: углеродное волокно, композитный материал, реконструкция, внешнее армирование.

ВВЕДЕНИЕ

Реконструкция действующих зданий наряду с новым строительством в условиях бурно развивающейся экономики имеет первостепенное значение. Окупаемость капитальных вложений в реконструкцию промышленных предприятий происходит в 2-3 раза быстрее, чем при строительстве новых.

Реконструкция зданий и сооружений - составная часть общей реконструкции предприятий. Изменение условий эксплуатации и функционального назначения зданий и сооружений вследствие внедрения новых технологий в ряде случаев требует проведения для них дополнительных мероприятий по реконструкции. Это может быть связано, например с установкой дополнительного оборудования приводящего к изменению нагрузок, изменению их места приложения и характера, внесению поправок в расчётные схемы, что может вызвать необходимость предварительного усиления конструкций строительных сооружений. В процессе реконструкции здания и сооружения с учётом изменённых условий эксплуатации должны быть приведены в соответствие с требованиями действующих нормативных документов.

Реконструкцию зданий и сооружений осуществляют также в связи с необходимостью восстановления физически изношенных отдельных элементов, частей зданий и сооружений. Так, физический износ обуславливает их переход в состояние отличное от проектного и требует восстановления их эксплуатационных качеств.

В связи с тем, что усиление железобетонных, каменных и металлических конструкций классическими методами (устройство железобетонных наращиваний, рубашек, металлических обойм, шпренгельных затяжек и пр.) несёт большие материальные и трудовые затраты, кроме того утяжеляет усиляемую конструкцию, вызывает дополнительную нагрузку на фундаменты и в конце концов в ряде случаев имеет не эстетичный вид, что наиболее важно для административных и общественных зданий. Поэтому представляет интерес прогрессивные] и более эффективньщ способ усиления конструкций, представленный материалами системы внешнего армирования углеродными лентами, и ламелями. Эта технология предназначена не только для ремонта и усиления несущих конструкций с целью предотвращения последствий разрушения конструкций, но и может является еще гидроизолирующим материалом.

С увеличением потребности в объемах объектов промышленного и гражданского назначения растет и объем работ, связанных с перепрофилированием существующих зданий и сооружений. Улучшение эффективности работ по реконструкции невозможно без улучшения проектных решений и применения инновационных материалов, которые могут обеспечить экономичность, надежность и долговечность. Существующие способы усиления строительных конструкций [1—4] в большинстве своем трудозатраты, и ведут к остановке эксплуатации зданий и сооружений, чтобы обеспечить выполнение работ по реконструкции.

Мировой опыт строительства успешно использует композитные материалы на основе углеродного, стеклянного, арамидного волокон. А исследования ученых позволяют найти подтверждение их физико-механических свойств [5-10].

Применение углеродных волокон для усиления зданий и сооружений известно и в Респубике Казахстан. Это усиление колонн и монолитных перекрытий строящегося торгового центра в г. Астана при помощи углеродных лент. Причина усиления -ошибки проектирования. Применение композитов для ремонта путепровода через ул. Угольную в г. Астана. Причиной усиления явилась необходимость восстановления после удара грузовой машины. А так же капитальный ремонт автодорожного путепровода ПК 49+81,52 автомобильной дороги № 12 в Шиелийском районе Кызылординской области и Торгово-развлекательный центр «Алматы» в г. Алматы. Стоит отметить что в базе нормативно - технической документации Республики Казахстан действует свод правил « Усиление железобетонных конструкций композитными материалами» [11].

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Для ремонта и усиления каменных, железобетонных и металлических конструкций все чаще используются новые технологии и материалы. К ним, в частности, относятся композиты в виде ламелей, матов и сеток, изготавливаемые из углеродных волокон, которые используют в качестве поверхностного армирования, прочность которых зачастую превышает прочность стали. Соединение таких материалов с усиливаемой конструкцией осуществляется с помощью эпоксидного

клея. Коммерческое название такой системы усиления за рубежом известно, как FRP (Fibre Reinforced Polymers) или ФАП (фиброармированные пластики).

Суть применения данной системы состоит в замещении растянутой стальной арматуры фиброармированным пластиком (ФАП), состоящим:

- из непрерывных волокон (фибр), воспринимающих растягивающие напряжения и обеспечивающих жесткость и прочность композиции в направлении их ориентации;

- из матрицы, которая обеспечивает монолитность композита, фиксирует взаимное расположение армирующих волокон, равномерно распределяет действующие напряжения по объему ФАП и нагрузку на волокна, перераспределяет их при разрушении части волокон, а также защищает армирующие слои от внешних воздействий.

