Архитектура и дизайн
Правильная ссылка на статью:
Вахрушева Е.А — Внешнее армирование углеродным волокном как метод усиления строительных конструкций // Архитектура и дизайн. - 2018. - № 3. DOI: 10.7256/2585-7789.2018.3.29873 URL: https;//nbpublish.com'library_read_article.php?id=29873
Внешнее армирование углеродным волокном как метод усиления строительных конструкций
Вахрушева Екатерина Андреевна
Лаборант, ФГАОУВО "Сибирский федеральный университет" 660041, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, пр.Свободный, 82а
И kioretson@gmail.com
Статья из рубрики "Строительство и архитектура"
Аннотация.
В индустриально развитых странах вложение инвестиций в новое строительство и ремонт уже существующих строительных объектов практически сравнялись, поэтому вопросу восстановления несущей способности строительных конструкций необходимо уделить особое внимание. Рассматривается метод усиления строительных конструкций углеродным волокном, как альтернатива традиционному способу. Отмечается, используемые в настоящее время традиционные методы являются трудоемкими и экономически невыгодными, поэтому необходим более современный подход. Для усиления строительных конструкций предлагается к всестороннему изучению инновационный метод - внешнее армирование углеродным волокном. Проводится анализ результатов отечественных исследований, а также опыта строительства с применением системы внешнего армирования углеродными материалами. Делаются выводы о том, что данный метод обладает рядом преимуществ: увеличение несущей способности строительной конструкции без значительного увеличения ее веса, сокращение расходов на ремонт, уменьшение временных и трудовых затрат, увеличение межремонтного периода конструкции, возможность выполнения работ без выведения сооружения из эксплуатации - при этом существует проблема отслаивания клеевого слоя от бетона.
Ключевые слова: реконструкция, усиление, композитные материалы, метод усиления, углеродное волокно, свойства углеродных волокон, усиление железобетонных конструкций, внешнее армирование, усиление углеродными волокнами, внешнее армирование волокном
DOI:
10.7256/2585-7789.2018.3.29873 Дата направления в редакцию:
28-05-2019
Дата рецензирования:
28-05-2019
В современном урбанизированном мире все интенсивнее происходит рост темпов возведения зданий и сооружений, а также увеличивается объем ремонтных работ. В индустриально развитых странах вложение инвестиций в новое строительство и ремонт
уже существующих строительных объектов практически сравнялись -Ш.
Необходимость в усилении строительных конструкций из железобетона возникает в результате реконструкции и технического перевооружения объектов строительства, а также вследствии их физического износа. Причинами физического износа являются воздействия различных непредвиденных факторов, таких как коррозия материалов, нарушение условий эксплуатации, некачественное изготовление конструкций, воздействие агрессивной среды, нарушение правил технологий производства,
сверхнормативные воздействия Влияние всех этих факторов приводит к уменьшению несущей способности элементов сооружений и, как следствие, к снижению их надежности и способности обеспечивать безопасность эксплуатации строительного объекта.
Существующие традиционные методы усиления железобетонных конструкций сравнительно дорогостоящие, трудоемкие и в ряде случаев не обеспечивают выполнение соответствующих работ без выведения сооружения из эксплуатации. Поэтому существует необходимость использования новых технологий и способов усиления, а также современных материалов при реконструкции зданий и сооружений.
Одним из таких методов является внешнее армирование углеродным волокном.
Углеродное волокно является продуктом искусственного происхождения и относится к полимерам с композитной структурой. Формируется из тонких нитей (диаметр от 3 до 15 микрон), а нити, в свою очередь, из атомов углерода, которые объединяются в кристаллическую сетку Из свойств углеродных волокон можно выделить высокий модуль упругости, высокую прочность, низкую плотность, низкий коэффициент трения, а также высокую стойкость к атмосферным осадкам. Кроме высоких прочностных характеристик углеродные волокна хорошо поводят электрический ток и обладают очень низким коэффициентом линейного расширения. Классификация углеродных волокон по
физико-механическим свойствам приведена в таблице 1
Таблица 1 - Классификация углеродных волокон, основанная на физико-механических свойствах
Классификация Прочность на разрыв, МПа Модуль Юнга, ГПа
Высокопрочные 3000 - 7000 200 - 300
Высокомодульные 2000 - 3000 350 - 700
Низкомодульные 500 - 1000 30 - 50
Средней прочности 1000 - 2000 50 - 150
Система внешнего армирования предусматривает усиление строительных конструкций путем внешнего армирования высокопрочными углепластиками. Армирующие пластины создаются путем наклейки соответствующих тканей на отремонтированную поверхность конструкции специальными эпоксидными составами, обеспечивающими надежное сцепление с бетоном. Процесс выполнения работ представлен в схеме 1.
