+7 (499) 226-91-87

СТО Вармастрой 01-2013. Руководство по усилению железобетонных конструкций композиционными материалами. Правила проектирования и монтажа

ООО «Вармастрой»


СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ


 

РУКОВОДСТВО ПО УСИЛЕНИЮ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ. ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНТАЖА
СТО Вармастрой 01-2013





 

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила разработки –  постановлением Правительства Российской Федерации от 19 ноября 2008 г. № 858 «О порядке разработки и утверждения сводов правил».

Сведения о своде правил

1 РАЗРАБОТАН Инж. В.В. Фаткуллин (ООО «Вармастрой»), рецензент – кандидат техн. наук С.И.Иванов (НИИЖБ им. А.А. Гвоздева, филиал  ОАО «НИЦ «Строительство»
2 ПРЕДСТАВЛЕН НА УТВЕРЖДЕНИЕ Генеральным директором ООО «Вармастрой»
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом генерального директора ООО «Вармастрой» от 05.06.2013 г.
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ


 

Введение

СТО Вармастрой 01-2013 «Руководство по усилению железобетонных конструкций композиционными материалами. Правила проектирования и монтажа» содержит требования к расчету и проектированию восстановления и усиления бетонных и железобетонных конструкций промышленных и гражданских зданий и сооружений путем устройства внешнего армирования композиционными материалами на основе углеродных, арамидных и стеклянных волокон.

При разработке стандарта использованы наработки его автора, практический опыт, результаты исследований, выполненных в ОАО ЦНИИС, ОАО «НИЦ «Строительство», стандарт ACI 440.2R-08 «Руководство по проектированию и монтажу систем внешнего армирования из фиброармированного пластика для усиления железобетонных конструкций», разработанный Американским Институтом Бетона (ACI), а также отечественный и зарубежный опыт применения композиционных материалов для усиления строительных конструкций.

 

Содержание

ЧАСТЬ 1. Общие положения

Глава 1. Знакомство с предметом и возможности применения

1.1. Знакомство с предметом
1.2. Возможности применения и ограничения
1.3. Сфера применения и использования
1.4. Использование систем ФАП

Глава 2. Условные обозначения и терминология

2.1. Условные обозначения
2.2. Терминология и аббревиатуры

Глава 3. Историческая справка

3.1. Ретроспектива
3.2. Имеющиеся на рынке системы внешнего армирования из ФАП

ЧАСТЬ 2. Материалы

Глава 4. Композитные материалы и их свойства

4.1. Составные материалы
4.2. Физические свойства
4.3. Механические свойства
4.4. Изменение свойств со временем
4.5. Долговечность
4.6. Оценка систем ФАП

ЧАСТЬ 3. Рекомендации по монтажу

Глава 5. Перевозка, хранение и обращение

5.1. Перевозка
5.2. Хранение
5.3. Обращение

Глава 6. Крепление

6.1. Требования к квалификации исполнителя
6.2. Температура и влажность
6.3. Оборудование
6.4. Ремонт основания и подготовка поверхности
6.5. Смешивание смол
6.6. Нанесение системы ФАП
6.7. Расположение ФАП материалов
6.8. Многослойность и соединение внахлест
6.9. Отверждение смол
6.10. Временная защита

Глава 7. Осмотр, оценка качества и приемка работы

7.1. Осмотр
7.2. Оценка и приемка работы

Глава 8. Обслуживание и ремонт

8.1. Общие положения
8.2. Осмотр и оценка состояния
8.3. Ремонт системы усиления
8.4. Ремонт защитного покрытия

ЧАСТЬ 4. Рекомендации по проектированию

Глава 9. Общие соображения по проектированию

9.1. Принципы проектирования
9.2. Границы усиления
9.3. Подбор систем ФАП
9.4. Характеристики материалов при проектировании

Глава 10. Усиление  изгибаемых элементов

10.1. Нормативная прочность
10.2. Железобетонные элементы
10.3. Преднапряженные железобетонные элементы

Глава 11. Усиление при сдвиге

11.1. Общие положения
11.2. Схемы охвата
11.3. Нормативная прочность наклонного сечения
11.4. Вклад ФАП в прочность на сдвиг

Глава 12. Усиление конструкции против действия осевых сил и комбинации осевых и изгибающих сил

12.1. Чистое осевое сжатие
12.2. Осевое сжатие с изгибом
12.3. Улучшение пластичности
12.4. Осевое растяжение

Глава 13. Конструирование армирования из ФАП

13.1. Сцепление и отслоение
13.2. Проектирование соединений и нахлестов
13.3. Вклеивание систем усиления дополнительной арматурой, устанавливаемой у поверхности

Глава 14. Чертежи, спецификации и предоставляемые данные

14.1. Требования проектирования
14.2. Чертежи и спецификации
14.3. Предоставляемые данные

ЧАСТЬ 5. Примеры расчетов

Глава 15. Примеры расчетов

15.1. Расчет характеристик на растяжение системы ФАП
15.2. Сравнение систем ФАП по прочности на растяжение
15.3. Усиление прочности изгибаемой железобетонной балки, находящейся во внутреннем помещении, композитными ламелями
15.4. Усиление прочности изгибаемой железобетонной балки, находящейся внутри помещения, дополнительной ФАП арматурой, устанавливаемой у поверхности
15.5. Усиление прочности изгибаемой балки из преднапряженного железобетона, находящейся во внутреннем помещении, композитными ламелями
15.6. Усиление прочности на поперечную силу Т-образной балки, находящейся внутри помещения
15.7. Усиление прочности по поперечной силе наружной колонны
15.8. Усиление железобетонной колонны прямоугольного сечения вследствие увеличения осевой нагрузки
15.9. Усиление железобетонной колонны прямоугольного сечения для увеличения прочности на осевое сжатие и изгиб.

Глава 16. Справочная информация

16.1. Стандарты и отчеты
16.2. Библиографический список

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Данные о свойствах углеродных, стеклянных и арамидных волокон

Приложение B. Краткие сведения о стандартных методах испытаний

Приложение C. Направления дальнейших исследований

Приложение D. Методология построения упрощенных PM-диаграмм для колонн прямоугольного сечения.


 

ЧАСТЬ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Глава 1. Знакомство с предметом и возможности применения

1.1. Знакомство с предметом

Усиление или модификация эксплуатируемых железобетонных конструкций с целью повышения проектной нагрузки, ремонтные и профилактические работы против износа, исправление недостатков при проектировании или строительстве, как правило, осуществляются с использованием обычных материалов и строительных технологий. Среди самых распространенных методик – крепление на поверхности конструкций стальных пластин,  устройство обойм из железобетона, внешнее напряжение железобетона методом натяжения арматуры.

Композитные материалы, изготовленные из полимерных смол, называются фиброармированным пластиком (далее ФАП). Их разработали в качестве альтернативных материалов для ремонта и восстановления конструкций. В этом документе под системами ФАП подразумевается сочетание армирующих нитей и смол для создания композитного ламината, а также адгезива для крепления ламелей к поверхности конструкций и материалов для нанесения защитного покрытия. Защитное покрытие не является частью систем ФАП.

ФАП – легкие, устойчивые к коррозии высокопрочные материалы. Есть множество их разновидностей от готовых ламелей до армирующих тканей, которые укладываются на поверхность до нанесения полимерного адгезива. Для сохранения внешнего вида или обеспечения доступа затвердевшая система ФАП может быть относительно тонкой.

Системы ФАП все чаще используются для усиления и восстановления конструкций, что объясняется рядом причин. При довольно высокой стоимости волокон и смол по сравнению с традиционными материалами типа бетона и стали трудозатраты и оборудование для систем ФАП обходятся дешевле (Nanni 1999). Системы ФАП также удобно использовать в труднодоступных местах, где применение обычных технологий мало возможно.

Настоящее руководство составлено на основе всестороннего анализа данных экспериментов, теоретических выкладок и результатов применения систем усиления ФАП на практике. Области, требующие дополнительных исследований, выделены в данном документе и собраны в приложении В.
 

1.2. Возможности применения и ограничения

Настоящий документ представляет собой руководство по выбору материалов, проектированию и монтажу систем ФАП для усиления железобетонных конструкций. Здесь содержатся сведения о свойствах материалов, проектированию, монтаже, контроле качества и обслуживании систем ФАП для наружного усиления конструкций. Представленные данные могут быть использованы для выбора системы ФАП для увеличения несущей способности и прочности железобетонных конструктивных элементов.

Важную роль в этом документе играют результаты научных исследований. Эти исследования проводились на протяжении 25 лет и включали в себя теоретические и экспериментальные работы, а также наблюдения за реализованными проектами по усилению системами ФАП. Согласно этим исследованиям, расчеты, представленные в настоящем руководстве, следует считать подтвержденными.

Много внимания уделялось изучению долговечности и изменению эксплуатационных характеристик систем ФАП со временем. Однако, эта часть исследований еще не завершена. В настоящем руководстве учитывается ухудшение характеристик вследствие нахождения в окружающей среде, равно как и отмечаются факторы ослабления конструкций в разных условиях окружающей среды. Усталость металла и ползучесть бетона, связанные с предельными напряжениями, также учитываются в настоящем руководстве. Упомянутые факторы и ограничения следует считать подтвержденными. С появлением новых данных они могут пересматриваться с целью более точного определения влияния окружающей среды и эксплуатационных нагрузок. Следует отметить, что совокупный эффект воздействия окружающей среды и эксплуатационной нагрузки все еще требует изучения. Особое внимание следует придавать реализуемым проектам, где системы ФАП будут сталкиваться и с крайне неблагоприятной окружающей средой, и с предельными нагрузками. Факторы, связанные с эксплуатационной долговечностью систем ФАП, могут влиять и на модуль упругости при растяжении применяемых в проекте материалов.

Множество вопросов, связанных с креплением систем ФАП к поверхности конструкций, по-прежнему являются предметом тщательного изучения. При усилении на восприятие растягивающих усилий при изгибе с одновременным действием поперечной силы отмечаются многочисленные случаи отслоения, что оказывает влияние на прочность элементов системы ФАП. И хотя большинство причин отслоений специалистами уже определены, их предсказания нуждаются в более точных методиках. В процессе проектирования следует учитывать важные ограничения по уровню напряжения (и, стало быть, по предельной нагрузке на растяжение), которое будут испытывать элементы системы ФАП под нагрузкой. Последующее развитие методики проектирования должно обеспечивать более точное прогнозирование отслоений.

В настоящем руководстве указывается, на что именно следует обратить внимание при разработке и креплении систем ФАП во избежание большинства возможных причин отслоения. Важную роль в обеспечении необходимого уровня прочности, расчет которого описан в настоящем руководстве, играет последовательность действий по подготовке поверхности железобетонной конструкции и проведению монтажа системы ФАП. Были проведены исследования по различным методам крепления усиливающих систем ФАП – механическим и иным. Важно понимать, что методы крепления этих систем имеют существенные изъяны из-за хрупкости и анизотропной природы композитных материалов. Любой метод крепления требует тщательного изучения до применения его на практике.

Расчетные формулы, представленные в этом документе представляют собой результаты исследований, проведенных на соразмерных элементах железобетонных конструкций среднего размера. Особое внимание следует уделять задачам по усилению крупных элементов, а также усилению напряженных областей (D-регионов) элементов конструкции, таких как высокие балки, карнизы, углубленные торцы балок. При наличии подтверждений, в настоящем руководстве предоставляются данные по специфическим ограничениям размеров элементов и предельному состоянию.

