CC BY
40
Аннотация
Это исследование об эффективном использовании базальтовых волокон в качестве армирующего материала бетонных элементов. Также базальт рассматривается как альтернатива стекловолокну. Базальтовое волокно имеет такие свойства как — высокая термостойкость, высокая прочность на растяжение, хорошие электромагнитные свойства; устойчивость к радиации, ультрафиолетовому излучению, а также стабильная работа при вибрационных и ударных воздействиях. Кроме того, базальтовое волокно имеет высокую огнестойкость и сопротивление щелочам, кислотам и солям. В этой статье рассматриваются способ производства базальтового волокна, различные типы конечной продукции из базальта, а также области применения в современном строительстве
Ключевые слова:
базальт, базальтовое волокно, стекловолокно, бетонный композит Date of receipt in edition: 05.05.19 Date of acceptance for printing: 07.05.19
УДК 691.3, 691.5
ПРИМЕНЕНИЕ БАЗАЛЬТОВОЙ И УГЛЕРОДНОЙ СЕТКИ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Г.Э. Окольникова, Г.И. Тихонов, Д.А. Бронников, И.С. Васильев Российский университет дружбы народов, Инженерная академия, Департамент архитектуры и строительства,
Аннотация Ключевые слова:
Представлены принципы и примеры реконструкции зданий базальт, углеволокно, реконструкция, и сооружений при помощи базальтовой и углеродной сетки, базальтовая сетка, углеродная сетка рассмотрены преимущества использования данного материала. История статьи: Базальт — это природное однокомпонентное сырьё, продукт Дата поступления в редакцию: вулканической деятельности, присутствующий на поверхности Земли 11.05.19
в колоссальном объёме. Дата принятия к печати: 12.05.19
Исследования по применению базальтового волокна в качестве армирующего компонента в различных матрицах проводят научные лаборатории ведущих университетов мира и частных компаний.
Базальтовые волокна обладают выдающимися адгезивными качествами и совместимы с различными связующими — как пластиками, так и цементными основами (среда твердения цементов, как известно, имеет щелочной характер), что позволяет использовать их в самых разных приложениях.
Технология усиления конструкций композитными волокнами заключается в наклейке с помощью специального эпоксидного клея или клея на основе микроцемента на поверхность конструкций высокопрочных холстов. Усиление выполняется по подготовленной поверхности кладки, с пропиткой и грунтовкой поверхностного слоя. Возможно усиление как изгибаемых конструкций в растянутых зонах и на приопорных участках в зоне действия поперечных сил, так и сжатых и внецентренно сжатых элементов.
Введение
При реконструкции исторических зданий и сооружений возникает необходимость усиления и сопряжения отдельных элементов конструкции или всего здания в целом. Необходимость таких действий устанавливается по результатам обследования и поверочных расчетов. Ключевым моментом проведения подобных работ является сохранение архитектурной выразительности. Базальтовое волокно является одним из материалов, применяемых для замены металлических компонентов сооружений, конструкций, оборудования и изделий, будучи недорогим, лёгким и доступным, а также противостоящим коррозии.
Преимущества базальтового и углеродного волокна.
Искусственные неорганические волокна: стеклянное, углеродное, базальтовое, кварцевое, ара-мидное и т.д. (табл.1) используются для замены подверженных коррозии материалов на другие, обладающие высокой устойчивостью к агрессивным средам.
Современные технологии позволили ощутимо снизить себестоимость базальтового волокна, практически до уровня стекловолокна. Для его производства используется однокомпонентное сырьё — продукт вулканической деятельности, присутствующий на поверхности Земли в колоссальном объёме. Базальт обладает высокими показателями химической и термической стойкости, которые сохраняются в полученном из него волокне. Нет необходимости в сложном технологическом оборудовании, конечный продукт получают по одностадийной технологии: базальтовое сырьё расплавляют и вытягивают через фильеры непрерывное волокно или раздувом получают дискретное [1].
Волокно из базальтовых пород обладает высокой устойчивостью к воздействию воды, кислот и щелочей, физико-механическими свойствами, негорючестью, магнитной инертностью и диэлек-тричностью. Исследования по применению базальтового волокна в качестве армирующего компонента в различных матрицах проводят научные лаборатории ведущих университетов мира и частных компаний. Базальтовые волокна обладают выдающимися адгезивными качествами и совместимы с различными связующими — как пластиками, так и цементными основами (среда твердения цементов, как известно, имеет щелочной характер), что позволяет использовать их в самых разных приложениях.
Таблица 1.
