Усиление железобетонных конструкций композитными материалами

Усиление железобетонных конструкций композитными материалами на основе сетки из углеродного волокна и цементно-песчаного раствора

Ю.Ф.Бирулин, канд.техн.наук, А.Б.Соколов (ГУП НИИМосстрой), Д.Е.Семеновых (ООО «ВСХ-Профи»)

ГУП «НИИМОССТРОЙ». СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ (к 56 летию института). Москва 2012.

Метод усиления железобетонных конструкций внешним армированием тканями и ламинатами из углеродных волокон (CFRP), где в качестве клея (пропитки) используются эпоксидные составы, доказал свою актуальность.
Однако, использование эпоксидных составов имеет недостатки, к которым следует отнести паронепроницаемость, несоответствие коэффициентов температурного расширения с бетоном основания, ограничения в плане температуры применения и эксплуатации и, ограничения применения из-за влажности основания [1,2].
Как показывает опыт, главным недостатком является низкая температура стеклования эпоксидных смол, что, часто, приводит к необходимости дополнительно предусматривать противопожарные мероприятия, особенно при использовании внутри помещений. До настоящего времени в России не было подобных сертифицированных систем.
Во Франции сертифицирована система компании «Promat», которая представлена и на российском рынке, но высокая стоимость материалов системы защиты от пожара (плиты PROMATECT), в большинстве случаев делает методы усиления CFRP экономически невыгодными. Замена эпоксидной смолы на полимер-цементные составы может устранить эти недостатки [3].

Анализ результатов выполненных исследований позволяет выделить две основные группы систем усиления на основе неметаллической сетки (углеродная, стекло — и т.п.) и раствора на минеральном вяжущем (цементе):
1. Жесткая или полужесткая сетка, обычно с крупной ячейкой, с сформированными в процессе производства стержнями (за счет частичной или полной пропитки волокон), плотностью до 650 гр/кв.м. и цементно-песчаный раствор или мелкозернистый бетон.
2. Мягкая, тканеподобная сетка, обычно с мелкой ячейкой, без заводской пропитки волокон, плотность, обычно, до 250 гр/кв.м. и цементный или цементно-песчаный раствор.
Задачами исследований были выбор системы усиления, оценка удобства ее применения с точки зрения технологии нанесения материалов и эффективности, исходя из увеличения несущей способности конструкции.
Исходя из доступности на отечественном рынке, была выбрана полужесткая сетка из углеродного волокна Sigratex Grid 600 с шагом продольных/поперечных «стержней»– 10.8/18 мм (таблица 1). По приведенной выше классификации сетку следует относить к группе 1.

Таблица 1 — Технические характеристики сетки.

Тип фибры	Высокопрочная на растяжение, углеродная
Шаг сетки	0о (10,8 мм) 90о (18 мм)
Плотность фибры	1,8 гр/см3
Прочность на растяжение фибры	>3.800 МПа
Модуль упругости фибры	210 ГПа
Максимальное удлинение фибры	1,6%
Средняя плотность сетки с учетом материала пропитки	609 гр/м2
Средняя плотность сетки без учета материала пропитки	528 гр/м2
Толщина сетки	2 мм
Расчетная толщина сетки в одном направлении(1)	примерно 0,18 / 0,1 мм
Расчетная разрывающая сила на ед. ширины сетки (Ffd)(2)	Обычно не менее 325/250 кН/м
Расчетная прочность на растяжение в продольном и поперечном направлении(3) в бетоне (ffd)	1800/2500 Н/мм2
Расчетные деформации (εfd)(4)	0,86 / 1,2%
Длина рулона	100 м
Ширина рулона	1250 мм

ПРИМЕЧАНИЯ:

⁽¹⁾ Расчетная толщина сетки определяется как равномерно распределенная общая толщина волокон на единицу
ширины/длины сетки и рассчитывается путем деления веса фибры на ее плотность. Здесь и далее число перед
косой чертой означает значение для продольного направления сетки, а после косой черты – для поперечного.
⁽²⁾ Расчетная разрывающая сила сетки (кН на метр ширины) получена по результатам фактических испытаний в
лаборатории производителя.
⁽³⁾ Расчетная прочность на растяжение в продольном и поперечном направлении⁽³⁾ в бетоне (f_fd) получена путем
деления расчетной разрывающей силы на расчетную толщину сетки.
⁽⁴⁾ Расчетные деформации (ε_fd) получены путем деления f_fd на модуль упругости волокна.