Самым главным недостатком углеродных композиционных материалов является их довольно высокая стоимость и требование к температуре при монтаже (выше 50 °С), которые компенсируются рядом преимуществ по сравнению с другими материалами:

- простота транспортировки и монтажа;

- экономичность установки - не требуют тяжелого подъемного и установочного оборудования;

- предел прочности при растяжении 4,3 ГПа;

- высокий модуль упругости достигающий 245 ГПа;

- углеродное волокно сохраняет форму и рабочие характеристики при температуре до +90 °С, а при перегревании в условиях бескислородного доступа сохраняет все физические и эксплуатационные свойства;

- имеет высокие показатели прочности на растяжение достигающие 1700 МПа, что прочнее стали. К примеру предел прочности стали 10 составляет 330 МПа, стали 20-410 МПа, стали 45-600 МПа;

- обладает низким удельным весом (230-250 г), при толщине примерно 0,1 мм;

- имеет высокие показатели коррозионной устойчивости, химически инертное органическое соединение;

- углеродное волокно - материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода.

Для исследования применения углеволокна в качестве внешнего армирования выбран объект «Строительство резервных приёмных резервуаров сточных вод» в г. Павлодаре. Проектом предусмотрена разработка железобетонного монолитного резервуара с размерами в осях 11,0x16,2 м с примыкающей к нему приёмной камерой справа и приёмным резервуаром слева. Резервуар имеет сложную конфигурацию и заглублен в землю на 9,0 м. Толщина стен резервуара 600 мм, днища - 400 мм. Железобетонные монолитные конструкции резервуара запроектированы из бетона класса по прочности В30, морозостойкости F300, водонепроницаемости W6, армированные отдельными стержнями из арматуры класса АШ и AI.

Авторами была поставлена цель - сравнить два варианта армирования железобетонного монолитного резервуара. Первый вариант предусматрривает основное и вспомогательное армирование резервуара классическим методом отдельными стержнями из арматуры класса ЛШ и А1. Суть второго варианта состоит в применении основного армирования отдельными стержнями из арматуры класса А111 и А1, а вспомогательное армирование у верхних граней резервуара заменить внешним армированием композитным материалом на основе углеродного волокна. Необходимостью применения внешнего армирования для усиления резервуара явились ошибки при проведении строительно-монтажных работ, выявленные после проведения испытания резервуара.

Для получения данных о физико-механических характеристиках грунта, служащего основанием под монолитный резервуар были проведены инженерно-геологические изыскания, согласно которых, основанием служит глина серая, с глубины 6,5 м серо-коричневая, полутвердая, ожелезненная, омарганцованная, с включением мергеля до 5,0 %, с глубины 9,0 м с прослоями песка пылеватого насыщенного водой мощностью до 10,0 см, со следующими характеристиками:

- угол внутреннего трения ф=19°;

- модуль деформации Е=6,0 МПа;

- сила сцепления С=63 КПа;

- плотность р=1,99 г/см3.

Нормативная глубина промерзания грунта согласно отчёту по инженерно-геологические изысканиям равна 2,4 м.

Грунтовые воды первого водоносного слоя вскрыты на глубине 3,5-3,6 м, второго на глубине 8,6-9,0 м. Сезонный подъем уровня грунтовых вод составляет 0,7 м.

Вода неагрессивная к бетону нормальной проницаемости на портландцементе, слабоагрессивная к арматуре железобетонных конструкций при периодическом смачивании. Грунты неагрессивные к бетону нормальной проницаемости на портландцементе.

Расчёты конструкций были произведены в программном комплексе Лира-САПР. Для проведения расчёта были приняты данные о физико-механических характеристиках грунта; весе снегового покрова для II снегового района на 1 горизонтальной поверхности земли равной - 0,7 кПа [12] и нормативном скоростном давлении ветра до 10 м над поверхностью земли для III ветрового района равное 0,38 кПа [12], а также нагрузке от грунта, действующей на боковые стенки резервуара, вычисленный по формуле:

оГОр=Х*Н*у=0,372* 1,91*9,0=6,39 т/м2; (1)

л = cos{ р —е j / cos s 1 +

sin [<P+d; sill JP _ P)/

COS(t: i s] COS( _ p ))

