CC BY
4
УДК 624.07: 691.32
doi: 10.55287/22275398_2023_2_93
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ВНЕШНЕГО АРМИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Г. Э. Окольникова * / ** К. П. Куликова* М. И. Бочукова* Е. О. Краюшкина*
* Российский университет дружбы народов (РУДН), г. Москва
** Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
О
г
м О
Ключевые слова
композитные материалы, армирование волокон, углепластик, полимеры, балка-колонна
Аннотация
Вопрос модернизации существующей гражданской инженерной инфраструктуры является одним из самых важных на протяжении более десяти лет. Износ настилов мостов, балок, прогонов и колонн, зданий, парковочных сооружений и других элементов может быть обусловлен старением вызванной воздействием окружающей среды, плохим первоначальным проектированием и строительством, отсутствием технического обслуживания и случайными событиями, такими как землетрясения. Растущий упадок инфраструктуры часто сочетается с необходимостью модернизации, с тем чтобы конструкции могли соответствовать более строгим проектным требованиям,
и, следовательно, аспекту обновления гражданской инженерной инфраструктуры в последние несколько лет уделялось значительное внимание во всем мире. В то же время сейсмическая модернизация стала, по крайней мере, не менее важной, особенно в районах с высоким сейсмическим риском.
В этой статье дается обзор основных областей применения композитных материалов в качестве внешней арматуры бетонных конструкций. Целью данной работы является охват основных аспектов упрочнения композитами.
Дата поступления в редакцию
16.01.2023
Дата принятия к печати
20.01.2023
Железобетонные конструкции часто подвергаются сильным импульсным нагрузкам при ударной волне, взрыве и прямого удара. Многие инциденты, связанные с забастовками и взрывами, наносят значительный структурный ущерб, что приводит к огромным экономическим потерям, а иногда и к гибели многих людей.
к
I
га
■ й
сь о * £
< га
§ 2
* <и
И ^ 1
зс и
= I
* £ £ *
§1 * а
5 С
Л н
и
0
1 .0
га >
<
л
с;
о *
о т
В прошлом значительное повреждение конструкции или конструктивных элементов означало, что строительные конструкции либо были разрушены, либо полностью заброшены, в зависимости от степени разрушения и того, насколько они важны как социальный объект. В то же время возникла идея усиления для того, чтобы поддерживать и ремонтировать существующие конструктивные элементы, которые можно было бы вовремя сохранить без полного разрушения конструкции, тем самым экономя время и не причиняя неудобств пользователю [1 - 4].
Преимущество укрепления бетонных конструкций с помощью системы внешнего армирования заключается в том, что это можно сделать по разумной цене и в кратчайшие сроки, не создавая ненужных препятствий и задержек в повседневной деятельности. В последнее время большое количество исследований было посвящено разработке мер по смягчению ущерба зданиям и, следовательно, предотвращению серьезных травм людям в случае удара и взрыва. За прошедшие годы были разработаны методы модернизации — от ударно-взрывного усиления с добавлением массы с использованием бетона или стали до использования более легких и эластичных материалов, а также методов усиления существующих конструкций промышленных предприятий, построенных в середине 20 века [5 - 8]. Традиционные методы модернизации строительных конструкций иногда трудны в реализации и отнимают много времени. Многочисленные исследования в области новых строительных материалов показывают, что методы, которые придают конструкциям пластичность, а не придают прочность за счет добавления массы, могут быть более эффективными. Методы усиления и модернизации железобетонных конструкций должны быть способны адаптироваться к различным существующим условиям, легко транспортируемы и экономически эффективны, обеспечивая при этом адекватную ударопрочность и взрывозащищенность [9 - 12].
Последние разработки, связанные с материалами, методами и приемами для конструкционного усилия были огромны. Одним из современных методов является использование полимерных композитов, армированных волокнами, которые в настоящее время рассматриваются инженерами-строителями как «новые» и весьма перспективные материалы в строительной отрасли. Композитные материалы для усиления строительных конструкций сегодня доступны в основном в виде:
1. Тонкие однонаправленные полоски (толщиной порядка 1 мм), изготовленные методом пултрузии;
2. Гибкие листы изготовленные из волокон в одном или, по крайней мере, двух разных направлениях.
