СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ МОРОЗОСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ФИБРОБЕТОНА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.328.4

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ МОРОЗОСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ФИБРОБЕТОНА

Г.Э. Окольникова, М. Курлин, М. Йочич Российский университет дружбы народов

Ключевые слова:

фибробетон, углепластик, деформационные испытания, композитные материалы, морозостойкость. История статьи: Дата поступления в редакцию 19.02.21

Дата принятия к печати 22.02.21

Аннотация.

Наиболее эффективным методом усиления зданий и сооружений, в том числе повышения морозостойкости, являются композитные материалы. Данным системам присущ небольшой вес и размеры, стойкость к агрессивной среде и относительная простота в использовании. Повышение морозостойкости железобетонных конструкций обеспечит использование углепластика в качестве фибры для высокопрочного фибробетона. Углепластики являются композитами, которые содержат углеродные волокна в качестве наполнителя. Они представляют собой сравнительно новый класс полимерных композиционных материалов (ПКМ), характеризуются уникальными свойствами, нашли широкое применение во многих областях. Метод исследования — сравнительно-аналитический. Статья посвящена обзору исследований, которые направлены на повышение морозостойкости железобетонных конструкций с помощью полимерных композиционных материалов (в частности, использование углепластика в качестве фибры для фибробетона). В том числе рассмотрены преимущества применения углепластика для повышения морозостойкости железобетонных сооружений на основе экспериментальных данных.

ВВЕДЕНИЕ

Долговечность железобетонных конструкций из высокопрочного фибробетона обуславливают успешность его использования в современном строительстве в районах крайнего Севера России. Морозостойкость железобетонных конструкций зависит от множества факторов — вязкопласти-ческих свойств цементной матрицы бетона и пористости заполнителя. Оценка вязкопластических свойств железобетонных конструкций показывает, что активное углеволокно при введении увеличивает пластические свойства цементной матрицы. В статье приведены результаты исследования повышения морозостойкости высокопрочного фибробетона из углепластика [1].

Фибробетон относится к классу композитов. Композиционные материалы представлены материалами, которые получены из соединения двух или более компонентом в единую систему, причем каждый компонент по отдельности должен сохранить свои свойства. Композиты могут рассматриваться в качестве соединения фаз — одна фаза непрерывна (матрица), а другая прерывиста (армирующая фаза) [1]. Волокнистые композитные материалы являются материалами, которые состоят из волокон в матрице, являющейся связующим, объединяющим материалом [2].

Эксплуатация зданий и сооружений подразумевает воздействие разнообразных факторов внешней среды. Повреждения конструкций могут вызываться совокупностью причин, носящих усиливающий характер. Композитные материалы стоят дорого, однако их экономическая эффек-

03

г

м О

-I

м

Э СО

у

О

.о

I I

о &

ю о

т <и

<и

5 I-

и о ¡е

-г*

(1 т

* 2 * £

2 I

< £

Й *

О и

* 3

х и .о о

с; с о з

* ю

° 13

« 1 I- и

тивность полностью обоснована особенно в северных районах. Усиление волокнистыми композитами становится популярным в настоящее время благодаря выполнению усиления в короткие сроки, не останавливая все производство.

Использование волокнистых полимерных композитов с целью внешнего армирования представляется эффективной технологией ремонта и укрепления железобетонных сооружений. Волокнистые полимерные композиты повышают сопротивление на сдвиг конструкций [2, 12].

Одним из эффективных способов, ведущих к повышению морозостойкости железобетонных конструкций, изготовленных из фибробетона — введение углеволокна (углепластика).

В статье [6] приведены результаты эксперимента зарубежных авторов — Miyagawa Hiroaki, Sato Chiaki и др., которые исследовали трансверсальные модули упругости углеродных волокон с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (Рамановская спектроскопия). Был предоставлен образец углепластика, который имел определенную последовательность слоев, чтобы измерить трансверсальные модули упругости. В статье экспериментально исследуется влияние элементов структуры углепластика в качестве армирующего материала на трансверсальные модули упругости высокопрочного фибробетона.

