CC BY
3УДК 691
Поветкина Л.Ю.
магистрант 3 курса Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (г. Санкт-Петербург, Россия)
УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Аннотация: в статье рассмотрены виды композитных материалов, вариативность их состава и описан процесс усиления композитным материалом железобетонной колонны.
Ключевые слова: усиление, железобетон, колонна, армирование, композитный материал, волокна, матрица.
В связи с прогрессивными темпами строительства экономически развитые страны вынуждены не только создавать новые объекты, но и уделять особое внимание уже существующим зданиям и сооружениям. Растет необходимость восстановления эксплуатационных характеристик конструкции и продления срока службы здания [1]. Также существует необходимость ремонта физически устаревших, морально устаревших зданий или новых зданий с целью изменения функционального назначения для повышения рентабельности, что приводит к реконструкционным работам и капитальному ремонту объектов.
При данных видах работ возникает необходимость усиления существующих конструкций. Глобально методы усиления подразделяются на традиционные (классические) и инновационные (технологичные), также можно выделить метод комбинирования предложенных. Под традиционным методом подразумевается усиление конструкций путем наращивания сечения с использованием стальных элементов (арматуры, анкеров, швеллеров, стальных листов) и бетона.
1889
Инновационный способ предполагает применение композитных материалов. Композит крепится на поверхность конструкции с помощью клеящего состава. Преимуществом такого метода является простота и скорость монтажа материала, а также в большинстве случаев сохранение объемов усиливаемой конструкции и небольшой прирост нагрузки на нижележащие конструкции.
Авторы Мурадян В.А. Загузов А.Д. в своей исследовательской работе [2] произвели сравнение применения двух методов и сделали выводы: стоимость усиления композитными материалами дороже, однако усиление этим метод более экономически эффективно для действующих производств, так как меньше простой предприятия и не требуется предварительная разгрузка конструкции.
Повышенное отношение прочности к весу относительно обычных строительных материалов, таких как бетон и сталь, является одним из наиболее существенных преимуществ композитных материалов. Это означает, что инновационный метод может обеспечить такую же прочность и долговечность, как при традиционном методе усиления, но при меньших затратах материала, что приводит к созданию более легких и эффективных конструкций.
Классификация композитных материалов по структуре представлена в таблице 1.
Таблица 1. Структура композитных материалов.
Получаемый композит Форма наполнителя Параметры наполнителя
слоистый пластины, ленты, плиты -
волокнистый волокна, нитевидные кристаллы
упрочненный частицами частицы (20-25%) размер больше 1 мкм
дисперсно-упрочненный частицы (1-15%) размер менее 0,1 мкм
нанокомпозит частицы размер 10-100 нм
1890
По материалу матрицы композитные материалы подразделяются на металлические, полимерные, керамические [3], а также гибридные - получаемые комбинированием нескольких материалов (рисунок 1).
Рисунок 1. Классификация по виду матрицы.
Также матрицы делятся на термореактивные - при нагревании подвергаются необратимой химической реакции и становятся неплавкими, и термопластичные - при нагревании плавятся, а при охлаждении твердеют множество раз. Термореактивные матрицы чаще применяются при усилении конструкций, так как обеспечивают высокую прочность и термостойкость, обладают хорошей адгезией к наполнителям и обеспечивают долговечность и стабильность конструкции за счет неплавкости.
Самый распространенный вид матриц - полимерные (таблица 2), так как они в большинстве своем дешевле, гибки в применении, обладают химической стойкостью, водо- и атмосферостойкостью [7]. Металлические и керамические матрицы применяются в более узких областях.
1891
Таблица 2. Физико-механические свойства термореактивных полимерных
матриц.
Свойство Полиэфиры Эпоксиды Фенолоформальдегидные полимеры Полиимиды
Плотность, кг/м3 1240-1440 1110-1390 1380-1940 1400
Прочность, МПа 55-96 28-90 34-48 83-207
Модуль упругости, ГПа 2,1 0,69-3,45 6,9-9,7 3,45-4,14
Предельная деформация, % 5-300 3-50 - 2-12
Прочность при ударе, Дж/см 2,72 1,09-5,44 1,63-199 13,6
Теплопроводность 2,1-1,7 0,10-0,25 0,17-0,22 2,2
Коэффициент линейного теплового расширения, 106, 1/град 40-80 10-20 15-22 20-40
Температура размягчения, °С 50-60 40-260 130-195 260-320
Адсорбция воды за 24 ч, % 0,08-0,09 0,08-0,15 0,30-0,60 0,30-0,50
Существует множество видов волокон, которые можно классифицировать по материалу изготовления: стеклянные, арамидные, полиэтиленовые, углеродные, никалоновые, борные и др., на рисунке 2 представлены самые распространенные в использовании материалы.
1892
Рисунок 2. Классификация по виду волокон.
Для каждой системы усиления подбираются нужное количество слоев, плотность укладки материала исходя требуемого значения усиления. Композитные материалы являются уникальными в своем роде, так как позволяют, комбинируя матрицу и наполнитель, создавать новые материалы с особыми характеристиками.
Свойства материала зависят от характеристик используемых волокон (таких как их прочность, модуль упругости, предельное удлинение, плотность) (таблица 3), свойств матрицы (прочность, модуль упругости, предельная деформация, плотность, теплопроводность, температура размягчения) и типа укладки материала [4].
Таблица 3. Физико-механические свойства волокон.