1, Подготовка поверхности
2. Приготовление компонентов
3. Монтаж углеродных материалов
4 Нанесение защитного покрытия
•Разметка конструкции •(>Dira;a от отделочных материалов, загрязнений и цементного молочка
•Раскройка лент согласно проектному решению •Подготовка и смешивание компонентов клея •Нанесение первого сдоя связующего_
•Монтаж первого слоя сязующего •Устранение зон непролитая, устранение излишка клея
•Покрытие усилили полимерным составом •Выполнение далкнвЙПШЙ отделки поверх усиления_
Схема 1 - Производство работ по усилению конструкций методом внешнего армирования
Как видно процесс производства работ является достаточно простым, не требует подключения тяжелой техники, что делает его экономически привлекательным.
В современной инженерно-строительной науке происходит интенсивное изучение железобетонных конструкций, усиленных углеродным волокном.
Так, в работе А.А. Неровных-^ описаны исследования по изучению поведения двух железобетонных балок с различной схемой армирования. Схемы армирования представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема внешнего армирования образцов
В результате работы получены такие результаты: в зависимости от схемы армирования несущая способность балок повышается от 33 до 184 %. Увеличение несущей способности в процентном соотношении представлено в таблице 2.
Таблица 2 - Увеличение несущей способности в зависимости от схемы усиления
Номер схемы усиления 1 2 3 4 5 6 7 8
Процент усиления по отношению к не усиленной балке 64 130 152 184 106 140 33 55
Недостатком данных испытаний можно отметить несоответствие реальным условиям, так как в жизни усилению подвергаются поврежденные конструкции.
Наиболее достоверными можно считать испытания, проводимые при подготовке
диссертации В. В. Гапоновым ^ В них исследовалась реакция увеличиваемой нагрузки балки до появления трещин, после чего балка усиливалась углеродным волокном. В результате исследования выяснено, что порог разрушающей нагрузки, воздействующей на балки, был выше у образцов, усиленных углеволокном. В зависимости от вида усиления эта нагрузка для армированных сеткой образцов составила от 900 до 4200 кг, у образцов без усиления 680-700 кг.
В работе М. Н. Смердова-^ проведено экспериментальное исследование несущей способности железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами, при пониженных и повышенных температурах. В ходе работы отмечено, что при высоких температурах (+90о С) происходит размягчение эпоксидного клея и снижение его прилипания к бетону. При низких температурах (ниже нуля градусов по Цельсию) разрушение происходит путем отслоения клеевого слоя от бетонной поверхности и последующего скалывания защитного слоя рабочей металлической арматуры.
В ЗАО «Композит» было проведено технико-экономическое обоснование эффективности усиления системой внешнего армирования. Объектом исследования являлся мост, расположенный в п. Татищево, Саратовской области. В результате калькуляции себестоимости реконструкции моста было выявлено что при усилении конструкций системой внешнего армирования сметная стоимость составит 756 211,00 руб., при применении традиционного метода - 1 399 054,00 руб. Экономический эффект при использовании современного метода составил около 50 %
Так же к настоящему времени получен практический опыт применения углеродного в олокна в с ис те ме в не шне г о а р миро в а ния .
С использованием данного метода был отремонтирован мост Очаковского путепровода на 50-м км МКАД, поврежденный в результате дорожно-транспортного происшествия. В результате аварии появились трещины в одной из несущих балок. Ее повреждение вызвало коррозию арматуры из-за попадания воды, и, как следствие, недопустимый прогиб конструкции.
Работы по восстановлению несущей способности конструкции моста были проведены с использованием композитных материалов; усиление производилось углеродными лентами.
Работы велись в ночное время, без приостановки движения на ремонтном участке. На выполнение всего объема работ бригадой из 5 человек ушло 15 ночей, на осуществление такого же объема ремонтных работ традиционным методом понадобилось бы несколько месяцев.