Следовательно, было рассмотрено, что технология плетения нитей фибробетона на углепластике играет большую роль в деформационных испытаниях, включая испытания на морозостойкость. Было выяснено, что углепластик, который был составлен с продольным плетением нитей, имеет значительно больший модуль Юнга и прочностные характеристики по сравнению с образцом с поперечным плетением углеродных нитей. Прочность на растяжение и на сжатие углепластиков значительно меньше, по сравнению с образцами с поперечным плетением нитей, что и было подтверждено испытаниями.

Таким образом, при выполнении ремонтных работ по усилению железобетонных конструкций в условиях крайнего Севера необходимо использовать волокнистые композиты на примере фибробетона, чтобы обеспечить надежность эксплуатации сооружения на долгие годы [3].

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Основа углепластика представляет собой нити углерода. Следовательно, карбоновое полотно плетется из нитей углерода разного рисунка. Чтобы придать материалу объемную твердую форму, слои полотна должны быть соединены между собой в результате сцепления эпоксидными смолами [4].

Полимерные композитные материалы включают два уровня неоднородности. Первый уровень относится к микронеоднородности, который характеризуется наличием волокон и матрицы (двух фаз). Второй уровень — макронеоднородность — наличие разноориентированных микронеоднородных слоев в материалы [4].

Так как материалы могут характеризоваться значительной анизотропией их упругих свойств, то для анализа анизотропного упругого деформирования материалов необходимо применять модель трансвер-сально-изотропного упругого тела.

Для сравнения использовались образцы фибробетона из углепластика с поперечным и продольным сечением. Такое решение было необходимо для качественного исследования деформационных свойств композитов с целью повышения морозостойкости железобетонных конструкций. Для оценки долговечности фибробетона из углепластика были проведены испытания замораживания-оттаивания [5].

Чтобы определить трансверсальные модули упругости элементов структуры углепластика, была использована спектроскопия комбинационного рассеяния (Рамановская спектроскопия). Был предоставлен образец углепластика, который имел последовательность слоев [90/0/90], чтобы измерить тран-сверсальные модули упругости. Для начала методом резистивного нагрева внешней поверхности была нанесена тонкая пленка оксида свинца (II) PbO на образец [90 слой]. До испытаний образцы подвергались паровой обработке в режиме 2+4+8+2 ч при 85 0С. После проведенных изотермических испытаний образцы отверждались в течении 10 суток в условиях нормальной влажности. Перед деформационными испытаниями образцы были тщательно высушены [6].

Лазерный луч был сфокусирован таким образом, чтобы на поперечном слое углепластика было получено пятно диаметром 1 мм, далее нужно было измерить трансверсальную деформацию углеродных волокон. Поперечная деформация была проанализирована с помощью методов конечных элементов.

Образец углепластика для опыта растяжения использовали для измерения модуля поперечной упругости углеродных волокон. Последовательность слоев образца на растяжение составляет [90/0/90]. Расчетная длина, ширина узкого сечения и толщина составляли примерно 25 мм, 6 мм и 0,6 мм соответственно. Образец для растяжения из углепластика был отвержден путем вакуумной обработки атмосферным давлением при 130 °С в течение 2 часов. Поверхность образца для растяжения отполировали, чтобы четко определить углеродные волокна и фазы смолы. После этого тонкая пленка оксида свинца (II) РЬО была нанесена методом резистивного нагрева на поверхность образца из углепластика [6].

Можно приближенно рассчитать макроскопические механические свойства углепластика с помощью метода конечных элементов (МКЭ) в сочетании с экспериментами (рис.1). Поэтому поперечный модуль упругости Б(Т углеродных волокон был определен методом МКЭ как обратная задача. Изменение макроскопического поперечного модуля упругости Ет углепластика было проанализировано путем изменения поперечного модуля упругости Е углеродного волокна с 8,00 до 50,0 ГПа.