Чем меньше размер ячейки углеродной сетки, тем большую нагрузку при одинаковой несущей способности на единицу ширины сетки может воспринимать конструкция до начала трещинообразования, и тем равномернее распределение трещин по площади в процессе образования и раскрытия трещин [4].

Несмотря на то, что доступные сетки Ruredil X Mesh С10 на основе углеродного волокна и Ruredil X Mesh Gold на основе PBO волокна имеют более мелкую ячейку и менее трудоемки в монтаже, они не были выбраны для системы усиления по следующим причинам:

Сетки существенно дороже в пересчете на условную единицу усиления;
Ограничения несущей способности. В [7] для Ruredil X Mesh Gold приводится значение «разрушающего усилия на единицу ширины сетки» F_fd=157,5 кН/м* (с учетом устройства U-образных анкерующих хомутов по концам). Для сетки Sigratex Grid 600 этот показатель составляет 325 кН/м (без анкеровки концов), что представляется оптимальным. В данном случае это означает уменьшение количества слоев усиления, т.к. согласно [5,6] эффективность второго слоя усиления, равнопрочного первому, существенно меньше.

В системах ремонта и/или усиления большое значение имеет адгезия системы:

• по контактной зоне «раствор — бетон основания»;
• в зоне «углеродная сетка – раствор».

Адгезия к сетке в значительной степени определяется материалом пропитки [8] сетки и конфигурацией продольных и поперечных стержней, т.е. заводскими параметрами. При этом исследования по адгезии цементных материалов к углеродному волокну подтверждают возможность улучшения этого показателя. Однако, обработка озоном в условиях стройплощадки [9] представляется технологически сложной и, поэтому малоперспективной. Более доступен способ латексной модификации цементно-песчаной смеси [10]. Неплохие результаты дает способ предварительной пропитки (погружения) волокна (сетки) [11] в латекс, что применимо в нашем случае. Подробно, сравнительные испытания латексов для улучшения адгезии изложены в [10].

Адгезию к бетону основания можно корректировать правильным выбором сухой смеси. Опыты по определению адгезии коммерчески доступных растворов (сухих смесей) проводились в соответствии с условиями усиления изгибаемых элементов, находящихся в эксплуатации. На образцы-призмы наносили растворы (рисунок 1), которые твердели в положении «на потолке». Образцы-призмы формовались из одного замеса одновременно с балками на испытания. После схватывания раствора, ориентировочно через час после его нанесения, образцы-призмы увлажняли распылителем и укрывали полиэтиленовой пленкой. Механическое огрубление поверхности призм не проводилось. Подготовительные мероприятия ограничивались только предварительным насыщением водой поверхности бетонных призм. При проведении работ по усилению непосредственно на объекте применение, для огрубления поверхности, перфораторов, создающих динамическую нагрузку, небезопасно.

Сравнительные испытания нескольких образцов сухих смесей заводского приготовления позволили выбрать материал, устойчиво показывающий при испытании на прямой отрыв адгезию выше прочности бетона основания на растяжение – отрыв по телу бетона призмы (рисунок 3). Именно этот материал (Planitop 400) [12] использовали для усиления образцов-балок.
В дальнейшем, опытным путем удалось оптимизировать вязкость материала с точки зрения удобоукладываемости в положении «на потолке» и полного погружения сетки в раствор.

Опытные образцы представляли собой железобетонные балки, размерами 3800х150х320 мм. Класс бетона – В22,5. Схема армирования представлена на рисунке 2. Всего было испытано 3 образца (таблица 2).

 

Перед усилением, балки загружались расчетной (по несущей способности) нагрузкой; изгибающий момент в середине пролета составлял 1584 кгс/м (q_экв=977 кгс/м²)). Трещины, возникшие в балках после загружения расчетной нагрузкой, не ремонтировались.

Подготовка поверхности бетона:

• балки Б-1 — только насыщение водой.
• балки Б-2 – механическое огрубление части поверхности электрическим дисковым инструментом с последующим насыщением водой (рисунок 3).

 

Для усиления балок использовалось два слоя углеродной сетки. Сетку укладывали послойно: наносится первый слой раствора, втапливается первая сетка, зашпатлевываются открытые (не полностью погруженные) участки сетки (рисунок 4), втапливается вторая сетка и поверхность окончательно выравнивается раствором. На всех этапах нанесения расход раствора контролировали электронными весами. Второй слой сетки наносили поверх полностью схватившегося первого слоя. Для образца Б-2 сетку перед укладкой в раствор погружали в латекс. Уход за опытными образцами-балками состоял в однократном увлажнении и укрытии полиэтиленовой пленкой.