Настоящее руководство применимо только для систем ФАП, использующихся как дополнительное армирование на растяжение. Не рекомендуется применение таких систем для усиления на сжатие. Материалы, используемые в ФАП, способны противостоять сжатию, однако такое использование систем ФАП сопряжено с множеством проблем. При наличии пустот в адгезиве, армирующие нити могу коробиться. Коробиться может и ламель, если она плохо приклеена или закреплена на поверхности конструкции и в итоге из-за плохой укладки по оси возникает непредвиденная сила сжатия. Настоящее руководство не рассматривает вопросы проектирования, контроля качества и обслуживания, возникающие при использовании упомянутых материалов в подобных конструкциях, и не предоставляет надлежащих расчетов для подобного применения. Использование описываемых в настоящем руководстве систем ФАП для усиления прочности на сжатие настоятельно не рекомендуется.

Настоящее руководство не рассматривает каменные конструкции (конструкции из бетонных блоков и кирпичную кладку), включая стены. Однако имеющиеся на сегодняшний день исследования подтверждают, что системы ФАП можно применять для усиления кирпичных стен, и большинство расчетов, содержащихся в настоящем руководстве, применимы для этих целей (Triantafillou 1998b; Ehsani et al. 1997; Marshall et al. 1999).
 

1.3. Сфера применения и использования

Системы ФАП можно использовать для восстановления прочности изношенных элементов железобетонных конструкций, их реставрации и модификации, а также для усиления неповрежденных структурных элементов с целью противодействия возросшей нагрузке из-за изменений, произошедших в конструкции здания. Системы ФАП также используются для исправления ошибок, допущенных в ходе проектирования или возведения железобетонных конструкций. Профессиональному проектировщику надлежит прежде всего определить, подходит ли система ФАП для усиления конструкции в принципе, прежде чем остановить свой выбор на этой технологии.

Для оценки пригодности системы ФАП для той или иной конструкции проектировщик должен осуществить оценку текущего состояния конструкции, в которую входит установление фактической несущей способности, выявление дефектов и их причин, определение состояния защитного слоя бетона. В общую оценку следует включить результаты тщательного осмотра конструкции, изучения проектной или исполнительной документации и анализ конструкции согласно руководству ACI 364.1R. Следует изучить имеющуюся конструкторскую документацию, включая чертежи, проектные спецификации, исполнительную информацию, отчеты об эксплуатационных испытаниях, документацию о проведенных ремонтных работах, и всю наличествующую документацию об обслуживании железобетонной конструкции с момента ввода в эксплуатацию. Проектировщик обязан провести эксплуатационное исследование железобетонной конструкции в соответствии с руководством ACI 437R и других применимых в данном случае документов ACI. В минимуме эксплуатационное исследование должно определить следующее:

– актуальные размеры элементов конструкции;

– расположение, размеры и причины трещин и сколов;

– расположение и распространение очагов коррозии элементов стальной арматуры;

– наличие активных очагов коррозии;

– количество и расположение элементов стальной арматуры;

– фактическая прочность на сжатие бетона;

– прочность поверхности бетона, особенно бетонного защитного слоя в местах, где на бетон планируется крепление системы ФАП.

Прочность железобетона на растяжение в местах возможного монтажа системы ФАП следует определять путем проведения адгезионного испытания на прочность отрывом согласно руководству ACI 503R. Фактическая прочность бетона должна определяться испытанием кернов в соответствии с требованиями ACI 318-05. Несущая способность железобетонной конструкции следует определять на основе информации, полученной по результатам натурного обследования, сверки с проектными расчетами и чертежами, а также аналитическими методами. По необходимости в процессе общего обследования можно применить испытание пробным загружением и другие методы.

1.3.1. Ограничение усиления. В целом, для предотвращения неожиданного отказа элемента конструкции в случае повреждения системы ФАП следует установить границы применения усиления ограничением увеличения несущей способности элемента конструкции, усиленного системой ФАП. Смысл этого состоит в том, чтобы при повреждении ФАП внешнего армирования элемент железобетонной конструкции не разрушился от постоянно действующей нагрузки. Соответствующие рекомендации, включая сочетание нагрузок для оценки работоспособности элемента железобетонной конструкции после потери системы ФАП, находятся в Части 4 настоящего руководства.

Системы ФАП для повышения прочности отдельного элемента железобетонной конструкции следует проектировать в соответствии с частью 4 настоящего руководства, в которой содержится всестороннее рассмотрение ограничений по нагрузке, разумного уровня нагрузок, воздействие температуры и окружающей среды на системы ФАП, соображения о загружении, воздействие коррозии стальной арматуры на целостность системы ФАП.

1.3.2. Пожарная безопасность. Системы усиления ФАП должны соответствовать всем критериям строительных и противопожарных норм. Уровень дымообразования и распространения пламени для конструкции должен соответствовать применимым строительным нормам, в зависимости от классификации железобетонной конструкции. Уровень дымообразования и распространения пламени можно определить по руководству ASTM E84. Для ограничения дымообразования и распространения пламени можно использовать защитные покрытия (Apicella and Imbrogno 1999) и системы изоляции (Bisby et al. 2005a; Williams et al. 2006).

Из-за сильного снижения несущей способности большинства материалов, применяемых в системах ФАП, под воздействием огня следует учитывать, что при пожаре внешние системы ФАП могут быть полностью утрачены, если нет доказательств того, что температура ФАП остается ниже критических показателей (например, в случае, если система ФАП обладает противопожарной системой). Критической температурой для усиления из ФАП следует считать температуру стеклования Tg компонентов ремонтной системы, как это указано в подразделе 1.3.3. Элементы конструкции без системы ФАП должны обладать достаточной прочностью для удержания действующих во время пожара нагрузок, как это рассматривается в подразделе 9.2.1. Противопожарную сопротивляемость железобетонных элементов, армированных системами ФАП, можно увеличить посредством использования определенных адгезивов, защитных покрытий, изоляционных систем, а также другими методами противо¬пожарной защиты (Bisby et al. 2005b). Соответствующие рекомендации, включая сочетание нагрузок и принципы рационального подхода для подсчета сопротивляемости элементов железобетонной конструкции пожару находится в Части 4 настоящего руководства.

1.3.3. Максимальная рабочая температура. Физико-механические свойства адгезивных компонентов систем ФАП зависят от температуры и ухудшаются при температурах близких и превышающих температуру стеклования Tg (Bisby et al. 2005b). Для присутствующих сегодня на рынке систем ФАП Tg обычно находится в пределах от 60°C до 82°C . Величину Tg для конкретных систем ФАП можно узнать у производителей этих систем или установить методом тестирования согласно руководству ASTM D4065. Tg – усредненная температура, при которой адгезив превращается из стеклообразного состояния в вязкоупругое, что обычно происходит в температурном диапазоне свыше 30°C. Такое изменения состояния адгезива ухудшает механическую прочность ламелей и прочность их крепления. В условия сухой окружающей среды рекомендуется, чтобы рабочая температура системы ФАП не превышала Tg – (минус) 15°C (Luo and Wong 2002; Xian and Karbhari 2007). Для определения критических рабочих температур систем ФАП в других условиях нужны дополнительные исследования. Эти рекомендации актуальны для повышенной температуры окружающей среды, характерной для жарких географических регионов и некоторых производственных условиях. Случай пожара подробно рассмотрен в подразделе 9.2.1. В случаях, когда система ФАП эксплуатируется во влажной среде, следует использовать величину температуры стеклования во влажной среде Tgw.

1.3.4. Минимальная прочность поверхности железобетонной конструкции. Системы ФАП работают только на прочном бетоне, их не следует монтировать к элементам конструкции со ржавой арматурой или поврежденным бетоном, пока основание не будет отремонтировано, как это описано в разделе 6.4. Трещины в бетоне, повреждения, коррозию арматуры следует оценить и исправить до применения системы ФАП. Повреждение железобетона происходит по следующим причинам: взаимодействие щелочей цемента с кремнеземом заполнителя в бетоне, медленное образование эттрингитов, карбонизация, продольные трещины вдоль подверженных коррозии элементов стальной арматуры, трещины при отслоении защитного слоя у арматуры.
Прочность основания является решающим фактором для тех случаев усиления, когда сцепление имеет определяющее значение, например, при усилении на изгиб или срез (поперечное армирование). Основание должно обладать необходимой прочностью, чтобы передавать проектное напряжение на систему ФАП. Основание, включая поверхность отремонтированных участков, должно иметь достаточную прочность на растяжение и сдвиг для передачи усилия на систему ФАП. Прочность на растяжение должна составлять не менее 1,4 МПа, определяется адгезионными испытаниями на отрыв по ICRI 03739. Не следует применять системы ФАП, если прочность основания на сжатие fc' составляет менее 17 МПа. Указанное значение минимальной прочности не относится к тем задачам, когда определяющим является контактная связь, например, при усилении колонн путем обертывания их ФАП. Расчетные напряжения в системе ФАП для таких случаев рассчитывается по деформации и растяжению железобетонного элемента. Применение систем ФАП не останавливает коррозию имеющейся арматуры (El-Maaddawy et al. 2006). Если коррозия металла очевидна или влияет на состояние основания железобетона, монтаж ФАП арматуры до остановки распространения коррозии и ремонта основания проводить не рекомендуется.
 

1.4. Использование систем ФАП

В настоящем руководстве рассматриваются существующие на рынке системы ФАП, состоящие из волокон и смол, соответствующим образом объединенных между собой и соответствующим образом закрепленных на железобетонные конструкции. Такие системы разработаны согласно характеристикам используемых материалов и с учетом конструкционных испытаний. Использование непроверенных соединений волокон и смол может привести к появлению неожиданных свойств, а также к несовместимости материалов. Любая система ФАП, которая планируется к применению, должна обладать достаточным количеством данных по результатам проведенных испытаний, показывающих соответствующие свойства системы в аналогичных случаях использования, в том числе по способу ее монтажа.

Рекомендуется использование систем, разработанных согласно характеристикам используемых материалов и учетом конструкционных испытаний, в том числе по хорошо документированным отраслевым стандартам. Следует избегать использования непроверенных соединений волокон и смол. Стандарты для всесторонних испытаний систем ФАП разрабатывались несколькими организациями, включая ASTM, ACI, ICRI, и ISIS Canada. Имеющиеся стандарты этих организаций представлены в приложении Б.
 

Глава 3. Историческая справка

Системы ФАП внешнего наложения начали использоваться для усиления и модификации существующих железобетонных конструкций в мире с середины 1980-х годов. Число реализованных проектов с использованием систем ФАП за последние 20 лет существенно возросло, от единичных случаев в начале до нескольких тысяч реализованных решений на сегодняшний день. Элементы железобетонных конструкций, усиленные системами ФАП внешнего наложения, включают в себя балки, плиты, колонны, стены, соединения, дымовые трубы и дымоотводы, склады, хранилища, туннели, силосные башни, трубопроводы, стропильные фермы. Системы ФАП внешнего наложения также использовались для усиления конструкций из кирпича, древесины, стали и чугуна. Сама идея усиления железобетона посредством наложения внешней арматуры не нова. Системы ФАП внешнего наложения были разработаны в качестве альтернативы традиционным технологиям внешнего армирования – креплению стальных пластин, устройству металлических и железобетонных обойм для колонн. Технологии внешнего армирования системами ФАП с целью модификации железобетонных конструкций впервые появилась в 1980-х года одновременно в Европе и Японии.
 