На рис. 1 показаны проанализированные зависимости между макроскопическим поперечным модулем упругости Ет углепластика и поперечным модулем упругости Е(т углеродных волокон по 2Б и 3Б моделям МКЭ [6].

Поскольку макроскопический поперечный модуль упругости углепластика был определен как 7,02 ГПа, тогда поперечный модуль упругости Е(т углеродных волокон был рассчитан как 5,25 и 28,7 ГПа для 2Б и 3Б по методу МКЭ, соответственно [6]. Испытания были проведены с помощью ДМА (динамический механический анализ).

Преимущество расчета модуля поперечной упругости углеродных волокон с помощью МКЭ заключается в простоте экспериментов по измерению макроскопического модуля поперечной упругости углепластика. Однако следует отметить, что результат этого метода зависит от способа моделирования методом конечных элементов и точности экспериментального значения макроскопического поперечного модуля углепластика.

Рис. 1. Изменение макроскопического трансверсального модуля углепластика, проанализированного с помощью 2D и 3D моделей МКЭ по ДМА (динамический механический анализ) и трансверсального модуля упругости углеродных волокон

03

г

м О

-I

м

Э СО

у

О

.о

I I

о &

ю о

т <и

<и

5 I-

и о ¡е

-г*

(1 т

* 2 * £

2 I

< £

Й *

О и

* 3

х и .о о

с; с о з

* ю

° 13

« 1 I- и

Следовательно, в результате проведенных испытаний было отмечено изменение отношения продольного и поперечного относительного удлинения в образце em/efT при изменении поперечного модуля упругости EfT углеродных волокон фибробетона. Отношение em/efT линейно возрастало с увеличением значения поперечного модуля E углеродных волокон фибробетона. Так как отношение em/efT было экспериментально измерено как 1,32 спектроскопией комбинационного рассеяния, то поперечный модуль углеродных волокон составил 10,4 ГПа [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате исследования было выяснено, что трансверсальные модули упругости углеродных волокон были намного меньше продольного модуля упругости углеродных волокон фибробетона.

После 20 циклов замораживания-оттаивания рассмотрение зависимости относительной продольной деформации напряжения показало, что деформация фибробетона на углепластике с продольным плетением нитей ниже, что деформация фибробетона с поперечным плетением нитей. Следовательно, повышение морозостойкости обеспечит фибробетон с углепластиком, в котором реализовано продольное плетение нитей [7].

Влияние элементов структуры соотносятся таким образом: углепластик, который был составлен с продольным плетением нитей, имеет значительно больший модуль Юнга и прочностные характеристики по сравнению с образцом с поперечным плетением углеродных нитей. Прочность на растяжение и на сжатие углепластиков значительно меньше, по сравнению с образцами с поперечным плетением нитей [8-9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Стойкость фибробетона к температурным перепадам является его главным преимуществом для возведения зданий в климатически различных регионах. Фибробетон является морозо- и влагостойким. Ещё одна особенность заключается в том, что фибробетон легче обычного армированного бетона, что оказывает важное влияние на вес конструкции и, соответственно, нагрузку на фундамент [10].

Таким образом, необходимо заключить, что углепластики, также называемые — карбопластики или углеродопластики, отличаются высокими значениями усталостной прочности, жесткости, радиационной стойкости; низкой плотностью, ползучестью; низкими значениями коэффициента линейного расширения и др. [11]. Следовательно, углепластики находят широкое применение в различных сферах человеческой деятельности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Черепанова Е.Е., Полетаева Е.С. Новшества в строительстве: фибробетон // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. 2013. С. 42-46.

2. Окольникова Г.Э., Белов А.П., Слинькова Е.В. Анализ свойств различных видов фибробетонов // Системные технологии. 2018. №1 (26). С. 206-210.

3. Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.В. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. — М., Стройиздат, 2004. — 144 с.