Причины, по которым композиты все чаще используются в качестве упрочняющих материалов железобетонных элементов, можно резюмировать следующим образом: устойчивость к коррозии, малый вес (около /4 из стали), что облегчает применение в ограниченном пространстве, снижает трудозатраты, очень высокая прочность на растяжение; жесткость, которая может быть адаптирована к требованиям конструкции; большая деформационная способность и практически неограниченная наличие в размерах и геометрии. Композиты также страдают определенными недостатками, которыми инженерам не следует пренебрегать: в отличие от стали, которая ведет себя упруго пластично, композиты в целом обладают линейной эластичностью до разрушения без какой-либо значительной текучести или пластической деформации, приводящей к снижению пластичности. Кроме того, стоимость материалов в пересчете на вес в несколько раз выше, чем у стали.
Некоторые стеклопластиковые материалы, например углерод и арамид, имеют несовместимые с бетоном коэффициенты теплового расширения. Наконец, воздействие на них высоких температур
может привести к преждевременному разрушению (некоторые эпоксидные смолы начинают размягчаться примерно при 45 - 70 °С). Следовательно, материалы не следует рассматривать как слепую замену стали при вмешательстве в конструкцию. Вместо этого следует оценить предлагаемые ими преимущества с учетом потенциальных недостатков и принять окончательные решения относительно их использования должно основываться на учете нескольких факторов, включая не только аспекты механических характеристик, но и конструктивность и долговременную долговечность.
Композиты нашли свое применение в качестве упрочняющих материалов для железобетона. Например, одним из популярных методов модернизации элементов традиционно является использование стальных пластин, скрепленных эпоксидной смолой к внешним поверхностям балок и перекрытий. Этот метод прост и эффективен как с точки зрения стоимости, так и с точки зрения механических характеристик, но имеет ряд недостатков: коррозия стальных пластин, приводящая к ухудшению сцепления, сложность манипулирования тяжелыми стальными пластинами на труднодоступных строительных площадках, и ограничение доступной длины пластин, что приводит к необходимости в соединениях [14].
Выбор материалов для различных систем усиления является важным процессом. Каждая система уникальна в том смысле, что волокна и компоненты смолы соединены таким образом, чтобы работать вместе. Это означает, что полимерная основа для одной упрочняющей системы автоматически не будет работать должным образом для другой. Кроме того, полимерная основа для волокон не обязательно обеспечит хорошее сцепление с бетоном. Это означает, что при укреплении стеклопластика должны использоваться только системы, которые были протестированы и применены в полном масштабе на железобетонных конструкциях.
На сегодняшний день существует несколько типов систем усиления стеклопластиком:
1. Системы мокрой укладки;
2. Системы на основе сборных элементов;
3. Специальные системы, например, автоматическая упаковка, предварительное натяжение и т. д.
Эти системы принадлежат нескольким производителям и поставщикам и основаны на различных конфигурациях, типах волокон, клеях и т. д. Кроме того, пригодность каждой системы зависит от типа конструкции, которая должна быть укреплена. Например, готовые полосы, как правило, лучше всего подходят для плоских и прямых поверхностей, в то время как листы или ткани более гибкие и могут использоваться как для плоских, так и для выпуклых поверхностей. Автоматическая упаковка может быть предпочтительнее в тех случаях, когда необходимо укрепить много колонн на одном и том же участке.
Практическое исполнение и условия нанесения, например, чистота и температура, очень важны для достижения хорошего сцепления. Неподготовленная поверхность никогда не обеспечит хорошего сцепления.
Во время отверждения клеи подвергаются химическому процессу, для которого требуется температура выше 10 °С. Если температура падает, процесс отверждения затягивается.
Одним из материалов для упрочнения стеклопластика является клей. Назначение клея — обеспечить траекторию сдвиговой нагрузки между бетонной поверхностью и композитным материалом, чтобы обеспечить полное сцепление композита. В зависимости от требований применения клей может содержать наполнители, размягчающие включения, упрочняющие добавки и другие.
При использовании эпоксидных клеев необходимо учитывать две различные временные концепции: срок годности и время вскрытия. Другим важным параметром, который следует учитывать,
03
г
м О
-I
м
Э СО
к
I
га
■ й
сь о
* £
< га
§ 2
* <и
И ^ 1
зс и
= I
* £ £ *
§1 * а
5 С
Л н
и
0
1 .0
га >
<
л
с;
о *
о т
является температура стеклования. Большинство синтетических клеев основаны на полимерных материалах, и как таковые они проявляют свойства, характерные для полимеров. При определенной температуре полимеры превращаются из относительно твердых, эластичных, стеклообразных в относительно эластичные материалы. Этот температурный уровень определяется как температура стеклования и различен для разных полимеров.