3.1. Ретроспектива

В Европе системы ФАП разрабатывались в качестве альтернативы креплению стальных пластин. Прикрепляемые в местах напряжения с помощью адгезивных смол стальные пластины доказали свою эффективность для усиления прочности на изгиб (Fleming and King 1967). Эту технологию использовали для усиления множества мостов и строений по всему миру. Но поскольку стальные пластины подвергались коррозии, что приводило к ухудшению сцепления пластин и железобетона, а их монтаж был сопряжен со значительными усилиями, требующими тяжелого оборудования, разработчики начали искать альтернативу в материалах ФАП. Первые эксперименты по модификации железобетонных конструкций материалами ФАП проводились в 1978 году в Германии (Wolf and Miessler 1989). Исследования в Швейцарии привели к первому практическому применению системы ФАП наружного наложения для усиления прочности на изгиб ряда железобетонных мостов (Meier 1987; Rostasy 1987).

Впервые для усиления периметра железобетонных колонн системы ФАП были применены в Японии в 80-х годах (Fardis and Khalili 1981; Katsumata et al. 1987). Резкое увеличение количества применения ФАП в Японии произошло после 1995 года после землетрясения в районе Хиогокен-Нанбу в Кобе (Nanni 1995).

Разработчики в США интересовались волоконным армированием железобетона с 30-х годов. Тем не менее исследования и создание нужных материалов для модификации железобетонных конструкций начались лишь в 80-х годах с подачи Национального научного фонда (NSF) и Федерального управления автомобильных дорог (FHWA). Исследования привели к реализации множества натурных проектов, выполненных в различных условиях окружающей среды. Результаты предварительных исследований применения ФАП для ремонта и усиления конструкций содержатся в документе ACI 440R и сборниках профильных конференций (Neale 2000; Dolan et al. 1999; Sheheta et al. 1999; Saadatmanesh and Ehsani 1998; Benmokrane and Rahman 1998; Neale and Labossière 1997; Hassan and Rizkalla 2002; Shield et al. 2005).

Разработка правил и стандартов для систем ФАП внешнего наложения осуществляется в Европе, Японии, Канаде и США. За последние 10 лет Японское общество гражданских инженеров (JSCE), Японский институт железобетона (JCI), Японский институт исследований железнодорожного транспорта (RTRI) опубликовали несколько документов, связанных с использованием ФАП материалов в железобетонных конструкциях.

В Европе исследовательская группа 9.3 Международной Федерации строительного бетона (FIB) опубликовала бюллетень, содержащий руководство по проектированию арматуры ФАП внешнего наложения для армирования железобетонных конструкций (International Federation for Structural Concrete 2001).

Канадская ассоциация стандартов (CSI) совместно с ISIS активно разрабатывают руководство по системам ФАП. Раздел 16 "Конструкции с волоконным армированием" Канадского свода правил по проектированию мостов скоростных автомагистралей был завершен в 2006 году (CAN/CSA-S6-06) и ратифицирован CSA как документ CSA S806-00.

В США критерии для оценки применимости систем ФАП содержатся в документе ICBO AC125 (CALTRANS Division of Structures 1996; Hawkins et al. 1998).
 

3.2. Имеющиеся на рынке системы внешнего армирования из ФАП

Системы ФАП поставляются в различном виде, включая как системы с предварительной пропиткой, так и системы с заранее сформированным профилем. Системы ФАП можно разделить по форме, в зависимости от того, как они доставляются к месту применения и как устанавливаются. Систему ФАП и ее форму следует выбирать исходя из приемлемых условий передачи нагрузок от конструкции, а также простоты монтажа и обслуживания системы. Обобщенный перечень форм систем ФАП, годных для усиления тех или иных элементов конструкции, описан в подразделах 3.2.1.– 3.2.4.

3.2.1. Системы мокрого наложения. Мокрая система ФАП состоит из сухих однонаправленных или разнонаправленных волоконных холстов или ткани, которые укладываются в слой адгезива-наполнителя на месте монтажа. Адгезив-наполнитель вместе с грунтовкой и шпаклевкой крепит ткань ФАП на поверхность железобетона. Мокрая система наносится и твердеет на месте, как монолитный бетон. Три основных типа систем мокрого наложения:

1. сухие холсты однонаправленных волокон, где сами волокна лежат главным образом в одной плоскости;

2. сухие холсты разнонаправленных волокон или ткани, где сами волокна ориентированы хотя бы в двух направлениях одной плоскости;

3. сухая волокнистая пряжа, которая обертывается или по-другому механически наносится на поверхность железобетона. Сухая пряжа заполняется адгезивом в процессе намотки.

3.2.2. Препреги (системы с предварительной пропиткой). ФАП системы с предварительной пропиткой состоят из частично отвержденных однонаправленных или разнонаправленных волоконных холстов или тканей, которые были заранее заполнены адгезивом в заводских условиях. Системы с предварительной пропиткой накладываются на поверхность железобетона с применением или без дополнительного применения адгезива, в зависимости от особых требований. Препреги пропитываются вне места монтажа, но отверждаются, как и системы мокрого наложения, на месте монтажа. Системам с предварительной пропиткой обычно требуется для отверждения термическая обработка. Условия и сроки хранения, а также процедуру отверждения препрегов следует уточнять у изготовителей. Три основных типа ФАП препрегов:

1. заранее пропитанные холсты однонаправленных волокон, где сами волокна лежат главным образом в одной плоскости;

2. заранее пропитанные холсты разнонаправленных волокон или ткани, где сами волокна ориентированы хотя бы в двух направлениях одной плоскости;

3. заранее пропитанная волокнистая пряжа, которая обертывается или по-другому механически наносится на поверхность железобетона.

3.2.3. Системы с готовым профилем. Системы с готовым профилем могут состоять из множества разных композитных профилей, изготовленных и отвержденных в заводских условиях. Обычно в таких случаях адгезив вместе с грунтовкой и шпаклевкой используется для установки готового отвержденного профиля на поверхность железобетона. Следует проконсультироваться у производителя по поводу рекомендуемого набора операций по монтажу системы. Системы с готовым профилем аналогичны сборному железобетону. Три основных типа систем с готовым профилем:

1. однонаправленные ламели, обычно доставляемые к месту монтажа в виде упаковок с набором ламелей либо как бухты с тонкой лентой;

2. разнонаправленные сетки, обычно доставляемые к месту монтажа в бухтах;

3. оболочки и обшивки, обычно доставляемые к месту монтажа в виде разрезанных вдоль волокон сегментов, чтобы их было легко накладывать вокруг колонн или других элементов железобетонных конструкций; набор из нескольких слоев, прикрепленных к железобетону и скрепленных между собой используется для создания сейсмоустойчивых обойм.

3.2.4. Устанавливаемые у поверхности системы (АУП). Устанавливаемые у поверхности системы ФАП состоят из круглых или прямоугольных стержней или пластин, вклеиваемых в пазы, сделанные в поверхности железобетона. Для крепления ФАП стержней в пазе используется подходящая смола, отверждаемая на месте установки. Следует проконсультироваться с производителем системы для подбора правильного адгезива. Два основных типа элементов арматуры, используемых в этой системе:

1. круглые арматурные элементы, изготовляемые методом пултрузии, обычно доставляются к месту монтажа в виде отдельных стержней или в бухтах, в зависимости от диаметра арматуры;

2. прямоугольные стержни и пластины, изготовляемые методом пултрузии, обычно доставляются к месту монтажа в бухтах.
 

ЧАСТЬ 2. МАТЕРИАЛЫ

Глава 4. Композитные материалы и их свойства

Описанные в этом разделе физико-механические свойства ФАП материалов объясняют поведение и свойства, определяющие их применение в железобетонных конструкциях. В разделе рассматриваются результаты воздействия на ФАП различных факторов, таких как длительность и долговременность нагрузки, температура, влажность.

Системы ФАП поставляются в различных видах (системы мокрого наложения, препреги, системы с готовым профилем). Важнейшие роли в характеристиках фиброаримированного материала играют такие факторы, как объем волокна, тип волокна, тип адгезива, ориентация волокон, размеры, контроль качества при производстве. В этой главе представлены общие характеристики материалов, они не всегда применимы к коммерческим продуктам. Стандартные методы испытаний для определения характеристик некоторых фиброармированных материалов были разработаны несколькими организациями, включая ASTM, ACI и CSA. Между тем специалисту-проектировщику рекомендуется обращаться за консультациями к производителю используемой системы ФАП для получения подробных характеристик продукта для того или иного применения.

 

4.1. Составные материалы

Составные материалы используемых систем ФАП, включая смолы, грунтовки, шпаклевки, пропитки, адгезивы, волокна, разрабатываются на основе испытаний материалов и компонентов для усиления элементов железобетонных конструкций.

4.1.1. Смолы. В системах ФАП используется широкий диапазон полимерных смол, включая грунтовки, шпаклевки, пропитки и адгезивы. Среди общеупотребимых типов смол, созданных для широкого диапазона условий окружающей среды, применяются эпоксидные смолы, виниловые эфиры, полиэстер. Изготовители систем ФАП используют смолы, которые:

– совместимы и имеют хорошую адгезию к поверхности бетона;

– совместимы и имеют хорошую адгезию к композитной системе ФАП;

– устойчивы к воздействию окружающей среды, включая влажность, соленую воду, экстремальные температуры и химикаты, обычно воздействующие на железобетон;

– способны заполнять пустоты;

– хорошо поддаются обработке;

– обладают необходимым временем жизни;

– совместимы и имеют хорошую адгезию к высокопрочному волокну;

– после твердения обладают необходимыми механическими свойствами в составе ФАП композита.

4.1.1.1. Грунтовка. Грунтовка проникает вглубь поверхности железобетона, улучшая клеящую способность для пропиточной смолы или адгезива.

4.1.1.2. Шпаклевки. Шпаклевки используются для заполнения небольших пустот и ямок в поверхности для ее выравнивания и подготовки к креплению системы ФАП. Заполнение шпаклевкой пустот предотвращает также появление пузырей во время затвердения пропиточной смолы.

4.1.1.3. Пропиточная смола. Пропиточная смола предназначена для заполнения пространства между высокопрочными армирующими волокнами, закрепления их на месте, и передачи поперечной силы с целью распределения нагрузки между волокнами. Пропиточная смола также служит адгезивом для системы мокрого наложения, обеспечивая эффективную передачу поперечной силы между загрунтованной поверхностью бетона и системой ФАП.

Таблица 4.1. Типичная плотность материалов ФАП (г/см3)

Сталь СФАП УФАП АФАП
7,9 1,2-2,1 1,5-1,6 1,2-1,5

Таблица 4.2. Типичный коэффициент температурного расширения ФАП материалов (Типичные значения для содержания волокон от 0,5 до 0,7)

Направление Коэффициент температурного расширения, × 10−6/°C
СФАП УФАП АФАП
Продольное, αL 6-10 -1 ... 0 -6 ... -2
Продольное, αT 19-23 22-50 60-80


4.1.1.4. Адгезивы. Адгезивы используются для крепления предварительно отвержденных ФАП ламелей и систем АУП к поверхности железобетона. Адгезивы передают поперечную силу от поверхности бетона на усиливающую систему ФАП. Адгезивы также скрепляют между собой слои предварительно отвержденных ФАП ламелей.

4.1.2. Волокна. В системах армирования ФАП используются длинные стеклянные, арамидные или углеродные волокна. Волокна придают системе ФАП прочность и жесткость. Типичный диапазон свойств волокон при растяжении приведен в приложении А. Волокна подробно описаны в документе ACI 440R.

4.1.3. Защитные покрытия. Защитные покрытия оберегают закрепленную арматуру из ФАП от возможных механических повреждений и природных воздействий. Покрытие обычно наносится на наружной поверхности отвержденной системы ФАП после затвердения адгезива или пропиточной смолы. Существуют множество форм защитных покрытий, как то:

– полимерные покрытия, главным образом, на основе эпоксидной смолы или полиуретана;

– акриловые покрытия, которые могут быть чисто акриловыми или цементно-акриловыми; акриловые системы могут иметь различные текстуры;

– цементные системы, для использования которых может понадобиться создание на ФАП шероховатой поверхности (например, посредством утапливания песка в неотвердевший адгезив), после чего нанесение может осуществляться таким же образом, как и на бетонную поверхность;

– вспучивающиеся покрытия – покрытия на основе полимера, предназначенные для ограничения распространения огня и дыма согласно требованиям стандартов.