Вид Модуль упругости, Е, (ГПа) Прочность при растяжении, Rt (МПа) Предельное удлинение, 5 (%) Плотность, р, (кг/м3)
Углерод (ВП) 200-250 3400-3900 1,5-2,5 1750-1950
Углерод (ВМ) 300-700 2900-4000 0,45-1,2 1750-1950
Арамид (ВП) 75 3500 4,6 1400
Арамид (ВМ) 110 2900 1,5-2,4 1400
Стекло (тип Е) 72-77 3400-3700 3,3-4,8 2600
Стекло (тип С) 75-88 4300-4900 4,2-5,4 2500
Стекло (тип А) 21-74 3000-3500 2,0-4,3 2700
1893
На рисунке 3 представлен график зависимости деформации растяжения материалов от растягивающего напряжения.
Рисунок 3. График деформации видов волокон.
Проведя анализ данных, можно сделать вывод что наиболее эффективным материалом является композит на основе углеродных волокон. Обладая высоким модулем упругости, высокой прочностью и низкой деформативностью углеволокно находит обширное применение в строительной сфере.
Среди недостатков этого материала можно выделить: низкая огнестойкость, необходимость защиты от воздействия ультрафиолетового излучения, достаточно высокая стоимость. Огнестойкость элементов, усиленных углекомпозитом обеспечивается с помощью монтажа наружных полужестких минераловатных плит или нанесением на конструкцию огнестойкого покрытия [5]. Полимерная матрица защищает материал от воздействия факторов окружающей среды, таких как влага и ультрафиолетовое излучение [6]. Вместе с наращиванием масштабов внедрения материала и увеличением объемов
1894
производства наблюдается постепенное снижение стоимости производства углеродных волокон.
Рассмотрим процесс усиления железобетонной колонны внешним армированием из композитного материала.
Общая технологическая последовательность работ следующая:
1. Демонтаж отделочных материалов.
2. Необходимо обеспылить поверхность колонны, заполнить все тещины бетоном, восстановить геометрию сечения, в случае отслоения и разрушения колонны.
3. Закруглить ребра колонны на радиус 2 см [9], чтобы избежать разрыва материала и снизить концентрацию напряжений в углах.
4. Огрунтовать поверхность конструкции для лучшей адгезии материалов.
5. Нанести слой клеящего состава.
6. Смонтировать композитный материал.
7. При необходимости смонтировать дополнительной слой композитного материала.
8. Нанести защитное покрытие.
Существует множество вариантов размещения композитного материала, самыми распространенными являются вариант 1 и 2, представленные на рисунке 4. Первый случай - устройство широких обойм из композитного материала по всей длине конструкции с равными расстояниями между обоймами, во втором случае - устройство непрерывных обойм. Для надёжной работы колонны необходим плотный контакт конструкции с композитом, направление волокон композита - перпендикулярно продольной оси конструкции. Переход напряженно-деформированного состояния колонны из одноосного в трехосное сжатие увеличивает ее несущую способность. Также, при сильном эксцентриситете нагрузки рекомендуется устанавливать вертикальную ленту композитного материала на одну из граней конструкции, которая будет подвергаться большему растяжению, такой вариант отражен на колоннах 4 и 6.
1895
Рисунок 4. Варианты компоновки композитного материала.
Вывод: Композитные материалы на основе полимерной матрицы и углеродного волокна являются распространенными материалами для усиления строительных конструкций, так как наполнитель обеспечивает высокий модуль упругости, высокую прочность и низкую деформативность, в то время как полимерная матрица защищает от воздействия факторов окружающей среды, таких как влага и ультрафиолетовое излучение. Полученный в результате композитный материал отличается легкостью и высоким соотношением прочности и веса, что делает его идеальным для армирования строительных конструкций. При малом эксцентриситете сжимающей силы, действующей на колонну, рекомендуется крепить непрерывные или периодические обоймы, в зависимости от требуемого значения усиления, в случае большого эксцентриситета необходимо монтировать на грань, подвергающуюся большему растягиванию, дополнительный слой материала.
1896
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Стукач В.Н., Шарапов И. В. Современные способы усиления несущих конструкций зданий и сооружений при реконструкции как инструмент ресурсосбережения // Приволжский научный вестник. 2016. № 2. С. 70-73;
2. Мурадян В.А., Загузов А.Д. Сопоставление эффективности традиционного и инновационного методов усиления гибких стоек при больших эксцентриситетах // ИВД. 2019. № 4 (55);
3. Ремизов, И.И. Исследование влияния режимов СПС на прочностные характеристики высоконаполненных алюмоматричных композиционных материалов: бакалаврская работа: 22.03.01.: 2016. 53 с;
4. Есипов С.М. Анализ и перспективы усиления ЖБК композитными материалами // НАУ. 2015. №7-2 (12);
5. Гиль А.И., Бадалова Е.Н., Лазовский Е.Д. Стеклопластиковая и углепластиковая арматура в строительстве: преимущества, недостатки, перспективы применения // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Строительство. Прикладные науки. 2015. № 16. С. 48-53;
6. Carbon Fibre-Reinforced Polymer (CFRP) Composites in Civil Engineering Application—A Comprehensive Review / Vijayan, D.S. а. о. // Buildings. The Adaptability of Residential Planning and Design to World-Changing Events. 2023. № 13;
7. Берлин Ал.Ал., Пахомова Л.К. Полимерные матрицы для высокопрочных армированных композитов (Обзор) // ВМС. Серия А. 1990. №7;
8. Junlong Y., Jizhong W., Ziru W., Rectangular high-strength concrete columns confined with carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) under eccentric compression loading // Construction and Building Materials. 2018. С. 604-622;
9. СП 164.1325800.2014. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования
1897
Povetkina L.Yu.
Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
(Saint-Petersburg, Russia)
RENCHING REINFORCED CONCRETE COLUMNS BY COMPOSITE MATERIALS
Abstract: the article discusses the types of composite materials, the variability of their composition and describes the process of reinforcing a reinforced concrete column by a composite material.
Keywords: reinforcement, reinforced concrete, column, reinforcement, composite material, fibers, matrix.
1898