X=[(cosl80)/ cos0°(l+Vsinl8°* sin(18°-0°)/ cosO0* cos(0°)]=0,372

Вес железобетонной конструкции был принят программой автоматически. Схема распределения нагрузок на стены резервуара приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Нагрузка грунта на стенки (слева) и нагрузка от здания (справа)

Согласно отчету выполненному в программном комплексе Лира-САПР основное армирование стен для первого варианта принято из арматуры класса A-Ш в двух направлениях с шагом ячейки 200/200 мм. Для армирования днища принята армаура класса A-Ш в двух направлениях с шагом ячейки 200/200 мм. Дополнительное армирование подобрано по расчету, исходя из разницы площадей сечений арматуры.

На рисунке 2 приведена площадь арматуры стен резервуара согласно отчета сформированного в программном комплексе Лира-Сапр.

Рисунок 2 - Площадь полной арматуры на 1 погонный метр по оси Y у нижней грани. Стены (периметр)

После проведения расчетов в программном комплексе и составления рабочего проекта армирования резервуара классическим методом по расчету, была составлена смета.

Второй вариант конструктивного решения заключается в принятии основного армирования согласно расчета в программном комплексе Лира-САПР, но вместо дополнительного армирования стальными стержнями из армауры класса A-III применяем систему внешнего армирования Fib ARM в качестве вспомогательного армирования у верхних граней резервуара. В качестве внешнего армирования применялись ленты типа FibARM Таре 230/300.

Площадь сечения лент балки определяется по формуле 6 [13]:

л ДМгт 2000кН-мг _ _ 0 679 см7

-м

Fk > ___ 218000(1_-0Д5)М_а_' _ °'679 см

То есть при ширине ленты 25 см и толщине 0,1 мм композитный материал должен иметь в 112 3 слоя углеродных лент. Для сечения в С/3, где недостающий момент составляет 1000 кН' м, требуется суммарная площадь сечения лент в 2 раза меньше - то есть 0,386 см2, что соответствует наклейке двух слоев лент. Учитывая необходимость предусматривать дополнительный участок ленты для её анкеровки и исключения отслоения (то есть заводить ленту за точку теоретического обрыва) длины лент усиления в композиционном материале принимают равными согласно таблицы 4 [13]):

- Iй слой ленты - на длине Ср/2;

- 2й слой ленты - на длине ' Ср;

- 3й слой ленты - на всю длину Ср

ВЫВОДЫ

По результатам исследования был проведён расчёт экономической эффективности рассмотренных вариантов армирования. Расход стали и общая стоимость строительства при первом варианте армирования приведены в таблице 1. Расход стали и углеродной ленты Б^АЯМ Таре 230/300 и общая стоимость строительства при втором варианте армирования приведена в таблице 2.

Таблица 1 - Расход стали при арми зовании по расчету арматура класса А-Ш

Расход стали, кг Общая стоимость строительства, тыс.тг

89232 43000

Таблица 2 - Расход стали при основном армировании по расчету арматурой класса А-Ш и дополнительного армирования углеволокном Б^АЯМ 230/300

Расход стали, кг (стоимость, тыс.тг) Расход углеволокна FibARM Таре 230/300, м (стоимость, тыс.тг) Общая стоимость строительства, тыс.тг

64344 (20000) 1121 (16700) 36700

По результатам проведённого анализа и сравнения двух вариантов - первого (классического) и второго (с применением инновационного материала) был выбран второй вариант армирования, при этом экономия средств составила 6700 тыс. тг.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Мальганов, А. И. Восстановление и усиление строительных конструкций аварийных и реконструируемых зданий. Атлас схем и чертежей/ А. И. Мальганов, В. С.Плевков, А. Н.Полищук,-Томск: Томский межотраслевой ЦНТИ, 1990.-316с.

2 Курманов, А. К., Аскаров, Д. А. Влияние уровня подземных вод при строительстве и реконструкции зданий и сооружений // Наука и техника Казахстана. - 2017. - № 1-2. - С. 20-24.

3 Кудрышова, Б. Ч., Станевич, В. Т. Производство строительных материалов на основе промышленных отходов как экологическая доминанта развития современной экономики//Наука и техника Казахстана. -2014. -№ 1-2. - С. 65-68.

4 Арынгазин, К. ILL, Алдунгарова, А. К., Тлеулесов, А. К., Быков, П. О., Богомолов, А. В., Ларичкин, В. В., Ахымбеков, А. А. Использование техногенных отходов в производстве строительных материалов // Строительство : новые технологии - новое оборудование. - 2018. - № 12. - С. 62-67.