Существуют несколько причин использования защитных покрытий систем ФАП, закрепленных на поверхности железобетона. В том числе:

Защита от ультрафиолетового излучения. Эпоксидная смола, использующаяся в системе усиления ФАП, подвергается воздействию ультрафиолетового излучения. Существует множество методов защиты системы от ультрафиолетового излучения, например, акриловые покрытия, цементные покрытия, покрытия на основе алифатического полиуретана и др. Некоторые типы винилэфирных смол обладают большей долговечностью при ультрафиолетовом излучении, чем эпоксидная смола;

Противопожарная защита. Противопожарная защита рассматривается в подразделах 1.3.2 и 9.2.1;

Вандализм. Защитные покрытия против вандализма должны быть крепкими и долговечными. Существуют несколько уровней антивандальной защиты: от полиуретановых покрытий, защищающих от царапин и сколов, до цементных покрытий, обеспечивающих еще большую защиту;

Удар (взрыв), абразивное воздействие, износ. Защитные системы, оберегающие от ударов, абразивного воздействия и износа подобны тем, что применяются против вандализма; однако, абразивное воздействие и износ отличаются от воздействия вандалов продолжительностью во времени, а значит и выбор защитной системы должен быть ориентирован на большую прочность и долговечность;

Эстетика. Верхний окрасочный слой защитного покрытия может использоваться для скрытия системы ФАП. Это может быть покрытие из акрилового латекса, который сам по себе имеет серый оттенок, близкий к цвету бетона, но которому можно придать любой другой цвет и текстуру, близкие к таковым у существующей конструкции;

Химическое сопротивление. Подвергание воздействию агрессивных химикатов, таких как сильные кислоты, может привести к повреждениям системы ФАП. В среде, где происходит такое воздействие, можно применять покрытия с усиленной химической защитой, например уретановые или новолаковые эпоксидные смолы;

Питьевая вода. Там, где система ФАП погружена в питьевую воду, она может выделять в воду часть своих химических соединений. В качестве защиты используется специальные покрытия, которые не позволяют опасным химикатам из системы ФАП попадать в питьевую воду.

 

4.2. Физические свойства

4.2.1. Плотность. Плотность ФАП материалов находится в пределах 1,2 - 2,1 г/см3, что в 4-6 раз ниже плотности стали (Таблица 4.1). Низкая плотность ведет к снижению расходов на транспортировку, уменьшению добавляемого собственного веса конструкции и позволяет легче управляться с материалами на месте проведения работ.

4.2.2. Коэффициент температурного расширения. Коэффициент температурного расширения однонаправленных ФАП материалов в продольном и поперечном направлениях различается и зависит от типа используемых волокон, смолы и удельного объема волокна. В таблице 4.2 дается перечень продольных и поперечных коэффициентов терморасширения типовых однонаправленных ФАП материалов. Следует заметить, что значения коэффициентов температурного расширения со знаком минус означают, что материал сжимается с повышением температуры и расширяется с ее снижением. Для справки: бетон имеет коэффициент температурного расширения от 7 × 10–6 до 11 × 10–6/°C и обычно считается изотропным материалом (Mindess and Young 1981). У стали изотропный коэффициент температурного расширения равен 11.7 × 10–6/°C. См. подраздел 9.3.1 с расчетными предпосылками касательно температурного расширения.

4.2.3. Воздействие высоких температур. После преодоления точки Tg модуль упругости полимера существенно уменьшается из-за изменений в молекулярной структуре материала. Значение Tg зависит от типа используемой смолы, но обычно находится в пределах 60-82 °C. В композитных материалах ФАП волокно, которое обладает лучшими температурными характеристиками, чем смола, может удерживать некоторую нагрузку в продольном направлении вплоть до достижения предельной температуры волокном. Предельная температура для волокна обычно превышает 1000°C в случае углеродных волокон и 175°C в случае арамидных волокон. Стекловолокно сопротивляется воздействию температуры в пределах 275°C. Из-за снижения передающей способности клеевой связи волокон со смолой, общие свойства на растяжение тоже ухудшаются. Результаты испытаний показали, что при температуре 250°C, что намного выше температуры Tg смолы, снижение прочности на растяжение СФАП и УФАП материалов достигает 20% (Kumahara et al. 1993). Другие параметры, связанные с передачей смолой усилия при сдвиге, такие как прочность при изгибе, существенно снижаются при меньших температурах (Wang and Evans 1995).

В случаях применения зависящих от сцепления систем ФАП, крайне необходимо, чтобы свойства полимера в месте контакта бетона и волоконного армирования были соответствующими для достижения связи между бетоном и ФАП. При температурах, близких к Tg, механические параметры полимера существенно ухудшаются, и полимер начинает терять способность передавать напряжение от бетона к ФАП арматуре.


4.3. Механические свойства

4.3.1. Поведение при растяжении. При осевом растяжении, однонаправленные ФАП материалы не выказывают пластичности (текучести) вплоть до разрыва. Поведение при растяжении ФАП материалов, состоящих из одного типа волокна, представляется линейной упругой зависимостью при растяжении до самой точки внезапного хрупкого разрыва.

Прочность на растяжение и жесткость любого материала ФАП зависит от нескольких факторов. Поскольку волокна в материале ФАП являются главным компонентом, воспринимающим нагрузку, на его свойства при растяжении влияют тип волокна, его ориентация, количество волокон, методы и условия производства используемого композитного материала. Поскольку первостепенное значение имеют свойства волокон и методы монтажа, за основные свойства всей ремонтной системы ФАП на практике часто принимаются свойства только лишь волоконного массива (нетто волокна). В других случаях, как например, при применении предварительно отвержденных ламелей, за основные параметры принимаются свойства всего объема ламината (брутто ламината).

Сечение брутто ламината рассчитывается с учетом сечения всей затвердевшей системы ФАП, включая волокно и смолу. Сечение брутто и толщина отвержденного ламината принимаются постоянными, изменяемым показателем может быть пропорция содержания волокна и смолы.

Сечение нетто волокна в системе ФАП рассчитывается с учетом известной площади сечения волокон без учета общей ширины и толщины сечения отвердевшей системы, исключая таким образом смолу. Сечение нетто волокна обычно принимается в расчетах для систем мокрого наложения, в которых используются изготовленные в заводских условиях ткани из волокон, пропитываемые смолой на месте монтажа. При монтаже систем мокрого наложения осуществляется отдельный контроль за содержанием волокна и изменчивостью содержания смолы.

Параметры систем, рассчитанные на основе сечения брутто ламината, обладают большей толщиной и меньшими значениями прочности модуля упругости, в то время как параметры системы, рассчитанной на основе сечения нетто волокон, обладают меньшей толщиной и более высокими значениями прочности и модуля упругости. Безотносительно к методам расчета, нормативная прочность (ffuAf) и осевая жесткость (AfEf) композита берутся за константу. (Методики расчета характеристик системы ФАП, с учетом и характеристик брутто ламината, и характеристик нетто волокна показаны в Части 5). Характеристики, рассчитанные исходя из сечения нетто волокна, не равны суммарным характеристикам отдельных волокон. При испытаниях в составе отвердевшего композита, измеренные прочность на растяжение и предельная деформация разрыва сечения нетто композита обычно ниже значений, измеренных при испытаниях отдельных волокон. По свойствам систему ФАП следует считать композитом, в котором за свойства материала отвечают не отдельные волокна, а вся система волокно-пропитка, структура ткани и методы создания композита. Механические параметры всех систем ФАП вне зависимости от своей формы должны определяться на основе испытаний образцов ламината с известным содержанием волокна.

Данные о механических характеристиках при растяжении некоторых представленных на рынке систем усиления ФАП приведены в приложении А. Данные о механических характеристиках при растяжении конкретной системы ФАП можно получить у ее изготовителя или путем проведения соответствующих испытаний, согласно руководств ACI 440.3R, ASTM D3039 и D7205. Изготовители обязаны предоставить данные о предельной прочности на растяжение, определяемой как среднее значение прочности на растяжение у взятых образцов минус среднеквадратичное отклонение помноженное на три (ffu* = – 3σ), и определенной таким же образом предельную деформацию при растяжении (εfu* = – 3σ). Такой подход обеспечивает вероятность в 99,87%, что действительные предельные характеристики при растяжении будут выше таких статистически определенных проектных предельных значений в пределах нормального распределения (Mutsuyoshi et al. 1990). Модуль Юнга следует рассчитывать как секущий коэффициент между значениями 0,003 и 0,006 деформаций, в соответствии с руководством ASTM D3039. Следует провести минимум 20 одинаковых испытаний образцов для определения предельных характеристик при растяжении. Изготовитель обязан предоставить описание метода получения заявляемых характеристик материала при растяжении, включая число проведенных испытаний, средние полученные значения и среднеквадратичные отклонения.

4.3.2. Поведение при сжатии. Системы ФАП наружного наложения не следует применять в качестве арматуры на сжатие в виду недостаточных экспериментальных подтверждений, допускающих их применение для этих целей. Несмотря на то, что не рекомендуется рассчитывать на системы ФАП наружного наложения для противодействия компрессионным нагрузкам, данный подраздел приведен для возможно более полного описания поведения ФАП материалов.
Испытания на отрезках ФАП ламелей, используемых для ремонта железобетона, показали, что прочность на сжатие у ФАП материалов ниже прочности на растяжение (Wu 1990). Разрушение ФАП ламелей под воздействием продольной сжимающей нагрузки, может происходить как растяжение поперечного сечения, выпучивание волокон, поперечное раскалывание. Тип разрушения зависит от типа волокна, удельного объема волокна, типа пропитки. Прочность на сжатие СФАП, УФАП и АФАП по отношению к прочности на растяжение составляет 55, 78 и 20% соответственно (Wu 1990). В целом прочность на сжатие у материалов тем выше, чем выше прочность на растяжение, за исключением АФАП, поскольку арамидные волокна выказывают нелинейную зависимость при сжатии даже при относительно небольшом уровне напряжения.
В ФАП материалах модуль упругости при сжатии обычно меньше модуля упругости при растяжении. По данным испытаний образцов содержащих по объему 55-60% длинных волокон Е-стекла в массе винилэфира или изофталевого полиэстера, их модуль упругости составил от 34000 до 48000 МПа (Wu 1990). По имеющимся данным, модуль упругости при сжатии по отношению к модулю упругости на растяжение приблизительно равен 80% для СФАП, 85% для УФАП и 100% для АФАП для одного и того же материала.

 

4.4. Изменение свойств со временем.

4.4.1. Разрушение при ползучести. ФАП материалы, которые все время находятся под постоянной нагрузкой, могут неожиданно отказать после определенного промежутка времени, который называется сроком службы. Такой тип отказа называется разрушением при ползучести. При увеличении соотношения длительного напряжение растяжения к прочности при кратковременных нагрузках, срок службы ФАП ламелей уменьшается. Срок службы уменьшается также в условиях неблагоприятной окружающей среды: при высокой температуре, ультрафиолетовом облучении, высокой щелочности, смене влажной и сухой погоды, циклах замораживания и оттаивания.