Испытания проводились на силовой плите в ГУП «НИИМосстрой» в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 5.

Опытные образцы опирались на подвижную и неподвижную опоры. Нагрузку при испытаниях прикладывали в третях пролета сосредоточенными силами, создаваемыми гидравлическим домкратом. Вертикальные перемещения в середине пролета балок измеряли прогибомерами с ценой деления 0,1 мм. Для определения относительных деформаций арматуры к рабочим стержням в пролете крепились мессуры, перемещения которых измерялись индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. В процессе испытаний вели визуальное наблюдение за появлением трещин в бетоне конструкции; микроскопом МПБ-2 с ценой деления 0,05 мм и с 24-кратным увеличением контролировали ширину раскрытия трещин. Образцы нагружали этапами с выдержкой 5-10 минут.

Разрушающий момент, полученный из опыта, для эталонной балки (без усиления) составил 2016 кгс/м, для образца Б-1 – 3864 кгс/м, для образца Б-2 – 4464 кгс/м. Таким образом, М_усил/М_эталон равен 1,92-2,21 (таблица 2).

Таблица 2 – Основные результаты испытаний образцов.

Шифр образцов	Способ усиления балок	Разрушающий момент, полученный из опыта, кгс/м	Мусил/Мэталон
Б-1	Усиление внешним армированием из полужесткой углеродной сетки и композитным материалом на основе минерального вяжущего.	3864	1,92
Б-2	Усиление внешним армированием из полужесткой углеродной сетки и композитным материалом на основе минерального вяжущего.	4464	2,21
Б-3	Без усиления (эталонный)	2016	—

Образец Б-2 разрушился в результате отслоения усиления вместе с бетоном балки на конце области усиления (модель разрушения№6) (рисунок 7). Выкол на одной из границ имеет наклонную трещину в балке (рисунок 8).

Процентное отношение отслоения без учета зоны выкола составило около 10% для контактной зоны бетон-раствор и около 90% — для зоны раствор-сетка. Данный вид разрушения хорошо проиллюстрирован в [5] и объясняется действием на концах зоны усиления максимальных нормальных и касательных напряжений.

Результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Прочность нормальных сечений увеличивается в 1,9-2,2 раза.
2. Прогибы усиленных балок при той же нагрузке существенно ниже, чем у эталонной.
3. Рабочая арматура усиленных балок в предельном состоянии испытывает напряжения, значительно превышающие предел текучести.
4. Подтверждена эффективность использования системы для усиления изгибаемых железобетонных конструкций углеродной сеткой Sigratex Grid 600 и сухой цементно-песчаной смесью Planitop 400 без дополнительного устройства системы защиты от пожара.

По результатам данных исследований было произведено усиление продольных ребер плит покрытия на одном из объектов г. Москвы.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Техническое описание Sikadur 30;
2. Техническое описание MapeWrap 31;
3. Th. Blanksvärd. Strengthening of concrete structures by the use of mineral based composites. LICENTIATE THESIS 2007.
4. B Taljsten (et.al). Crack Development In Reinforced Mortar — An Experimental Study. APFIS 2007.
5. CNR-DT 200/2004 Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures
6. FIB Bulletin 14, Externally Bonded FRP Reinforcement for RC Structures, July 2001.
7. Техническое описание Ruredil X Mesh Gold;
8. J. Hartig, Fr. Jesse, U. Häußler-Combe. Influence of different mechanisms on the constitutive behaviour of textile reinforced concrete. 4th Colloquium on Textile Reinforced Structures (CTRS4)
9. X.Fu, W.Lu, D.D.L. Chung. Improving the bond strength between carbon fiber and cement by fiber surface treatment and polymer addition to cement mix. Cement and Concrete Research, Vol. 26, 1996.
10. M. Raupach, J. Orlowsky, T. Büttner, A. Keil. Recent Developments of the Usage of Polymers in Textile Reinforced Concrete
11. M.Ludovico, A. Prota, G. Manfredi. Concrete Confinement Using Innovative Materials: Basalt Reinforced Mortar (BRM). 2008.
12. Техническое описание Planitop 400;
13. Th. Blanksvärd. Strengthening of concrete structures by the use of mineral based composites. System and design models for flexure and shear. DOCTORAL THESIS 2009.

Полностью статья доступна по запросу в нашу компанию.