Эпоксидные клеи обладают рядом преимуществ перед другими полимерами в качестве адгезивных агентов для использования в гражданском строительстве, а именно:
1. Высокая поверхностная активность и хорошие смачивающие свойства для различных субстратов;
2. Может быть составлен таким образом, чтобы иметь длительное время работы;
3. Высокая прочность сцепления при отверждении, разрушение соединения может быть обусловлено прочностью сцепления;
4. Может быть упрочнен за счет включения дисперсной каучуковой фазы;
5. Отсутствие побочных продуктов реакции отверждения сводит к минимуму усадку и позволяет склеивать большие площади только контактным давлением;
6. Низкая усадка по сравнению с полиэфирными, акриловыми и виниловыми материалами;
7. Низкая ползучесть и превосходное сохранение прочности при длительной нагрузке;
8. Может быть выполнен тиксотропным для нанесения на вертикальные поверхности;
9. Возможность размещения неровных или толстых линий склеивания [15].
Матрица для конструкционного композитного материала может быть либо термореактивного типа, либо термопластичного, причем первый тип является наиболее распространенным. Функция матрицы заключается в защите волокон от истирания или коррозии окружающей среды, связывании волокон вместе и распределении нагрузки. Матрица оказывает сильное влияние на несколько механических свойств композита, таких как модуль упругости в поперечном направлении и прочность, свойства при сдвиге и свойства при сжатии. Физические и химические характеристики матрицы, такие как температура плавления или отверждения, вязкость и способность вступать в реакцию с волокнами влияют на выбор процесса изготовления. Следовательно, правильный выбор материала матрицы для композитной системы требует учета всех этих факторов [16].
Эпоксидные смолы, полиэфир и винил эфир являются наиболее распространенными полимерными матричными материалами, используемыми с высокоэффективными армирующими волокнами. Это термореактивные полимеры с хорошей технологичностью и хорошей химической стойкостью. Эпоксидные смолы, как правило, обладают лучшими механическими свойствами свойства, отличные от полиэфиров и винил эфиров, и выдающаяся долговечность, в то время как полиэфиры и винил эфиры дешевле.
Существует три типа волокон, которые используются для укрепления строительных конструкций, а именно стеклянные, арамидные и углеродные волокна. Физический и механические свойства могут сильно различаться для различных типов волокон.
Стекловолокна для непрерывного армирования волокон подразделяются на три типа: E-стекловолокна, S-стекловолокна и устойчивые к щелочам AR-стекловолокна. Волокна S-стекло-волокна прочнее и жестче, чем E-стекловолокна, но все же не устойчивы к воздействию щелочей. Чтобы предотвратить разрушение стекловолокна цементно-щелочным раствором, в него добавляют значительное количество циркона. Важным аспектом стекловолокна является его низкая стоимость [17].
Арамидные волокна были впервые представлены в 1971 году, и сегодня выпускаются несколькими производителями под различными торговыми марками. Структура арамидного волокна анизотропна и обеспечивает более высокую прочность и модуль упругости в продольном направлении волокна. Диаметр арамидного волокна составляет приблизительно 12 мкм. Арамидные волокна эластично реагируют на растяжение, но они проявляют нелинейные и пластичные свойства при сжатии; они также обладают хорошей ударной вязкостью, устойчивостью к повреждениям и усталостными характеристиками [18].
Углеродные волокна обычно изготавливаются либо на основе смолы, либо на основе полиа-крилонитрила в качестве сырья. Пековые волокна изготавливаются с использованием очищенного нефтяного или угольного пека, который пропускается через тонкую насадку и стабилизируется нагреванием. Волокна полиакрилонитрила изготавливаются из полиакрилонитрила, который обугливается при обжиге. Диаметр волокон типа пека составляет приблизительно 9 - 18 мкм.
Углеродные волокна на основе смолы являются материалами общего назначения с высокой прочностью и эластичностью. Из углеродных волокон получаются материалы с высокой прочностью и эластичностью. Материалы с волокнами состоят из большого количества мелких, непрерывных, ориентированных неметаллических волокон с улучшенными характеристиками, соединенных в полимерную матрицу [19].