В целом, углеродное волокно менее подвержено разрушению при ползучести, арамидное волокно занимает среднюю нишу, а стекловолокно наиболее подвержено ползучести. Испытания на разрушение при ползучести проводились над ФАП ламелями диаметром 6 мм со стекловолоконной, арамидной и углеродной арматурой. ФАП ламели испытывали при различной нагрузке при комнатной температуре. Результаты показали линейную зависимость между прочностью от разрушения при ползучести и логарифмом времени нагружения при любых уровнях нагружения. Соотношение уровня напряжения при разрушении при ползучести после 500 тысяч часов (ок. 50 лет) к изначальной предельной прочности СФАП, АФАП и УФАП ламелей были экстраполированы до приблизительных значений 0,3, 0,5 и 0,9 соответственно (Yamaguchi et al. 1997; Malvar 1998). В разделе по проектированию настоящего руководства даны рекомендации по ограничению длительного напряжения для предотвращения разрушения при ползучести. До тех пор, пока длительное напряжение в ФАП ниже предела напряжения разрушения при ползучести, прочность системы ФАП можно считать достаточной и для непостоянных нагрузок.

4.4.2. Усталость. В наличии имеет значительный объем данных по усталостному поведению и предсказанию продолжительности жизни отдельных ФАП материалов (National Research Council 1991). Большинство этих данных касается материалов, применяемых в аэрокосмической индустрии. Несмотря на различия в требованиях к качеству и стабильности у ФАП материалов для аэрокосмической отрасли и обычного коммерческого применения, можно сделать общие выводы по усталостному поведению ФАП материалов. Пока не объявлено иное, рассмотренные ниже вопросы основаны на использовании однонаправленных материалов с объемным содержанием волокна 60%, подверженных синусоидальному циклу нагружения растяжением, с учетом того, что:

– частота достаточна низкая, чтобы не вызывать самонагревания;

– обычные лабораторные условия;

– соотношение напряжений (минимальное напряжение к максимальному) - 0,1;

– направление нагружения параллельно оси расположения волокон.

Условия испытаний, при которых повышалась температура и влажность в самих ФАП материалах в общем и целом ухудшали показатели по сравнению с обычными условиями.

Из всех типов ФАП композитов для применения в транспортных конструкциях наименее склонным к отказу от усталости оказался УФАП. Типичным, необходимым для повышения срока службы, является ограничение в 60-70% от начальной предельной прочности УФАП. На графике напряжение-логарифм числа циклов при отказе (кривая S-N) нисхождение ветви для УФАП обычно составляет около 5% от начальной статистической предельной прочности за десятилетие логарифма срока службы. После 1 миллиона циклов усталостная прочность обычно находится в пределах 60-70% начальной статической предельной прочности и сравнительно не подвержена воздействию влажности и температуры, пока смола или  граница раздела смолы и волокна значительно не повреждены из-за воздействия окружающей среды.

При испытаниях в обычной лабораторной среде (Mandell and Meier 1983) отдельные стеклянные волокна демонстрировали замедленное разрушение от механической коррозии, вызванной увеличением числа поверхностных дефектов при наличии постоянной минимальной влажности. При испытании композита из стеклянных волокон, наблюдался эффект усталости при цикличном растяжении на уровне 10% потерь от начальной статической прочности на каждых 10 лет логарифма срока службы (Mandell 1982). Предполагается, что этот эффект усталости связан с межволоконным взаимодействием и не зависит от механической коррозии, описанной ранее для отдельных волокон. Обычно невозможно определить предел усталости материала. Важную роль в усталостном поведении стекловолокна играют факторы окружающей среды из-за его подверженности воздействию влаги, щелочей и кислот.

Арамидные волокна, по которым имеется большое количество данных о долговечности, показывают достаточно хорошее поведение при усталости. Не принимая во внимание плохую долговечность арамидных волокон при сжатии, усталостное поведение пропитанных смолой жгутов из арамидного волокна при растяжении превосходно. Уменьшение прочности за 10 лет логарифма срока жизни составляет приблизительно 5-6% (Roylance and Roylance 1981). Хотя ограничения по сроку службы АФАП точно не установлены, за правило берется ограничение срока службы в 2 миллиона циклов напряжения, за которые доступные в продаже арматурные жгуты АФАП для армирование железобетона ослабевают до 54-73% начальной прочности на растяжение (Odagiri et al. 1997). На основе результатов изысканий, Odagiri с коллегами предложил установить максимально напряжение в пределах 0,54 - 0,73 прочности на растяжение. Поскольку кривая приложенного напряжения относительно логарифма срока службы АФАП подобна кривой напряжения относительно логарифма жизненного цикла, отдельные волокна отказывают при снижения прочности из-за ползучести. Этот процесс, ограничивающий жизненный цикл доступных в продаже арматурных стержней АФАП, ускоряется при наличии влажности и повышенной температуры (Roylance and Roylance 1981; Rostasy 1997).

 

4.5. Долговечность

Многие системы ФАП демонстрируют ухудшение механических свойств при наличии ряда факторов окружающей среды, в том числе высокой температуры, влажности, воздействия химикатов. К числу факторов, влияющих на степень ухудшения механических характеристик, относятся воздействие окружающей среды, длительность такого воздействия, тип и состав смолы, тип волокна, методы отверждения. Эти факторы подробно рассмотрены в разделе 9.3. Заявляемые производителем  характеристики при растяжении основываются на испытаниях, проводимых в лабораторных условиях и не отражают эффект воздействия окружающей среды. Эти характеристики подлежат корректировке в соответствии с разделом 9.4 для учета ожидаемых условий рабочей окружающей среды, воздействию которой может подвергаться система ФАП за время эксплуатации.

 

4.6. Оценка систем ФАП

Систему ФАП следует допускать для использования в проекте на основе данных независимых лабораторных испытаний материалов, составляющих ФАП, и получаемого из них ламината, данных конструкционных испытаний для планируемого типа применения, а также данных о долговечности с учетом ожидаемых условий окружающей среды. Данные испытаний системы ФАП, предоставленные изготовителем, должны соответствовать всем проектным физико-механическим требованиям, включая прочность на растяжение, срок службы, устойчивость к ползучести, прочность сцепления с поверхностью и температуру стеклования Tg.

Композитные системы ФАП, не прошедшие все виды испытаний, не следует допускать к применению. Технические характеристики систем ФАП должны определятся испытаниями отвержденных ламинатов, в условиях, соответствующих месту их реального монтажа. Технические характеристики следует проверять согласно общим процедурам, указанным в приложении Б. Стандартные процедуры испытаний могут подвергаться изменениям для приближения к реальным условиям применения систем .

Программы оценки качества материалов должны включать достаточный объем лабораторных исследований для измерения и многократного получения повторных результатов по важным параметрам. Рекомендуется проводить испытания на различных партиях ФАП материалов. Можно использовать результаты независимых испытаний для оценки работоспособности системы для определенного применения.

 

ЧАСТЬ 3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МОНТАЖУ

Глава 5. Перевозка, хранение и обращение

5.1. Перевозка.

Составные части систем ФАП должны упаковываться и перевозиться в виде, соответствующем федеральным и местным правилам и стандартам по упаковке и перевозке. Упаковка, маркировка и перевозка жидких термореактивных смол регулируются документом CFR 49. Часть этих материалов согласно разделу C документа CFR 49 ("Правила обращения с опасными материалами") классифицированы как едкие, огнеопасные и ядовитые.

5.2. Хранение

5.2.1. Условия хранения. Для сохранения свойств и обеспечения безопасного хранения компонентов системы ФАП эти материалы надлежит хранить в соответствии с рекомендациями изготовителя. Некоторые компоненты, такие как отвердители, инициаторы, катализаторы, растворители для очистки, имеют особые требования по безопасному хранению и должны хранится так, как рекомендовано изготовителем и организацией OSHA. Катализаторы и инициаторы (как правило это перекиси) следует хранить отдельно.

5.2.2. Срок хранения. Свойства неотвержденных компонентов смол и адгезивов могут изменятся с течением времени, под воздействием температуры и влажности. Эти факторы способны повлиять на реакционную способность смешанной системы, а также на свойства компонентов в неотвержденном и отвержденном виде. Изготовитель устанавливает рекомендуемый срок хранения, в течение которого свойства составных материалов смол остаются в пределах допустимых значений. Любые материалы, чей срок хранения был превышен, упаковка повреждена или произошло загрязнение, не должны использоваться. ФАП материалы, признанные непригодными к использованию, надлежит утилизировать способами, рекомендованными изготовителем и местными и федеральными органами контроля окружающей среды.

 

5.3. Обращение.

5.3.1. Правила техники безопасности. Паспорта безопасности вещества (материала) (ПБВ) для всех компонентов и составных частей ФАП системы предоставляются изготовителями и должны иметься в наличии на месте проведения работ.

5.3.2. Источники информации. Подробная информация по обращению и потенциальной опасности компонентов системы ФАП можно найти в информационных источниках, например, отчетах ACI и ICRI, документации компаний, руководстве OSHA, и других регулирующих информационных документах. Документ ACI 503R имеет особую пометку как главное руководство по технике безопасности при обращении с эпоксидной смолой и другими смолами и клеевыми растворами.

5.3.3. Опасности при обращении. Термореактивные смолы относятся к общему классу продуктов, куда входят ненасыщенный полиэстер, винил эфир, эпоксидная смола и полиуретановая смола. Они совместно используются с загустителями, отверждающими агентами, пероксидными инициаторами, изоцианатами, заполнителями и пластификаторами. При обращении с термореактивными растворами и их компонентами следует соблюдать меры предосторожности. Следующие опасности возникают при обращении с термореактивными растворами:

– раздражение кожи, ожоги, сыпь, зуд;

– обострение чувствительности кожи, которая является аллергической реакцией, подобной той, которую вызывает ядовитый плющ, теплоизоляционные материалы и другие аллергены;

– вдыхание органических испарений растворителей, мономеров и разбавителей;

– взрыв или возгорание при достижении определенной концентрации взрывчатых, пожароопасных и огнеопасных веществ в воздухе и контакте с высокой температурой, пламенем, горелкой, искрой, статическим электричеством, горящей сигаретой или другим источником воспламенения;

– экзотермическая реакция смесей, вызывающая пожар или телесные повреждения;

– вредная пыль, вызванная обработкой твердых материалов ФАП (следует свериться с документацией изготовителя для получения информации о других рисках).

Сложность в обращении с термореактивными смолами и прилагаемыми материалами требует, чтобы люди, работающие с данными продуктами, прочитали и поняли соответствующие этикетки и ПБВ. Часть 1500 документа CFR 16 регулирует правила маркировки опасных веществ, куда входят и материалы термореактивных смол. Документ ANSI Z-129.1 предоставляет дальнейшие рекомендации по классификации и предостережениям.

5.3.4. Защитная одежда и правила поведения персонала. Для обращения с волокном и растворами годится использование одноразовых костюмов и перчаток. Одноразовые резиновые или пластиковые перчатки рекомендуется выбрасывать после каждого использования. Перчатки должны обладать стойкостью к воздействию растворов и растворителей. При обращении с растворами и растворителями следует использовать защитные очки. При наличии в воздухе пыли и осколков волокна, органических испарений и при замешивании и нанесении смол, следует пользоваться респираторами и противопылевыми масками.

5.3.5. Техника безопасности на рабочем месте. Рабочее место должно хорошо вентилироваться. Все поверхности в зоне производства работ должны быть укрыты надлежащим образом для защиты от загрязнения и капель смолы. Каждый компонент системы ФАП нуждается в соответствующем обращении и хранении во избежание повреждений. Для получения рекомендаций следует обратится к изготовителю. Некоторые смолы потенциально опасны во время смешивания компонентов. Для правильного смешивания следует изучить документацию изготовителя, а также ознакомиться с ПБВ для понимания угроз при обращении с подобными материалами. Обычно, в процессе отвердения смол выделяется теплота, которая в свою очередь, ускоряет реакцию. В емкостях, содержащей смешиваемую массу адгезива, могут происходить неуправляемые реакции, как то дымообразование, воспламенение, вскипание, поэтому за этими емкостями необходимо следить.

