Усиление главных балок композитными материалами

Композитные материалы на строительном рынке России появились сравнительно недавно, в конце 90-х гг. XX в., за рубежом их применение известно с начала 70-х гг. XX в. Композитными материалами или фиброармированными пластиками называют стеклянные, арамидные, углеродные и другие волокна, объединенные полимерной матрицей. При усилении железобетонных конструкций композитные материалы применяют в виде ламинатов (пластин) или тканных полотен (холстов) различного плетения. В таблице 12.5 приведены основные физические, прочностные и деформативные характеристики волокон композитных материалов и стали арматуры класса AIII, на рисунке 12.22 изображена диаграмма деформирования волокон при растяжении совместно с диаграммой Прандтля для стали.

Таблица 12. 5 – Характеристики волокон композитных материалов и стали

Материал	Модуль упругости Е, ГПа	Нормативное сопротивление осевому растяжению, МПа	Деформация при разрыве ε, %	Коэффициент температурного расширения a, 10^-6 ^ОС^-1	Удельный вес r, г/см^3
Стекловолокно	85 – 90	3500 – 4800	4,5 – 5,5	1,6 – 2,9	2,46 – 2,49
Углеволокно (высокоупругое)	390 – 760	2400 – 3400	0,5 – 0,8	-1,45	1,85 – 1,9
Углеволокно (высокопрочное)	240 – 280	4100 – 5100	1,6 – 1,73	-0,6 – -0,9	1,75
Арамид-волокно	62 – 180	3600 – 3800	1,9 – 5,5	-2	1,44 – 1,47
Полимерная матрица и полимерный клей	2,7-3,6	40-82	1,4 – 5,2	30 – 54	1,1 – 1,25
Арматура класса AIII			20 – 30	10,4	7,8

 

Рисунок 12.22- Диаграмма деформирования волок и стали при растяжении

Как видно из таблицы 12.5 и рисунка 12.22, все волокна композитных материалов имеют высокое сопротивление осевому растяжению, более 2000 МПа, а модуль упругости варьируется в пределах от 62 до 760 ГПа [99]. Для сравнения, у рабочей арматуры класса АIII нормативное сопротивление при осевом растяжении составляет 390 МПа, модуль упругости 205 ГПа. Углеродные и арамидные волокна хорошо сопротивляются многим химическим воздействиям: щелочам, кислотам, хлоридам, сульфатам, нитратам и другим. При воздействии огня, стекловолокна сохраняют свою прочность до точки плавления (более 1000 °С), углеродные волокна окисляются на воздухе при температуре около 650 °С. Арамидные волокна не могут использоваться при температуре свыше 200 °С. Все типы волокон не поддерживают горение. В системах усиления из композитных материалов при воздействии высоких температур определяющим является поведение полимерной матрицы и полимерного клея, с помощью которых осуществляется объединение волокон и монтаж композита на поверхность усиливаемой конструкции. Полимерные клеи обеспечивают включение в совместную работу волок композитных материалов с усиливаемой конструкцией на восприятие нагрузок. Работоспособность большинства клеящих составов сохраняется от -50 до +100 °С [6, 77, 87, 94]. В таблице 12.5 приведены свойства полимера. На рисунке 12.23 изображен рулон ткани черного цвета из углеродных волокон длиной 50 м, шириной 200 мм совместно с емкостями полимерного клея (эпоксидная смола плюс отвердитель), необходимого для приклейки ткани к усиливаемой конструкции. На рисунке 12.24, в качестве примера, приведена конструкция железобетонного пролетного строения, усиленного композитными материалами автодорожного моста через реку Тишковка на 93 км автомобильной дороги Кукуштан-Чайковский в Осиновском районе Пермского края.

Ткань из углеродных волокон

Полимерный клей

Рисунок 12.23- Композитный материал для усиления

а)	б)
Углепластик сечением 1,2 х 80 мм	Ткань из углеродных волокон

Рисунок 12.24- Железобетонное пролетное строение автодорожного моста, усиленное: а) углепластиковыми ламинатами на действие изгибающего момента; б) тканью из углеродных волокон на действие поперечной силы

К достоинствам технологии усиления композитными материалами по сравнению с металлом следует отнести:

– малый собственный вес композитов;

– лучшие прочностные и деформативные характеристики композитов по сравнению со сталью;

– композиты не подвержены коррозии и не нуждаются в дополнительной возобновляемой защите;

– высокая адгезия клеящих составов, с помощью которых осуществляется приклейка композитов к бетону, обеспечивает включение композита в совместную работу с усиливаемой конструкцией без необходимости обеспечения дополнительной анкеровки;

– достаточно простые технологические процедуры при производстве работ по усилению;

– возможность использования при усилении элементов со сложными геометрическими конфигурациями;

– усиление конструкции композитом практически не изменяет ее геометрические размеры и визуально воспринимаемые очертания, что важно при использовании в стесненных условиях и при необходимости сохранения архитектурных показателей сооружения.

Опыт анализа конструкций и технического состояния железобетонных пролетных строений автодорожных и железнодорожных мостов указывает на явную необходимость в повышения несущей способности эксплуатируемых пролетных строений. При этом, применение технологий усиления с использованием композитных материалов является наиболее эффективным способом, внедрение которого в практику мостостроения сдерживается из-за отсутствия необходимой нормативно-технической документации.