CC BY
41СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА œNSTRUCTION А^ АRCHITECTURE
УДК 691-4
doi: 10.52470/2619046Х_2022_3_5
УСИЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ МАТЕРИАЛАМИ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
Е.К. Салатов
Аннотация. В работе показаны особенности применения новых инновационных материалов с эффектом памяти формы для усиления бетонных конструкций зданий и сооружений. Эта эффективная технология, позволяет восстановить или существенно повысить несущую способность строительных конструкций.
Ключевые слова: «умные» («интеллектуальные») материалы, сплав с эффектом памяти формы (ЭПФ), сплав ЭПФ на основе железа, железобетонные конструкции, усиление.
STRENGTHENING BUILDING STRUCTURES WITH SHAPE MEMORY MATERIALS
E.K. Salatov
Abstract. This paper shows the features of the use of new innovative materials with a shape memory effect for strengthening concrete structures of buildings and structures. This is an effective technology that allows you to restore or significantly increase the bearing capacity of building structures.
Keywords: «smart» materials, shape memory alloy (SMA), Fe-SMA, concrete structures, structural strengthening.
Сплавы с «эффектом памяти формы» (ЭПФ) после деформации восстанавливают свою первоначальную форму при нагреве - материалы с обратимыми изменениями формы относятся к новому поколению конструкционных материалов, которые получили название «умные» или «интеллектуальные» материалы («smart» materials). Изменение свойств такого «умного» материала является обратимым и может повторяться много раз.
Элемент из сплава с ЭПФ фиксируют в исходной форме, которую он «запоминает», затем подвергают нагреву. Эффект памяти формы основан на превращении двух различных кристаллических структур. В процессе температурного воздействия образуется неупругая твердая высокотемпературная фаза сплава - аустенит. При последующем охлаждении образца формируется упругая, легко деформируемая низкотемпературная фаза - мартенсит. При последующей деформации и нагреве атомы сплава образуют аустенитную решетку, и форма элемента восстанавливается. Такое превращение называют термоупругим мартенситным
превращением, или переходом мартенсит-аустенит и обратно. Мартенситное превращение (МП), которое происходит из высокотемпературного в низкотемпературное состояние (при охлаждении), называется прямым МП, а при нагреве - обратным МП.
Сплавы с ЭПФ имеют высокие механические свойства, обладают повышенной демпфирующей способностью, а также нетривиальными функциональными свойствами, которые можно использовать для повышения эксплуатационных свойств и ресурса под нагрузкой.
Наиболее известным в России сплавом с ЭПФ является никелево-титановый сплав нитинол (TiNi - никелид титана). Нитинол, который впервые был получен в 1958 г., проявляет значительную величину ЭПФ, обладая при этом высокой прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью.
Уникальные свойства данного сплава обусловливаются термоупругой природой кристаллических превращений. Никелид титана обладает способностью осуществлять переходы из высокотемпературной кристаллической структуры в низкотемпературную при охлаждении и в противоположном порядке - при нагревании. Процентное значение деформации восстановления формы TiNi зависит от компонентного состава сплава, однако максимальное значение составляет 8 %. Предел прочности нитинола колеблется в пределах 770-1100 МПа, что соответствует аналогичным характеристикам большинства сталей. Демпфирующая способность сплава выше, чем у чугуна, при высокой пластичности и возможности «вспоминать» форму до миллиона раз.
При всех своих достоинствах, нитинол, помимо высокой стоимости, имеет еще один существенный недостаток, который не позволяет его применять в строительстве, например в качестве арматуры. Все дело в том, что для того, чтобы сплав начал возвращаться к изначальной форме, воздействующая на него температура должна достигать 400°С! Эта температура недопустима для теплочувствительных строительных материалов - бетона и раствора.
Специалисты из Швейцарии в 2009 г. разработали новый вид сплава ЭПФ, который базируется на таких составляющих, как железо, магний и кремний - Fe-SMA. Основное его отличие от предшествующих аналогов на основе никель-титана заключается в том, что для принятия изначальной формы ему нужны температуры не выше 160-190°С, что дает возможность задействовать такой сплав в тандеме с бетоном.
Сплав Fe-SMA, разработанный в Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологии (Empa), имеет состав: Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni-1(V,C). Он обладает отличной памятью формы под влиянием нагрева до 160°C или выше. Этот эффект памяти формы наделяет Fe-SMA уникальным свойством - способностью к самопредварительному напряжению, которая может быть использована в гражданском и промышленном строительстве.
В отличии от нитинола, который трудно производить в больших объемах из-за сложного металлургического процесса, изделия из сплава Fe-SMA можно массово выпускать на обычном металлургическом оборудовании. Кроме того, Fe-SMA значительно дешевле из-за более низкой стоимости сырья и обладает более высокой коррозиостойкостью в атмосферных условиях. Коррозионная стойкость Fe-SMA близка к нержавеющей стали за счет добавления элементов никеля и хрома.
Совершенствованием сплавов ЭПФ на основе железа - «memory-steel» (Fe-SMA), на базе запатентованных разработок Empa, и представлением их на мировом рынке, занимается швейцарская компания re-fer AG, основанная в 2012 г. Она является ведущей в мире компанией по армированию строительных конструкций элементами из сплава Fe-SMA. Надежные и простые в установке системы используются для последующего усиления эксплуатируемых железобетонных конструкций, а также в новом строительстве. Впервые сплав Fe-SMA применили в мае 2017 г. при усилении железобетонных конструкций на складе столярных изделий в Швейцарии. На данный момент компания re-fer AG уже реализовала более 200 проектов с использованием элементов из Fe-SMA.