5.3.6. Очистка и утилизация. Очистка может потребовать применения легковоспламеняющихся растворителей, с которыми следует соблюдать особую осторожность. Предпочтительно использовать невоспламеняющиеся очистители и растворители. Весь мусор и остатки материалов следует держать и утилизировать согласно требованиям соответствующих природоохранных документов.

 

Глава 6. Крепление

Процедуры крепления систем ФАП разрабатываются изготовителями этих систем и отличаются от системы к системе. Кроме того, монтажные процедуры могут варьироваться и в случае системы одного типа, в зависимости от ее типа и состояния армируемой железобетонной конструкции. В данной главе представлено общее руководство по монтажу систем ФАП. Наклеивать систему в соответствии с процедурами, разработанными изготовителем, должны специально обученные работники подрядчика. Любые отклонения от установленных процедур без предварительной консультации с изготовителем не допускаются.

 

6.1. Требования к квалификации исполнителя.

Монтирующий систему ФАП подрядчик должен обладать соответствующей квалификацией по подготовке поверхности железобетонной конструкции и наклейке самой системы ФАП. Квалификация подрядчика подтверждается наличием сертификата пройденного обучения и информацией о произведенных ранее работах либо путем допуска к подготовке поверхности и монтажу системы ФАП на пробном участке конструкции. Представитель изготовителя системы ФАП или его уполномоченный агент должен провести обучение рабочего персонала подрядчика касательно процедур установки своей системы и убедиться в его должной квалификации.

 

6.2. Температура и влажность

Температура, относительная влажность воздуха и влажность поверхности во время монтажа может повлиять на эксплуатационные характеристики системы ФАП. За условиями окружающей среды необходимо следить до начала и в процессе проведения монтажа, включая контроль за температурой поверхности бетона, температурой воздуха, относительной влажностью воздуха и соответствующей температурой конденсации влаги (точкой росы).

Грунтовки, пропиточные смолы и адгезив не следует наносить на излишне холодную или замерзшую поверхность. Когда температура поверхности железобетона падает ниже минимального уровня, определяемого изготовителем системы ФАП, может произойти ненадлежащая пропитка волокон и ненадлежащее отверждение клеящих компонентов, что скажется на целостности все системы ФАП. Для поднятия температуры окружающего воздуха и поверхности железобетона до нужной величины во время монтажа можно пользоваться вспомогательным нагревательным оборудованием. Источник тепла не должен загрязнять поверхность железобетона и устанавливаемой неотвердевшей системы ФАП.

Смолы и адгезивы не следует наносить на влажную или мокрую поверхность железобетона, если они специально не предназначены для такого применения. Системы ФАП не следует наклеивать на бетонные поверхности, подверженные переносу и испарению влаги. Испарение влаги на поверхности бетона, покрытого неотвержденной пропиточной смолой системы ФАП, вызывает появление на поверхности пузырьков, и может привести к потере соединения между системой ФАП и основанием.

 

6.3. Оборудование

Для некоторых систем ФАП существует специально разработанное оборудование, предназначенное для укладки материалов конкретной системы. Таким оборудованием могут быть аппараты для пропитки, пульверизаторы, подъемно-позиционирующие механизмы, намоточные машины. Все оборудование должно быть чистым и находится в рабочем состоянии. Подрядчик обязан обучить свой персонал обращению с этим оборудованием. Надлежащим образом для каждой операции должны быть подобраны и использованы средства индивидуальной защиты, такие как перчатки, маски, очки, спецодежда. Все оборудование и оснастка должны иметься в надлежащем количестве для обеспечения непрерывного рабочего процесса и гарантии качественного монтажа системы.

 

6.4. Ремонт основания и подготовка поверхности

Поведение элементов железобетонных конструкций, усиленных или отремонтированных системами ФАП, сильно зависит от состояния железобетонного основания и правильной подготовки и обработки его поверхности. Неправильно подготовленная поверхность может вызвать отслоение системы ФАП еще до достижения проектной нагрузки. Общие указания, данные в этом разделе, следует применять ко всем системам ФАП наружного наложения. Специальные указания для конкретной используемой системы ФАП следует получить у изготовителя этой системы. Подготовка основания железобетонной конструкции связана с шумом и пылью, мешает жителям и пользователям зданий.

6.4.1. Ремонт основания. До начала работ по подготовке поверхности следует решить все проблемы, связанные с состоянием железобетона и бетонного основания, могущие привести к отслоению системы ФАП. В документах ACI 546R и ICRI 03730 представлены подробные методы ремонта и подготовки поверхности бетона. Все ремонтные операции по бетону следует проводить в соответствии с требованиями проектных чертежей и спецификаций. Следует проконсультироваться с изготовителем системы ФАП относительно совместимости системы с материалами, используемыми при ремонте основания.

6.4.1.1. Коррозионный износ. ФАП системы наружного наложения не следует наклеивать на конструкции, содержащие корродированную стальную арматуру. Силы расширения, связанные с коррозионными процессами, сложно предугадать, они могут представлять угрозу целостности системы внешнего армирования ФАП. Причины коррозии должны быть установлены, а коррозионные повреждения отремонтированы до начала крепления системы ФАП.

6.4.1.2. Инъектирование трещин. Трещины шириной 0,3 мм и больше могу повлиять на характеристики системы ФАП наружного наложения, вызывая отслаивание ламелей и разлом волокна. Поэтому трещины шириной 0,3 мм и более следует инъектировать эпоксидной смолой под давлением до начала монтажа ФАП в соответствии с документом ACI 224.1R. Трещины меньшего размера, подверженные воздействию агрессивной окружающей среды так же могут потребовать инъектирование или заделку для предотвращения коррозии имеющейся стальной арматуры. Критерии для оценки ширины раскрытия трещин для различных условий окружающей среды даны в документе ACI 224.1R.

6.4.2. Подготовка поверхности. Требования по подготовке поверхности следует принимать на основе планируемого применения системы ФАП. Применение разделяется на зависимое от сцепления и зависимое от прилегания. Применение, зависимое от сцепления, а именно усиление изгибаемых элементов (балок, плит, колонн, стен) на действие изгибающего момента и поперечной силы, требует наличия адгезионной связи между системой ФАП и бетоном. Применение, зависимое от прилегания, например, для обертывания по периметру колонн, требует только наличия тесного контакта между системой ФАП и бетоном. Применение, зависимое от прилегания, не требует наличия адгезионной связи крепления системы ФАП к бетонному основанию, хотя пропиточная смола часто и используется для облегчения работ по монтажу системы.

6.4.2.1. Применение, зависимое от сцепления. Подготовка поверхности для применения, зависимого от сцепления производится в соответствии с документами ACI 546R и ICRI 03730. Бетонная или отремонтированная поверхность, к которой будет крепится система ФАП, должна быть обработана незадолго до этого и не содержать на себе непрочных частиц и пыли. В местах, где волокна перегибаются через углы конструкций прямоугольного сечения, эти углы следует скруглить с радиусом не менее 13 мм дабы избежать концентрации напряжений в системе ФАП и образование пустот между ФАП и бетоном. Шероховатые углы следует выровнять шпатлевкой. Препятствия на поверхности, внутренние углы, вогнутые поверхности и посторонние включения должны учитываться при выполнении усиления фиброармированными пластиками. Препятствия на поверхности и посторонние включения следует удалить до наклеивания ФАП. Внутренние углы и вогнутые поверхности могут потребовать специальной обработки для обеспечения надлежащего крепления системы ФАП к основанию. Подготовку поверхности можно выполнить абразивными и водоструйными методами. Цементное молоко, пыль, грязь, масло, отверждающий агент, существующие покрытия и прочее, что служит препятствием креплению системы ФАП на бетон, следует удалить. Мелкие раковины и другие мелкие пустоты должны быть полностью раскрыты в процессе выравнивания поверхности. По окончанию операций по выравниванию поверхности, ее следует очистить и защитить от загрязнения до момента установки системы ФАП, чтобы посторонние предметы и материалы не могли помешать наложению системы на поверхность.

Железобетонная поверхность должна быть подготовлена как минимум до 3 категории поверхности (CSP), измеряемой образцами шероховатости по методике ICRI. Для определения необходимости более жестких требований к поверхности следует проконсультироваться с изготовителем системы ФАП. Выявленные отклонения поверхности, включая линии от опалубки, не должны превышать 1 мм или других допусков, рекомендованных изготовителем системы ФАП. Выявленные отклонения поверхности можно удалить шлифовкой до абразивной или водоструйной очистки либо выровнять составами на основе смол, если изъяны небольшие. Мелкие раковины и пустоты можно заполнить шпаклевкой на основе смолы.

Все поверхности, на которые будет наложена система ФАП, следует высушить до уровня, рекомендованного изготовителем системы. Вода в порах может помешать проникновению адгезива и снизить механическое сцепление. Уровень влажности поверхности следует определять в соответствии с требованиями руководства ACI 503.4.

6.4.2.2. Применение, зависимое от прилегания. При применении, предполагающем обертывание несущих железобетонных конструкций, подготовка поверхности должна обеспечивать непрерывный плотный контакт поверхности железобетона с материалом ФАП. Оборачиваемые поверхности должны быть как минимум плоскими или выпуклыми для обеспечения надлежащего нагружения системы ФАП. Крупные изъяны на поверхности следует заделывать ремонтными материалами, совместимыми с существующим бетоном.

Материалы с низкой прочностью на сжатие и низким модулем упругости, такие как штукатурка, могут значительно снизить эффективность системы ФАП и подлежат удалению.

6.4.3. Системы, устанавливаемые у поверхности. Системы усиления при помощи АУП обычно устанавливаются в пазы, вырезанные в поверхности бетона. При вырезании пазов недопустимо повреждение имеющейся стальной арматуры. До установки стержней следует проверить целостность бетонной поверхности. Внутреннюю поверхность паза следует очистить для обеспечения достаточного сцепления с бетоном. Готовый паз не должен быть загрязнен цементным молоком или другими соединениями, которые могут сказаться на сцеплении. Влажность бетона следует контролировать на соответствие с требованиями клея по сцеплению. Пазы следует полностью заполнять смолой. Смола должен быть рекомендована изготовителем системы АУП.

 

6.5. Смешивание смол

Смешивание смол следует проводить в соответствии с рекомендациями изготовителя системы ФАП. Все компоненты смолы должны иметь надлежащую температуру и смешиваться в правильных пропорциях до формирования однородной массы из всех составляющих компонентов. Различные компоненты раствора обычно отличаются друг от друга цветом, так что готовой можно считать смесь единого цвета. Смолы смешиваются в течение указанного времени и проверяются на предмет однородности по цвету. Изготовители материалов должны предоставлять рекомендации по размерам порций, пропорциям, методам смешивания и времени перемешивания.

Оборудованием для смешивания могут выступать небольшие электрические миксеры или специальные устройства. При необходимости, можно  смешать смолу вручную. Количество смешиваемого раствора должно быть достаточно малым, чтобы его можно было полностью использовать за время жизни. Смешанную смолу при превышении времени жизни не следует использовать ввиду постоянного увеличения ее вязкости, что неблагоприятно сказывается на ее способность впитываться в поверхность железобетона и пропитывать волоконные листы.

 

6.6. Нанесение системы ФАП

Применение некоторых видов смол может сопровождаться испарениями. Системы ФАП следует подбирать исходя из их влияния на окружающую среду, учитывая возможное выделение летучих органических соединений и токсикологию.