Существуют различные способы установки системы армирования композитными материалами. Они могут быть подразделены на системы «мокрой укладки» и «сборные» системы. Далее дается обзор различных форм этих систем:
1. Лист из сухого однонаправленного волокна ткани, где волокна проходят преимущественно в одном направлении, частично или полностью покрывая конструктивный элемент. Для укладки на бетонную поверхность требуется пропитка смолой, обычно после нанесения грунтовки. Для нанесения ткани можно использовать два различных процесса:
а) ткань можно наносить непосредственно на смолу, которая была равномерно нанесена на бетонную поверхность.
б) ткань может быть пропитана смолой в сатураторной машине, а затем нанесена влажной на подготовленную основу.
2. Сухая разнонаправленная ткань, в которой волокна идут в двух направлениях. Для монтажа требуется пропитка смолой. Ткань наносится с использованием одного из двух процессов, описанных выше.
3. Предварительно пропитанный смолой неотвержденный однонаправленный лист или ткань, по которым проходят волокна преимущественно в одном направлении. Установка может производиться как с дополнительной смолой, так и без нее.
4. Предварительно пропитанный смолой неотвержденный разнонаправленный лист или ткань, волокна в которых проходят преимущественно в двух направлениях. Установка может производиться как с дополнительной смолой, так и без нее.
5. Сухие волокнистые жгуты (раскрученные пучки непрерывных волокон), которые наматываются или иным механическим способом укладываются на бетонную поверхность. Во время намотки на волокно наносится смола.
6. Предварительно пропитанные волокнистые жгуты, которые наматываются или иным механическим способом укладываются на бетонную поверхность. Установка изделия может выполняться как с дополнительной смолой, так и без нее [20].
03
г
м О
-I
м
Э СО
к
I
га
■ й
сь о
* £
< га
§ 2
* <и
И ^ 1
зс и
= I
* £ £ *
§1
* а
5 С
х л
£ "
^ о
° 5 о 5
* ! I- <
Заключение
Основная технология упрочнения стеклопластиком, которая применяется наиболее широко, включает ручное нанесение либо мокрой укладки, либо сборных систем с помощью клея холодного отверждения. Общим для этого метода является то, что внешняя арматура приклеивается к бетонной поверхности волокнами параллельно направлению основных растягивающих напряжений [21 - 22].
В некоторых случаях может оказаться выгодным приклеивать внешнюю арматуру из стеклопластика к бетонной поверхности в предварительно напряженном состоянии. Как лабораторные, так и аналитические исследования показывают [23], что предварительное напряжение представляет собой значительный вклад в развитие технологии упрочнения полимера, и были разработаны методы предварительного напряжения композитов армированный волокнами полимер в реальных условиях эксплуатации.
Библиографический список
1. Лю Т., Кан Т. и Сяо У. Численное моделирование RC-балок, усиленных углепластиком, при ударной нагрузке, Конгресс структур, 2016.
2. Паламарчук А. А., Шишакина О. А., Кочуров Д. В. и Аракелян А. Г. Полимербетон—перспективный строительный материал Международный студенческий научный вестник, 2016. — 144 - 148 с.
3. Альмусаллам Т. Х., Эльсанадеди Х. М. и Аль-Саллум У. А. Влияние продольного соотношения стали на поведение RC-балок, усиленных композитами FRP, Экспериментальный и FE-исследо-вательский журнал Composites for Construction, 2015.
4. Альмусаллам Т., Аль-Саллум У, Эльсанадеди Х. М. и Альшенави А. Поведение усиленных FRP RC-балок с большими прямоугольными отверстиями в перемычках в зонах изгиба: Экспериментальное и численное исследование Международный журнал бетонных конструкций и материалов, 2018.
5. Хелал К., Хавиле Р. А., Абдалла Дж. А. и Йехия С. Эксплуатационные характеристики композитных конструкций из предварительно нагруженных углепластиковых балок, усиленных фибробетоном, 2020.
6. Хелал К., Хавиле Р. А., Абдалла Дж. А. и Йехия С. Влияние добавления волокна на эксплуатационные характеристики предварительно нагруженных углепластиковых железобетонных балок, 2017.
7. Комаров А. К., Иванов И. А. и Лунденбазар Б. Теория и практика использования габионов для формирования защитных конструкций Известия университетов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость, 2019. — 78- 89 с.
8. Роутрей С. Поведение при сдвиге т-образных балок. Департамент гражданского строительства Национального технологического института, 2015.
9. Кастильо Э., Смит С. Т., Гриффит М. К. и Каниткар Р. Подход к проектированию шиповых анкеров из стеклопластика в усиленных стеклопластиком RC-конструкциях Композитные конструкции, 2019. — 214 с.