25 30 35 Деформация, %
Рисунок 1. Сравнительная диаграмма деформирования сплава Fe-SMA и традиционных конструкционных материалов
Диаграмма деформирования сплава Fe-SMA по сравнению с различными материалами, такими как, конструкционная сталь (например, S355 и S275) и композитным углепластиком с нормальным модулем упругости, показана на рисунке 1.
Поскольку Fe-SMA не имеет площадки текучести, напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2 %, считается допустимым эквивалентом предела текучести (условным пределом текучести).
В таблице 1 представлены для сравнения основные технические характеристики сплавов ЭПФ на основе железа, никелида титана и конструкционной углеродистой стали (таблица 1).
Таблица 1
Материал ¥в-ШЛ Нитинол СтЗсп
Мартенсит Аустенит
Масса, кг/м3 7300-7500 6450-6500 7850
Модуль упругости, ГПа 165-170 28-41 83 200
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м град) 8,4 8,6-10 18 55
Коэффициент теплового расширения, (х10-6) 0С-1 16,5 6,6 11 12,6
Коэффициент Пуассона 0,359 0,33 0,3
Самый наглядный и впечатляющий пример применения сплава Fe-SMA - это предна-пряжение балочных мостовых конструкций. В бетонную балку вводится материал усиления в виде стержней из ЭПФ улучшенной версии. Это служит альтернативой стандартной системе предварительного напряжения железобетонных изгибаемых конструкций. При воздействии температурой Fe-SMA сплав внутри бетонной балки возвращается к своей изначальной форме, этим самым преднапрягая бетон конструкции (рисунок 2).
Рисунок 2. Схема предварительного напряжения бетона с использованием арматуры из Fe-SMA:
а) исходный элемент из Fe-SMA с длиной Ьо;
б) предварительно растянутый элемент из Fe-SMA с длиной Ьёв/;
в) нагрев элемента из Fe-SMA при помощи электрического тока; г) сжимающее усилие преднапряжения передается на бетон
Уровень предварительной деформации 2-4 % является оптимальным диапазоном для достижения напряжения восстановления 300-450 МПа при температуре активации не более 160°С.
Арматура Fe-SMA может использоваться для усиления существующих конструкций, а также для новых монолитных элементов на строительных площадках или на заводах ЖБИ для сборного железобетона. Для замены существующих конструктивных решений в строительной отрасли могут быть применены новые конструкционные элементы с применением гладких и ребристых арматурных стержней, полос или проволок из Fe-SMA.
Имеются несколько перспективных направлений в строительстве, в которых использование Fe-SMA, имеет большой потенциал:
- реконструкция и усиление старых конструкций, в том числе - на объектах культурного наследия, что может восстановить несущую способность и продлить срок службы существующих зданий;
- конструкции с особыми требованиями к геометрии, которые имеют ограничения, не позволяющие изготавливать железобетонные конструкции с инновационными формами, так как традиционно применяемое гидравлическое предварительное напряжение вызывает значительное трение на сильно изогнутых поверхностях (например, оболочек).
Сдерживающими факторами расширения применения материалов с ЭПФ (Fe-SMA) в строительстве можно считать отсутствие нормативной базы и специальных руководств по проектированию, а также недостаточный объем исследований в этом направлении. Несмотря на уникальные свойства сплавов ЭПФ, на сегодняшний день в строительном проектировании и производстве отсутствуют стандартизированные методики расчета и технологии их применения.
Таким образом, использование Fe-SMA при усилении строительных конструкций вместо традиционных способов усиления должно принести к восстановлению или повышению несущей способности и увеличению их надежности.
Библиографический список
1. Андронов И.Н., ТерентъеваМ.В. Проектировочный расчет упрочнения резервуаров сжиженного природного газа путем армирования стержнями из материалов с памятью // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2017. № 6.
2. Czaderski C., Weber B., Shahverdi M., Motavalli M., Leinenbach C., Lee W., Bronnimann R., Michels J. Iron-based shape memory alloys (Fe-SMA) - a new material for prestressing concrete structures. URL: https://www.researchgate.net/publication/281744248_Iron-based_shape_memory_alloys_Fe-SMA_-_a_new_material_for_prestressing_concrete_structures (дата обращения: 23.06.2022).
3. Shahverdi M., Raza S., Ghafoori E., Czaderski C., Michels J., Motavalli M. Recent advancements in development and application of an iron-based shape memory alloy at Empa. URL: https://www.re-searchgate net/publication/310844672JRON-BASED_SHAPE_MEMORY_ALLOYS_REINFORCE-MENT_FOR_STRENGTHENING_OF_CONCRETE_STRUCTURES (дата обращения: 23.06.2022).
4. Zhang Z.-X., Zhang J., Wu H., Ji.Y., Kumar D.D. Iron-Based Shape Memory Alloys in Construction: Research, Applications and Opportunities // Materials 2022, 15, 1723.
Е.К. Салатов
кандидат технических наук
доцент кафедры «Здания и сооружения на транспорте»
Российская открытая академия транспорта
Российского университета транспорта (МИИТ), г. Москва
E-mail: e.salatov@mail.ru