6.6.1. Грунтовка и шпатлевка. По необходимости все места поверхности железобетона, куда будет накладываться ФАП, следует покрыть грунтовкой. Грунтовку следует наносить равномерно на подготовленную поверхность в объеме, определяемом изготовителем системы. До установки системы ФАП нанесенную грунтовку следует оберегать от пыли, влаги и других загрязнений.

Шпатлевку следует наносить надлежащим слоем, соблюдая последовательность после грунтовки, рекомендуемую изготовителем системы ФАП. Совместимую с системой шпатлевку, которая обычно представляет собой загущенную смолу, следует использовать только для заполнения пор и устранения неровностей поверхности до применения других материалов. Шероховатости и следы от шпателя на застывшей шпатлевке следует сгладить..

Грунтовке и шпатлевке следует дать время для отверждения согласно рекомендациям изготовителя до нанесения пропиточной смолы или адгезива. После полного отверждения шпатлевки и грунтовки могут потребоваться дополнительные операции по подготовке поверхности для начала нанесения пропиточной смолы или адгезива. Требования по подготовке поверхности должны предоставляться изготовителем системы ФАП.

6.6.2. Системы мокрого наложения. Системы ФАП мокрого наложения обычно наклеиваются вручную с использованием сухих волоконных холстов и пропиточной смолы согласно рекомендациям изготовителя. Пропиточный раствор нужно наносить равномерно на все подготовленные поверхности, на которые будет крепиться система. Волокна также могут пропитываться смолой отдельно в специальном оборудовании до размещения на бетонной поверхности.

Армирующие волокна следует аккуратно вдавливать в пропиточный раствор с соблюдением рекомендаций изготовителя. Заключенный между слоями волоконных листов воздух следует выпустить или выкатать до начала отверждения смолы. Необходимо наносить достаточный объем пропиточной смолы, чтобы она полностью пропитывала собой волокна.

Следующие слои смолы и волокна следует укладывать до полного отверждения предыдущего слоя смолы. Если предыдущие слоя уже застыли, может потребоваться межслойная подготовка поверхности, например, шлифовка или использование растворителя согласно рекомендациям изготовителя системы.

6.6.3. Системы машинного нанесения. В системах машинного нанесения могут применятся как заранее пропитанные раствором жгуты, так и сухие волоконные жгуты. Предварительно пропитанные волокна пропитываются специальными смолами в заводских условиях и доставляются на рабочую площадку в бухтах. Сухие волокна пропитываются на рабочей площадке в процессе обмотки.

Оборачивающие машины главным образом применяются для обмотки железобетонных колонн. Волокно наматывается горизонтально или под определенным углом. Оборачивающую машину устанавливают вокруг колонны и она в автоматическом режиме обертывает колонну по периметру волокном, передвигаясь вверх и вниз вдоль колонны.

После оборачивания препрегом систему подвергают отверждению повышенной температурой. Обычно источник тепла располагается вокруг колонны, обеспечивая прогрев с заранее заданной температурой и на заранее заданное время в соответствии с рекомендациями изготовителя системы. Температурный режим контролируется для обеспечения надлежащего качества. Полученная в результате ФАП обойма не имеет стыков и швов, поскольку жгуты непрерывны. Следует также соблюдать все процедуры, предваряющие нанесение, и рекомендации изготовителя системы.

6.6.4. Системы с готовым профилем. В системах с готовым профилем применяются оболочки, ленты и ячеистые сетки, которые накладывают с помощью адгезива. Адгезив следует наносить ровным слоем на подготовленную поверхность, на которую крепится система с готовым профилем, кроме тех случаев взятия бетона в обойму, когда не требуется приклеивания системы ФАП к бетонному основанию.

Поверхность твердых ламелей при креплении должны быть чистыми и подготовленными в соответствии с рекомендациями изготовителя системы. Твердые листы или изогнутые оболочки следует укладывать на или в жидкий адгезив способом, рекомендованным изготовителем системы. Воздух, заключенный между слоями, следует выпустить или выкатать до отверждения адгезива. Адгезив следует наносит в количестве, рекомендованном изготовителем системы ФАП на подготовленную поверхность, соответствующую 3 категории (CSP) по методике ICRI для обеспечения полного приклеивания последующих слоев (ICRI 03732).

6.6.5. Системы АУП. Системы АУП состоят из устанавливаемых в вырезанные в поверхности железобетона пазы прямоугольных или круглых ФАП стержней, закрепленных адгезивом. Пазы должны иметь размеры, достаточные для заливки адгезива вокруг стержней. Нарис. 13.4 приведены типовые размеры пазов для стержней и пластин АУП. АУП системы применяются для усиления как верхних частей элементов железобетонных конструкций, так и для потолочных поверхностей. Существует множество методов вклеивания систем АУП и различных типов адгезивов, которые успешно использовались в реальных условиях. Тип адгезива и метод вклеивания определяются изготовителем системы АУП.

6.6.6. Защитные покрытия. Покрытия должны быть совместимы с системой усиления ФАП и наноситься в соответствии с рекомендациям изготовителя. Обычно для очистки поверхности ФАП перед нанесением защитного покрытия не рекомендуется применение растворителей из-за разрушительного действия растворителей на полимерные составы. Изготовитель системы ФАП должен подтвердить возможность использования растворителей в целях очистки при подготовке поверхности ФАП для последующего нанесения защитного покрытия.

Защитные покрытия подлежат периодической проверке и обслуживанию для поддержания их эффективности.

 

6.7. Расположение ФАП материалов

Следует заранее определить ориентацию ФАП материала и последовательность укладки слоев. Даже незначительное, в пределах 5 градусов, отклонение от направления укладки волокон может вызвать существенное снижение прочности и модуля упругости. Отклонения в ориентации слоев можно делать только с подтверждения инженера-проектировщика.

В процессе работы с листами и тканью следует обращаться с ней так, чтобы сохранить прямолинейность и ориентацию волокна. О скрутках, загибах и других видах серьезной неоднородности ткани следует докладывать инженеру-проектировщику.

 

6.8. Многослойность и соединение внахлест

Многослойное использование возможно при условии, что прочность крепления системы ФАП к бетону достаточна и что все слои полностью пропитаны смолой, а прочность смолы на сдвиг достаточна для передачи поперечной нагрузки между слоями. Для длинных пролетов можно использовать уложенные внахлест с достаточным перехлестом отрезки сухих или предварительно пропитанных холстов, чтобы обеспечивать непрерывность передачи нагрузки. Соединение внахлест следует делать в шахматном порядке, если другое не определено инженером-проектировщиком. Детали соединения внахлест, в том числе длину перехлеста, следует подбирать исходя из результатов испытаний и монтировать согласно рекомендациям изготовителя системы. Из-за специфических характеристик некоторых систем ФАП использование нескольких слоев и соединений внахлест может не допускаться. Руководство по креплению внахлест приведены в главе 13.

 

6.9. Отверждение смол

Отверждение смол – процесс, зависящий от времени и температуры. Смолы, отверждаемые в нормальных условиях, могут полностью отверждаться до нескольких дней. Изменение температуры способно замедлить или ускорить процесс отверждения. Изготовитель системы ФАП может предложить несколько видов смол для лучшего соответствия условиям применения.

Нагревательные системы позволяют нагреть смолу до определенной температуры на определенный промежуток времени. Комбинации изменения температуры и времени в пределах определенных допусков должны обеспечивать полное отверждение системы.

Все смолы должны отверждаться в соответствии с рекомендациями изготовителя системы. Никакие изменения химической реакции смолы не допускаются.

Отверждение уложенных слоев следует проверять до наклеивания последующих слоев. Наклеивание последующих слоев следует остановить, если в процессе работы обнаружились отклонения в отверждении композита.

 

6.10. Временная защита

Перепады температур, дождь, пыль, грязь, излишний свет, высокая влажность воздуха, вандалы – факторы, которые могут нанести вред системе ФАП в процессе укладки и вызвать неправильное отверждение смол. Может потребоваться временная защита во время монтажа системы (тенты, полиэтиленовые пленки) до полного затвердевания системы. Если используются промежуточные подпорки для удержания конструкции на время производства работ, их следует удалять только после того, как система ФАП полностью отвердеет и элемент конструкции сможет выдержать проектную нагрузку. В случае подозрения о повреждении системы ФАП в процессе установки, следует уведомить об этом инженера-проектировщика и проконсультироваться с изготовителем системы ФАП.

 

Глава 7. Осмотр, оценка качества и приемка работы

Гарантия (обеспечение) качества и контроль качества (ГК/КК) и их критерии осуществляются производителями систем ФАП, подрядчиками и другими организациями, задействованными в проекте. Гарантия качества (ГК) – зона ответственности заказчика или нанятого специалиста, в то время как контроль качества (КК) – задача подрядчика и поставщика. КК должен быть комплексным и покрывать все аспекты проекта по усилению и быть подробно описан инженером-проектировщиком в проектной документации. Уровень КК и принципы испытаний, осмотров и отчетности зависят от размера и сложности проекта.

Гарантия качества достигается путем осмотров и соответствующих испытаний для документального подтверждения приемлемости монтажа. В проектной документации должны содержаться требования о проведении процедур ГК при укладке и отверждении всех материалов ФАП. План ГК должен содержать информацию о соблюдении техники безопасности персонала, нанесении и осмотре системы ФАП, положении и наложении слоев, обеспечении отверждения, способы проверки влажности поверхностей, выборке образцов для ГК, очистке и оформлению отчетности, перечисленной в разделе 14.3.

 

7.1. Осмотр

Системы ФАП и все связанные с ними работы должны осматриваться согласно соответствующим требованиям нормативных документов. При отсутствии таких требований осмотр следует проводить под руководством инженера-проектировщика или квалифицированного инспектора. Инспекторы должны обладать знаниями по системам ФАП и обладать опытом их монтажа. Квалифицированный инспектор должен требовать соблюдения проектных чертежей и спецификаций. В процессе укладки системы ФАП следует проводить ежедневные осмотры и фиксировать следующие данные:

– дата и время установки;

– температура окружающей среды, относительная влажность воздуха и общее состояние погодных условий;

– температура поверхности железобетона;

– сухость поверхности по ACI 503.4;

– методы подготовки поверхности и контроль категории профиля образцами ICRI;

– качественное описание чистоты поверхности;

– тип вспомогательного нагревательного оборудования в случае его применения;

– ширина трещин, не инъектированных эпоксидной смолой;

– номера партий используемого волокна или ламелей с готовым профилем и их размещение на конструкции;

– номера партий, соотношения смешивания, время смешивания, качественное описание внешнего вида всех смешанных растворов, включая грунтовку, шпатлевку, пропитку, адгезивы и покрытия, замешанных за текущий день;

– результаты наблюдения за процессом отверждения смол;

– соответствие установленным процедурам монтажа;

– результаты испытания на отрыв: прочность сцепления, характер отрыва и место;

– свойства и характеристики ФАП, полученные испытанием образцов, в случае необходимости;

– расположение и размеры мест отслоения или пустот;

–общий ход работ.

Инспектор обязан предоставить инженеру-проектировщику или заказчику инспекционный отчет и образцы для испытаний. Отчеты и испытательные образцы подлежат хранению не менее 10 лет или на срок, определяемый инженером-проектировщиком. Подрядчик работ обязан хранить капсулы с образцами смешанных смол и данные о положении каждой порции на конструкции.

 

7.2. Оценка и приемка работы

Системы ФАП должна быть оценена и принята или не принята согласно соответствия или не соответствия проектным чертежам и спецификациям. Характеристики материалов системы ФАП, установка в пределах указанных допусков, наличие отслоений, затвердевание смол, сцепление с основанием – все это так же требует оценки. Также следует учитывать допуски положения, включая ориентацию волокон, толщину клея, ориентацию слоев, ширину и промежутки, радиусы закруглений, длину соединений внахлест.