К тому же при использовании данного метода вес усиленной конструкции увеличился всего на 211 кг, традиционным же методом вышло бы около 17,2 т дополнительного веса.
Помимо этого, применение системы внешнего армирования углеродными лентами позволило существенно сократить сроки ремонта, увеличить межремонтный период эксплуатации моста до 30 лет (при использовании традиционных материалов
межремонтный период равен пяти годам), и сэкономить на 40% затраты на ремонт
Усиление монолитных железобетонных балок корпуса № 2 Богучанского алюминиевого завода (АО «Русал») произведено в 2015 году. Были выполнены усиление монолитных перекрытий на режимном объекте в географически труднодоступном месте. Работы проводились в сжатые сроки с применением технологии внешнего армирования углепластиковыми ламелями, что позволило компенсировать недостающую несущую способность на 4-х этажах здания с минимальным временем и финансовыми затратами
В 2017 году производилось усиление Северного моста в г. Череповце. Степень изношенности моста составляла 60%, поэтому капитальный ремонт был необходим. В результате ремонта выполнено усиление 32-х мостовых балок пролетного строение моста
с применением системы внешнего армирования
Текущий опыт применения системы внешнего армирования показывает, что он является менее трудозатратам; при производстве работ проявляется экономия как трудовых ресурсов, так и времени. Процесс производства работ не требует выведения объекта из эксплуатации, что позволяет не допустить экономические потери.
Проведённый анализ показывает, что применение внешнего армирования как метода при усилении строительных конструкций, является достаточно эффективным. Несомненным преимуществом в сравнении с традиционными методами являются:
■ увеличение несущей способности строительной конструкции без значительного увеличения ее веса;
■ сокращение расходов на ремонт;
■ уменьшение временных и трудовых затрат;
■ увеличение межремонтного периода конструкции;
■ возможность выполнения работ без выведения сооружения из эксплуатации.
Несмотря на то, что данный метод имеет весомый перечень достоинств, проблема отслаивание клеевого слоя углеродного волокна от бетонной поверхности при воздействии высоких и низких температур все-таки существует, что, несомненно, приведет к снижению приобретенных прочностных характеристик и к разрушению конструкций.
Среди приоритетных перспективных направлений исследований возможностей внешнего
армирования строительных конструкций методом внешнего армирования углеродным волокном, следует выделить решение проблемы отслаивания клеевого слоя от бетона.
Библиография
1. Шилин А. А., Пшеничный В. А., Картузов Д. В. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами. М.: Стройиздат, 2007. 184 с.
2. Гроздов В. Т., Татаренко В. Н. Реконструкция зданий и сооружений, техническое обследование, испытание и усиление строительных конструкций: учеб. пособие для вузов. СПб: ВИТУ, 2004. 114 с.
3. Котлован. Информационная строительная система. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https ://katlavan.ru/chto-takoe/uglevolokno-chto-takoe.html
4. Мелешко А.И., Половников С. П. Углерод. Углеродные волокна. Углеродные композиты. М.: Сайнс-пресс, 2007. 194 с.
5. Неровных А. А. Совершенствование методики оценки грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, усиленных композиционными материалами: автореф. к.т.н. / СибГУПС. Новосибирск, 2013. 24 с.
6. Гапонов В. В. Обоснование и разработка технологии усиления железобетонных конструкций подземных сооружений с использованием композиционных материалов: автореф. дисс. к.т.н. М., 2012. 25 с.
7. Смердов М. Н. Исследование несущей способности железобетонных конструкций гидротехнических зданий и сооружений, усиленных композиционными материалами, с учетом температурных факторов: диссертация ... к.т.н. Екатеринбург, 2015. 135 с.
8. NEWCHEMISTRU.ru. Новые химические технологии. Аналитический портал химической промышленности [Электронный ресурс]. Режим доступа: https ://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id = 7673
9. Нанотехнологический центр композитов [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.nccrussia.com/ru/map-composite/223-remont-mosta-na-mkad.html
10. CARBONWRAP [Электронный ресурс]. URL: arbonwrap.ru/cba-carbonwrap/objects.html
11. Композит. Комплексное усиление несущих конструкций композитными углеродными материалами. Искусство усиления [Электронный ресурс]. URL: http://www.compozit.pro/gallery/62/