4. Донецкий К. И., Коган Д. И., Хрульков А. В. Свойства полимерных композиционных материалов, изготовленных на основе плетеных преформ // Труды ВИАМ. — 2014. — № 3. — С. 17-23

5. Алексеев К.Н., Курилко А.С. Влияние циклов замораживания-оттаивания на прочностные характеристики мелкозернистого бетона дисперсно-армированного базальтовой фиброй // ГИАБ. 2018. №11. С. 56-62.

6. Miyagawa, Hiroaki & Sato, Chiaki & Mase, Thomas & Drown, Edward & Drzal, Lawrence & Ikegami, Kozo. (2005). Transverse elastic modulus of carbon fibers measured by Raman spectroscopy. Materials Science and Engineering A. 412. 88-92. 10.1016/j.msea.2005.08.037.

7. Каблов Е.Н., Гуняев Г.М., Ильченко С.И., Кривонос В.В., Румянцев А.Ф., Кавун Т.Н., Комарова О.А., Пономарев А.Н., Деев И.С., Алексашин В.М. Конструкционные углепластики с повышенной проводимостью // Авиационные материалы и технологии. 2004. №2. С. 25-36.

8. Манхиров В.Н., Номоев А.В., Сызранцев В.В., Аюрова О.Ж. Углепластики: технология получения и определение механических характеристик // Вестник БГУ Химия. Физика. 2019. №2-3. С. 12-19.

9. Клюев С.В. Усиление строительных конструкций композитами на основе углеволокна: монография / С.В. Клюев, А.В. Клюев, Р.В. Лесовик. — Lambert, 2011. — 123 с.

10. Гилёв С. С., Шешенин С. В. Сравнение формул для эффективного модуля упругости волокнистого композитного слоя в поперечном направлении // Вестник Московского университета. Серия 1. Математика. Механика. 2014. №3. С. 62-65.

11. Цветков С.В. Нелинейные определяющие соотношения для трансверсально-изотропных материалов классов симметрии с^ и с^Ь // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2019. №3 (84). С. 46-59.

12. Galina Okolnikova, Lina Abass Saad, Majeed M. Haidar, Fouad adnan noman Abdullah Al-shaibani. Compressive strength of lightweight expanded polystyrene basalt fiber concrete. MATEC Web of Conferences Volume 329, 04010 (2020) International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment: Mechanical Engineering and Materials Science (ICMTMTE 2020). https://doi.org/10.1051/matecconf/202032904010

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Г.Э. Окольникова, М. Курлин, М. Йочич. Способы повышения морозостойкости железобетонных конструкций из высокопрочного фибробетона. — Системные технологии. — 2021. — № 38. — С. 89—93.

METHODS FOR INCREASING FROST RESISTANCE OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES MADE OF HIGH-STRENGTH FIBER-REINFORCED CONCRETE

О

z

H Û

G.E. Okolnikova, M.Kurlin, M. Yochich RUDN University

Key words.

fiber concrete, carbon fiber reinforced

plastic, deformation tests, composite

materials, frost resistance.

Date of receipt in edition: 19.02.21

Date o f acceptance for printing:

22.02.21

Abstract.

The most effective method of strengthening buildings and structures, including increasing frost resistance, are composite materials. These systems are characterized by low weight and size, resistance to aggressive environments and relative ease of use. An increase in frost resistance of reinforced concrete structures will ensure the use of carbon fiber as a fiber for high-strength fiber-reinforced concrete. CFRPs are composites that contain carbon fibers as a filler. They represent a relatively new class of polymer composite materials (PCMs), are characterized by unique properties, and are widely used in many fields.

The research method is comparative and analytical. The article is devoted to a review of studies aimed at increasing the frost resistance of reinforced concrete structures using polymer composite materials (in particular, the use of carbon fiber as a fiber for fiber-reinforced concrete). Including the advantages of using CFRP to improve frost resistance of reinforced concrete structures on the basis of experimental data.

у

О

J I I

о

<û ю о m (U

ç

(U

S

s

H

и о ¡e

12

d m

> 2 * £

z i

< £ S *

О <u

* 3

x u

.û о

ç ■=

О 3

* ю

° 13 « g

L. U