Основные свойства неорганических армирующих волокон и нитей
Волокна Д, мкм ПЛ, г/см3 МУ, ГПа ПР, ГПа
Стеклянное Типы А и С 0,5...30 2,5...2,6 700...900 50...70 1,5.. .2,0
Стеклянное Типы Е и Б 3...30 2,6...2,8 900...1000 70...90 2,0...5,0
Базальтовое - 10...18 2,7...2,9 100...1200 70...90 1,8...1,9
Борное В 100...150 2,4...2,6 2100...2500 380...430 2,5..4
Кварцевое БЮ2 3...10 2,2...2,25 1600...1700 70...75 3...6
Алюминий-оксидное* А1203 15...25 2,9...3,9 2000...2100 350...380 1,4...2,4
Цирконий-оксидное 1г02 4...6 3,8...5,5 2650...2700 350...430 1,4...2,1
Кремний-карбидное БЮ 100...150 3,1...3,2 2700...2800 400...480 1...3,5
Боро-карбидное В4С 10...12 2,3...2,5 2400...2500 300...350 1,3...1,7
Д-диаметр; ПЛ-плотность; Тпл-температура плавления, МУ-модуль упругости; ПР-прочность; * волокна, применяемые для теплоизоляции, имеют более низкие показатели
Углеродные сетки (табл. 2) применяются при необходимости обеспечения высокой стойкости к температурным и огневым воздействиям и высоким сродством с усиливаемыми элементами. • Малый вес, система усиления не создает дополнительной нагрузки на конструкцию
03
г
м О
-I
м
Э СО
>5
° I
I ш
ИI
а 5
Ш >5
. О
<г а
^ 0
* I
60 5
? я
х л
О ю
X <и
Н I
. V
г 1
£ *
5 ш
X .0
л с;
с; 5
О и
* <
о Я
т Ч
• Стойкость к коррозии / атмосферным воздействиям
• Легкость и простота применения
• Долговечность
• Высокие механические характеристики
• Высокая стойкость к вибрационным и динамическим нагрузкам
• Паропроницаемость в случае использования паропроницаемых клеевых составов или в случае использования внутри раствора/бетона
• В случае использования системы с минеральным вяжущим отсутствует необходимость устройства дополнительной огнезащиты [2]
Таблица 2.
Материал Модуль Юнга, Е Предел прочности при растяжении, а, Деформация при разрыве, ег Удельный вес, р
ГПа МПа % гр/см3
Углеволокно (лента) 240-280 3500 1,6-1,73 1,75
Стекловолокно (лента) 85-90 2500 4,5-5,5 2,46-2,49
Ара мид (лента) 120 3200 1,0-2,5 1,44
Сетка из углеволокна 5x5 230 3500 1.5-1,8 1,8
Сетка из стекловолокна 5x5 70 2800 1,0-3,0 3,0-3,5
Сетка базальтовая 5x5 87 4000 2,0-6,0 2,8-3,2
Сталь 206 250-400 (текучесть) 350600 (разрыв) 20-30 7,8
'Прим. Данные представлены из различных каталогов производителей данной продукции.
Технология усиления конструкций композитными волокнами.
Технология усиления конструкций композитными волокнами заключается в наклейке с помощью специального эпоксидного клея или клея на основе микроцемента на поверхность конструкций высокопрочных холстов. Усиление выполняется по подготовленной поверхности кладки, с пропиткой и грунтовкой поверхностного слоя. Возможно усиление как изгибаемых конструкций в растянутых зонах и на приопорных участках в зоне действия поперечных сил, так и сжатых и внецентренно сжатых элементов.
В ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко была проведена серия испытаний кирпичных колонн на сжатие, усиленных бандажами из углеродных холстов. В ходе испытаний было установлено, что несущая способность колон может быть увеличена почти в 2 раза по сравнению с эталоном. Образцы испытывали на сжатие и изгиб. Результаты испытаний показали, что прочность кладки при сжатии увеличивается с применением углеволокна примерно в 2-2,4 раза (в зависимости от схемы армирования на образце).
Максимальную эффективность показали образцы, полностью покрытые сетками (Рис.1). Согласно испытаниям, относительная прочность увеличилась в 2,6 раза. Однако с данной конфигурацией усиления связан ряд нерешенных вопросов. Усилив конструкцию подобным образом, исключается паропроницаемость кирпичной кладки. Кроме того, разрушение кладки приобретает внезапный характер, поскольку исключается возможность контроля над образованием трещин [3].
Рис. 1. Схемы армирования композитными сетками при испытании образцов на сжатие
Примеры применения базальтовой и углеродной сетки при реконструкции зданий и сооружений.