5 Польской, П. П., Маилян, Д. Р. Композитные материалы - как основа эффективности в строительстве и реконструкции зданий и сооружений // Инженерный вестник Дона. -2012. -№ 4 (часть 2) [Электронный ресурс]. -URL: ivdon.ru/magazine/ archive/n4p2y2012/1307.

6 Хишмах, Мерват, Польской, П. П., Михуб, Ахмад К вопросу о деформативности балок из тяжелого бетона, армированных стеклопластиковой и комбинированной арматурой // Эл. журнал «Инженерный вестник Дона». - 2012. - № 4. - С. 163-166.

7 Смердов, Д. Н., Устинов, В. П., Яшнов, А. Н. Перспективы применения неметаллической арматуры в железобетонных конструкциях // Наука, инновации, образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России: Мат-лы Междунар. науч.-техн. конф. - Екатеринбург : Изд-во УрГУПСа, 2006. - С. 258-260.

8 Бокарев, С. А., Смердов, Д. Н., Устинов, В. П., Яшнов, А. Н. Усиление пролетных строений с использованием композитных материалов // Путь и путевое хозяйство. -2008. -№ 6. - С. 30-31.

9 Неровных, А. А. Совершенствование методики оценки грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами. Автореф. к.т.н. - Новосибирск : СибГУПС, 2013. -24 с.

10 Маилян, Д. Р., Польской, П. П., Георгиев, С. В. Методики усиления углепластиком и испытания коротких и гибких стоек // Научное обозрение. -2014. - № 10.ч. 2. - С. 415-418.

11 СП 164.1325800.2014 Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования.

12 СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия.

13 О ДМ 218.3.027-2013 Рекомендации по применению тканевых композитных материалов при ремонте железобетонных конструкций мостовых сооружений.

Материал поступил в редакцию 27.02.19.

Петлина Евгения Владимировна

магистрант, «бнеркэсштш азаматты; жэне келш к¥рылыс» кафедрасы, С. Торайгыров атындагы Павлодар мемлекеттiк университетi, Павлодар к;., 140008, ^азакстан Республикасы, e-mail: evgeniya_petlina@mail.ru. Саканов Куандык Тимирович

гылыми жетекшга, т.f.к., «бнеркэсштш азаматты; жэне келш к¥рылыс» кафедрасыныц мецгерушiсi, С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекеттiк университет^ Павлодар к., 140008, ^азакстан Республикасын, e-mail: kuan_altei@mail.ru Материал баспаFа 27.02.19 тYCтi.

^рамында KOMipTeKTi талшыкты композита материалдарды квдылыста колдану

Мацалада гимараттарды жацгыртуда заманауи материалдарды пайдалану сYрацтары царастырылган, мысалы композиттК материалды — квмiрсу талшыцтары. Квмiрсу талшыцтарыныц нeгiзгi сипаттамалары кврсетшген.

Конструкцияларды кушейтудщ еш нYсцасы бершген: классикальщ жэне квмiрсу талшыцтарын пайдалану. Болат элементтерт жэне сыртцы арматуралау тYрлeрiмeн конструкцияларда кушейтудщ сызбалары царастырылган.

Kyшейту нYсцаларыныц салыстырма багалары есептелген.

Кiлттi свздер: квмiрсу талшыцтар, композиттт материалды, жацгыру, сырттан арматуралау.

Petlina Yevgeniya Vladimirovna

undergraduate student, Department of «Industrial, Civil and Transport Construction»,

S. Toraighyrov Pavlodar State University,

Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,

e-mail: evgeniya_petlina@mail.ru.

Sakanov Kuandyk Timirovich

Cand.Sci.(Eng.), professor, Department of «Industrial, Civil and Transport Construction», S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan, e-mail: kuan_altei@mail.ru.

Use of composite materials based on carbon fiber in the construction

The article deals with the reconstruction of buildings through the use of modern innovative technologies, in particular composite materials — carbohydrate fibers. The main characteristics of carbon fibers are given.

The results of comparison of two variants of strengthening the structure: the classic and the use of carbohydrate fibers are considered. Examples of structural reinforcement using steel elements and external reinforcement systems (carbon fiber) are given.

The results of the cost calculation of the considered options strengthening are given. Keywords: carbon fiber, composite materials, reconstruction, external reinforcement.