10. Макфарлейн Э. Р. Предложил методологию проектирования полимерных анкеров-шипов, армированных углеродным волокном, в железобетон, Управление сейсмической опасности и снижения рисков Лос-Аламосской национальной лаборатории, 2017.
11. Ли В., Лю В., и Син Ф. Экспериментальное исследование соединений стеклопластика с бетоном с помощью анкерной системы из листового стеклопластика Hindawi Advances in Materials Science and Engineering, 2020. — 13 с.
12. Эльсанадеди Х. М., Аль-Саллюм У А., Аль-Захери З. М., Альсайед С. Х. и Аббас Х. Особенности поведения и конструкции стен URM, усиленных стеклопластиком, при внеплоскостном нагружении ASCE Journal of Composites for Construction, 2016.
13. Шехаб Х. К., Эйса А. С. и Эль-Авади К. А. Усиление вырезов в существующих односторонних перекрытиях. Плоские плиты с использованием углепластиковых листов Международный журнал бетонных конструкций и материалов, 2017. — 327 - 341 с.
14. Мейер, У. Ремонт мостов с использованием высокоэффективных композитных материалов. Материал и техника, 2007. — 125 - 128 с.
15. Холлоуэй, Л. К. и Лиминг, М. Б. Усиление железобетонных конструкций с использованием композита с внешней связью в строительном и гражданском строительстве, Издательство «Вудхед Паблишинг», 2009.
16. Агарвал Б. Д. и Броутман Л. Дж. Анализ и эксплуатационные характеристики волокнистого композита, 2010.
17. Вавилова М. И., Кавун Н. С. Свойства и особенности армирующих стеклянных наполнителей, используемых для изготовления конструкционных стеклопластиков. Авиационные материалы и технологии, 2014. — 33 - 37 с.
18. Дориомедов М. С. Рынок арамидного волокна: виды, свойства, применение. Труды ВИАМ, 2020. — 48 - 59 с.
19. Белова Н. А. Композитные материалы на основе углеродных волокон. Молодой ученый, 2015. — 5 - 7 с.
20. СП 164.1325800.2014 Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. ОАО «НИЦ "Строительство"» — НИИЖБ им. А. А. Гвоздева, ЗАО «Триада-Холдинг», ЗАО «ХК "Композит"».
21. Окольникова Г. Э., Зуев С. С., Царева А. Ю. Использование композитных материалов при реконструкции зданий и сооружений. — Системные технологии. — 2020. — № 34. — С. 35 - 38.
22. Люк П. С., Лиминг М. Б. и Скварски А. Дж. Результаты углеродного волокна. Международная конференция по бетонной инженерии, 2008. — 19 - 21 с.
THE RELEVANCE OF THE APPLICATION OF EXTERNAL REINFORCEMENT USING COMPOSITE MATERIALS
G. E. Okolnikova */ ** K. P. Kulikova * M. I. Bochukova * E. O. Krayushkina*
* Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University), Moscow
** Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
и z
H Û -I H
D
CÛ
к s
I
га
■ S
CL О
* Ê S Z
< га
g iE
* <u
n ^ 1
3C u
= i
* S
Î " Si
* a s с x л
^ о 0 ï о 5
* ! L- <
Abstract
The issue of modernization of the existing civil engineering infrastructure has been one of the most important for more than ten years. The wear of bridge decking, beams, girders and columns, buildings, parking structures and other elements can be caused by aging, degradation caused by environmental impact, poor initial design and construction, lack of maintenance and accidental events such as earthquakes. The growing decline of infrastructure is often combined with the need for modernization so that structures can meet more stringent design requirements (for example, an increase in traffic volumes on bridges exceeding the initial design loads), and, consequently, the aspect of updating civil engineering
infrastructure has received significant attention worldwide in the last few years. At the same time, seismic modernization has become at least as important, especially in areas with high seismic risk.
This article provides an overview of the main applications of composite materials as external reinforcement of concrete structures. The purpose of this work is to cover the main aspects of hardening by composites.
The Keywords
composite materials, fiber reinforcement, carbon fiber, polymers, balloon column
Date of receipt in edition
16.01.2023
Date of acceptance for printing
20.01.2023
Ссылка для цитирования:
Г. Э. Окольникова, К. П. Куликова, М. И. Бочукова, Е. О. Краюшкина. Актуальность применения внешнего армирования с использованием композитных материалов. — Системные технологии. — 2023. — № 2 (47). — С. 93 - 100.