Сетка из базальтоволокна использовалась для укрепления бетонных конструкций при реконструкции моста Меррик Крик Бридж в Канаде. По словам Дэвида Лона, президента компании MEDA Engineering and Technical Services, принимавшей участие в разработке и осуществлении проекта, этот материал прочнее и долговечнее, чем аналогичные решения из углеволокна, а само ба-зальтоволокно на 30-40% дешевле используемых сегодня в строительстве минеральных волокон [4].
На выставке Techtextil 2017 решения и технологии на основе базальтового волокна были представлены также компанией GKD, демонстрировавшей гибридные ткани и сетки с базальтовым волокном. KraussMaffei представляла свою пултрузионную ситему iPul на выставке JEC World 2017 в Париже. Армирующими волокнами могут быть базальтовые, стеклянные, арамидные и углеродные, матрица — эпоксидной или полиуретановой. Пултрузионные профили характеризуются, как изделия с высоким объёмным содержанием армирующего наполнителя, что обеспечивает им высокую прочность при малом весе. Компания уверена, что основными потребителями продукции с такими качествами будут представители строительной промышленности и ветроэнергетического сектора, где важна эффективная защита от коррозии [5].
Z м
G
-I м Э СО
Заключение.
Использование базальтовых и углеродных сеток для реконструкции зданий и сооружений обусловлено преимуществами неорганических материалов, такими как малый вес, стойкость к коррозии, долговечность и т.п., сферы их применения не ограничиваются реконструкцией. Консалтинговая фирма Research and Markets в исследовании «Анализ и тенденции глобального рынка базальтового волокна — отраслевой прогноз до 2025 года», опираясь на данные по отрасли за 2014-2016 годы, прогнозирует, что глобальный рынок базальтового волокна вырастет к 2025 году до $392,5 млн. При этом совокупный среднегодовой темп роста глобального рынка базальтоволокна в указанный период составит, как ожидается, около 14,2%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белов В. В., Деркач В. Н. Экспертиза и технология усиления каменных конструкций // Инженерно- строительный журнал. 2010. №7. С. 14-20.
2. Гроздов В. Т. Техническое обследование строительных конструкций зданий и сооружений. СПб: Издательский Дом КЫ+, 2001. 140 с.
3. Кучеренко В. А. Рекомендации по обследованию и оценке технического состояния крупнопанельных и каменных зданий. М.: ЦНИИСК им. Кучеренко. 1988. 140 с.
4. Павлова М. О. Современные исследования и разработки способов ремонта, реконструкции, реставрации и мониторинга в России и в Европе // Технология строительства. 2009. №3. С. 21-23.
5. Костенко А. Н. Прочность и деформативность центрально и внецентренно-сжатых кирпичных и железобетонных колонн, усиленных угле- и стекловолокном. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Спец. 05.23.01. М., 2010. 29 с.
>s
* ! si
s V
§ I
Lfl >S . О
* H
60 5
О g X га О ю X од S S
i
5 I
s * is
X .n
■о c;
c; s О и
* 3
о CQ
m 4
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Г.Э. Окольникова, Г.И. Тихонов, Д.А. Бронников, И.С. Васильев. Применение базальтовой и углеродной сетки при реконструкции зданий и сооружений. — Системные технологии. — 2019. — № 31. — С. 14—18.
APPLICATION OF THE BASALT AND CARBON NETWORK DURING RECONSTRUCTION OF BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS.
G.E. Okolnikova, G.I. Tihonov, D.A. Bronnikov, I.S. Vasilev RUDN University, Inzhenernaya akademiya, Department of Architecture and Construction
Abstract Key words:
The principles and examples of reconstruction of buildings and struc- basalt, carbon fiber, reconstruction, basalt tures using basalt and carbon mesh are presented, the advantages of us- net, carbon net. ing this material are considered. Basalt is a natural one-component raw Date of receipt in edition: 11.05.19 material, a product of volcanic activity, present on The earth's surface in Date of acceptance for printing: 12.05.19 a huge volume.
Research on the use of basalt fiber as a reinforcing component in various matrices is carried out by scientific laboratories of the world's leading universities and private companies. Basalt fibers have outstanding adhesive qualities and are compatible with various binders — both plastics and cement bases (the hardening medium of cements, as is known, has an alkaline character), which allows them to be used in a variety of applications.
The technology of strengthening structures with composite fibers consists in a sticker with a special epoxy glue or micro-cement-based glue on the surface of structures of high-strength canvases. Strengthening is carried out on the prepared surface of a laying, with impregnation and a first coat of a surface layer. May increase as bent structures in stretched areas, and primarnih sites in the area of the transverse forces, and compressed and eccentrically compressed elements.