Для оценки установленной системы ФАП используются данные испытания плоских образцов и испытания на отрыв. Нагрузочные испытания также могут проводиться для подтверждения поведения усиленного при помощи ФАП элемента конструкции (Nanni and Gold 1998).

7.2.1. Материалы. До начала реализации проекта изготовитель системы ФАП должен предоставить сертификаты, подтверждающие свойства материалов, а также маркировку всех применяемых в системе материалов. Дополнительные испытания материалов могут проводиться в случае необходимости в зависимости от сложности проекта. Для оценки поставленных на объект ФАП материалов могут проводиться испытания прочности на растяжение, инфракрасный спектральный анализ, проверка Tg, времени гелеобразования, времени жизни смолы после смешивания, параметров прочности смолы на срез. Эти испытания обычно производятся с плоскими образцами материалов в лабораторных условиях в соответствии с планом КК. Испытания времени жизни смолы после смешивания и твердости смолы обычно производятся на объекте. Следует отказаться от использования материалов, не отвечающих минимальным требованиям, установленным инженером-проектировщиком.

Плоские испытательные образцы из ФАП композита можно использовать для оценки прочности на растяжение и модуля упругости, прочности соединения внахлест, твердости, температуры стеклования Tg, если они изготовлены в условиях, приближенных к условиям на объекте. В процессе монтажа прямо на месте могут изготавливаться образцы заданного размера по заранее разработанному плану отбора образцов. После отверждения на строительной площадке такие образцы могут быть отправлены в лабораторию для испытаний. Испытательные образцы можно хранить на объекте и регулярно отправлять в аккредитованную лабораторию для испытания на прочность и температуру стеклования Tg. Прочность и модуль упругости ФАП материалов можно установить в соответствии с рекомендациями раздела 4.3.1 и документа ACI 440.3R (метод испытаний L.2) или CSA S806-02. Характеристики, требующие лабораторной проверки, следует определять заранее. Инженер-проектировщик имеет право отменить испытания или изменить частоту их проведения.

Некоторые системы ФАП, включая препреги и системы машинной намотки, не предоставляют возможности для изготовления небольших плоских испытательных образцов. В таком случае инженер-проектировщик может изменить требования и использовать образцы, предоставляемые изготовителем системы.

В процессе установки следует изготавливать и сохранять капсулы с образцами смол согласно предписанному плану отбора образцов для последующего определения уровня отверждения (см. подраздел 7.2.4).

7.2.2. Ориентация волокон. Ориентация волокон или готовых ламелей следует оценивать визуальным осмотром. В случае применения системы мокрого наложения следует проверять волнистость волокон – проявление отклонений от общей прямой линии волокон в виде изгибов или волн.

В случае отклонения волокон или ламелей от прямой линии более чем на 5 градусов от предписанных в проектных чертежах (сдвиг до 80 мм на метр) об этом следует оповестить инженера-проектировщика для оценки отклонения и принятия дальнейшего решения.

7.2.3. Отслоения. В отвержденной системе ФАП следует оценивать наличие отслоений и пустот между слоями и между системой и железобетоном. Методы осмотра должны позволять выявлять отслоения от 1300 мм2 и выше. Для выявления отслоений можно применять  прозвучивание (простукивание молоточком), ультразвуковой и термографический методы.

Следует оценить возможное влияние отслоений и других аномалий на структурную целостность и долговечность системы ФАП. При оценке следует учитывать размеры отслоений, их местонахождение и удельное соотношение с общей поверхность системы.

Общие правила приемки для систем мокрого наложения:

– допускаются небольшие отслоения площадью до 1300 мм2 в случае, если площадь отслоения составляет менее 5% общей площади приклеивания и число мест таких отслоений не превышает 10 на 1 квадратный метр;

– крупные отслоения свыше 16000 мм2, способные ухудшить эксплуатационные характеристики установленной системы ФАП, следует отремонтировать путем вырезания поврежденных слоев и наложения перекрывающих заплаток с нужным числом слоев;

– отслоения до 16000 мм2 можно ремонтировать путем инъектирования смолой или заменой слоя, в зависимости от размера и числа отслоений и их месторасположения.

Для систем ФАП с готовым профилем каждый случай отслоения подлежит оценке и ремонту в соответствии с указаниями инженера-проектировщика. По завершении ремонта ламинат следует осмотреть еще раз, чтобы удостоверится в надлежащем проведении ремонта.

7.2.4. Отверждение смол. Относительные данные об отверждении системы ФАП можно получить по лабораторным испытаниям плоских образцов или капсул с образцами смол согласно руководству ASTM D3418. Относительное отверждение смолы можно также оценить на месте монтажа путем физической проверки на липкость и твердость рабочих поверхностей или проверкой твердости сохраненных образцов смолы. Следует проконсультироваться с изготовителем системы ФАП для получения особых требований относительно необходимости подтверждения отверждения смолы. Для систем с готовым профилем необходимо производить испытания прочности сцепления в соответствии с требованиями производителя.

7.2.5. Прочность адгезива. При зависимом от сцепления применении следует проводить испытания на прочность сцепления при растяжении по методам, изложенным в руководствах ACI 503R или ASTM D4541, или по методу, описанному в документе ACI 440.3R (метод испытаний L.1). Подобные испытания невозможно провести в случае использования системы АУП. Следует определить частоту отбора образцов. Прочность сцепления на растяжение должна превышать 1,4 МПа с отрывом по бетону. При меньших показателях уровня прочности, при отрыве слоев друг от друга или отрыве ФАП от бетона об этом следует доложить инженеру-проектировщику для оценки и принятия дальнейшего решения. В случае системы усиления АУП возможно изъятие кернов для визуального подтверждения отверждения адгезива вокруг стержня ФАП арматуры. Место изъятия керна следует выбрать так, чтобы сохранить непрерывность стержней ФАП (то есть у торцов арматуры АУП).

7.2.6. Отвержденная толщина. Небольшие керны (обычно 13 мм в диаметре) вырезаются для визуального установления толщины отвержденного ламината и количества его слоев. Керны, необходимые для испытания на сцепление, также можно использовать для установления толщины затвердевшего ламината или количества его слоев. Следует определить частоту отбора образцов. Не следует проводить забор образцов из мест с высоким напряжением в композите или из нахлесточных стыков. По соображениям эстетики, отверстия от кернов следует замазать строительным раствором или шпатлевкой системы ФАП. По необходимости поверх замазанных сразу после изъятия образцов керновых отверстий можно наложить заплатки размером 100 на 200 мм из ФАП эквивалентной толщины. Заплатку из листа ФАП следует устанавливать соблюдая процедуры, рекомендованные изготовителем системы ФАП.

 

Глава 8. Обслуживание и ремонт

8.1. Общие положения

Как и у случае любых других усилений и ремонтов конструкций, заказчик обязан периодически проверять и осматривать систему ФАП, выполненную для усиления или восстановления элементов железобетонных конструкций. В случае обнаружения повреждений и дефектов, выявленных в ходе периодической инспекции, необходимо определить и устранить их причину до проведения работ по ремонту или обслуживанию.

 

8.2. Осмотр и оценка состояния

8.2.1. Общий осмотр. Внешний осмотр предназначен для выявления изменений в цвете, отслоений, шелушения, вспучивания, щербин, растрескивания, деформирования, признаков коррозии арматуры и других дефектов. В дополнение к этому, ультразвуковая и звуковая (постукивание молоточком) и термографическая проверки могут указать на прогрессирующий процесс отслоения.

8.2.2. Испытания. Испытания включают в себя испытание на отрыв (раздел 7.2.5) и нагрузочные испытания конструкции.

8.2.3. Оценка состояния. Данные испытаний и осмотра применяются для оценки повреждений и целостности усиливающей системы. Оценка может включать рекомендации по устранению недостатков и предотвращению рецидивов ухудшения состояния.

 

8.3. Ремонт системы усиления

Метод ремонта усиливающей системы зависит от причин повреждения, типа материала, вида ущерба, уровня повреждения. Ремонтные работы системы ФАП не следует производить без предварительного выявления и устранения причины повреждения.

Следует ремонтировать даже незначительные повреждения, включая очаги растрескивания или стирания ФАП ламината, если они угрожают структурной целостности композита. Ремонт небольших дефектов можно осуществлять путем установки заплаток поверх поврежденных мест. Заплатки должны обладать такими же характеристиками - толщиной и ориентацией слоя - как и ремонтируемый ламинат. Заплатки из ФАП следует наклеивать в соответствии с рекомендациями изготовителя материала. Незначительные отслоения можно ремонтировать путем инъектирования смолы. При значительных повреждениях, включая отслаивание на значительных площадях, может потребоваться удаление подверженной повреждению области, восстановление поверхности бетона и наложения новой системы ФАП .

 

8.4. Ремонт защитного покрытия

В случаях замены защитного покрытия, следует осмотреть ФАП ламинат на предмет повреждений и износа. Защитное покрытие следует заменять, соблюдая рекомендации изготовителя системы.

 

ЧАСТЬ 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Глава 9. Общие соображения по проектированию

В данном разделе представлены общие рекомендации по проектированию. Предложенные рекомендации основываются на традиционных принципах расчета железобетона, зафиксированных в руководстве ACI 318-05, и знаниях о специфике механики  поведения арматуры ФАП.

Систему усиления ФАП следует проектировать на сопротивление растягивающим силам при совместном напряженном состоянии материала ФАП и бетонного основания. Не следует рассчитывать ФАП арматуру на сопротивление силам сжатия. Тем не менее, считается допустимым сжатие растянутой арматуры из-за перемены знака момента при динамическом характере нагружения. Прочностью на сжатие ФАП арматуры при этом следует пренебречь.

 

9.1. Принципы проектирования

Данные рекомендации по проектированию базируются на методах расчета по предельным состояниям. Такой подход устанавливает приемлемый уровень безопасности как с точки зрения эксплуатационной надежности (чрезмерная деформация и трещинообразование), так и предельных состояний по прочности (разрушение, разрыв из-за напряженности, усталость материала). При оценке нормативной прочности элемента конструкции следует оценивать возможные виды разрушения и соответствующие ему напряжения  и деформации для каждого материала. Для оценки прочности и надежности элемента конструкции могут использоваться принципы конструирования, такие как расчет по допускаемым напряжениям и преобразование сечения.

Система ФАП должна разрабатываться исходя из требований по прочности и надежности руководства ACI 318-05 и представленных в нем коэффициентов по прочности и нагрузке. Дополнительные понижающие коэффициенты, применяющиеся для арматуры ФАП, указаны в настоящем руководстве для отражения неопределенностей, присущих материалам ФАП в сравнении со стальной арматурой и преднапряженным железобетоном. Данные, понижающие напряжения, были определены на основе статистической оценки изменчивости механических характеристик, предсказанных по результатам натурных экспериментов и результатов применения на практике. Понижающие коэффициенты, применяемые к материалам ФАП, были выверены с целью получения показателя надежности выше 3,5. Показатели надежности между значениями 3,0 и 3,5 получаются для конструкций, когда относительно низкий коэффициент стального армирования сочетается с высоким коэффициентом армирования материалом ФАП. Такие случаи в процессе проектирования встречаются редко из-за нарушения ими принципа ограничения увеличения прочности, изложенного в разделе 9.2. Показатели надежности элементов конструкций, усиленных ФАП, определяются на предпосылок, используемых для расчета зданий из железобетона (Nowak and Szerszen 2003; Szerszen and Nowak 2003). В целом, считается, что надежность усиленной или отремонтированной железобетонной конструкции ниже надежности новой.