Ю.Г.ХАЮТИН, д-р техн. наук, В.Л.ЧЕРНЯВСКИЙ, инж., Е.З.АКСЕЛЬРОД, канд. техн. наук (ООО “ИнтерАква”), Применение углепластиков для усиления строительных конструкций
Проблемы ремонта строительных конструкций, связанные с их деструкцией в результате многолетнего воздействия природных факторов и агрессивных сред, становятся для развитых стран все более значимыми и требуют возрастающих затрат. Нередко восстановление строительных конструкций приходится решать одновременно с их усилением для восприятия повышенных технологических нагрузок.
Для России эти проблемы особенно остры из-за практического отсутствия в последние 15-20 лет финансирования на восстановление основных фондов промышленных, транспортных и сельскохозяйственных предприятий, что обусловлено радикальными кризисными изменениями в экономике страны. Так, в настоящее время количество нуждающихся в ремонте и усилении автомобильных мостов превышает 40 тысяч, а число требующих восстановления строительных конструкций промышленных зданий и сооружений исчисляется миллионами.
Применительно к наиболее распространенным в строительстве конструкциям из железобетона их капитальный ремонт обычно связан с деградацией собственно бетона и коррозией стальной арматуры. При ремонте и усилении таких конструкций, как правило, предусматривают удаление дефектного бетона, установку дополнительной арматуры и ее обетонирование. Нередко это приводит к необходимости развития сечения конструкций и, следовательно, их массы, что вызывает дополнительные трудности.
С середины 50-х годов прошлого века получил развитие способ внешнего армирования железобетонных конструкций, предусматривавший установку дополнительной арматуры вне их сечения. В качестве армирующих элементов использовали стальные стержни или листы (пластины), а также преднап- ряженные канаты. Способ внешнего армирования стал успешно применяться при восстановлении и усилении железобетонных конструкций, в особенности после освоения технологии приклеивания стальных пластин к поверхности железобетонных элементов эффективными эпоксидными адгезивами. Присоединенные стальные пластины дополняли существующую внутреннюю арматуру и обеспечивали снижение в последней напряжений до приемлемого уровня. Одновременно повышалась жесткость конструкций и их трещиностойкость.
Внешнее армирование при ремонте и усилении имеет необходимую расчетно-нормативную базу, является признанным и достаточно широко распространенным в строительной практике. Этот способ обладает рядом технологических преимуществ по сравнению с традиционно применяемыми технологиями ремонта и усиления. В отдельных случаях он позволяет вести работы без вывода сооружения (или его элементов) из эксплуатации.
В последние годы способ внешнего армирования получил мощный импульс для дальнейшего развития. Это связано с началом применения в качестве армирующих элементов новых высокоэффективных композиционных материалов на основе специальных стекло-, арамидных, и, в особенности, углеродных волокон.
Углеродные волокна обладают исключительными физико-механическими характеристиками (высокой прочностью на растяжение и сжатие и модулем упругости, близким к стали), а также стойкостью в различных агрессивных средах. Арамидные волокна имеют недостаточную прочность на сжатие, а стеклянные волокна относительно низкие модуль упругости. Недостаточная прочность на сжатие арамидных волокон ограничивает их применение только растянутой зоной конструкций, а их использование для усиления сжатой зоны и наклонных сечений становится проблематичным.
Важное значение при усилении конструкций имеет модуль упругости волокон, особенно при применении композиционных усиливающих элементов без предварительного напряжения. Только жесткие элементы внешнего армирования могут уменьшить напряжения в существующей арматуре. Элементы внешнего усиления из стеклянных или арамидных волокон должны быть в несколько раз толще, чем из углеродных из-за относительно низкого их модуля упругости. Однако при применении толстых пластин внешнего армирования возникает проблема обеспечения совместной работы усиливающих композитных накладок с бетоном конструкции из- за возникновения больших касательных напряжений на границе бетон- композит и опасности хрупкого разрушения от сдвига. Исследования [1] показали, что толстые элементы усиления из стеклопластика не достигают расчетной прочности; толщина элемента усиления (t) ограничивается условием b\t >50, где b ширина сечения.
На базе углеродных волокон были созданы фиброаромирован- ные пластики, обладающие чрезвычайно высокими удельными (по отношению к объемной массе) прочностными показателями. Это предопределило энергичное внедрение углепластиков в авиационной и аэрокосмической отраслях промышленности начиная с 60-х годов прошлого столетия (так же, как в свое время бурное внедрение титановых сплавов).
Развитие промышленного производства углеродных волокон привело к применению углепластиков в других отраслях техники, в том числе -для усиления строительных конструкций. Начало применения углепластиков в строительстве относится к первой половине 80-х годов прошлого века.
С 1994 года количество реализованных проектов по ремонту и усилению железобетонных конструкций с использованием углепластиков растет в геометрической прогрессии. Новая технология применялась для пролетных строений и опор мостов, для резервуаров и дымовых труб, для причальных сооружений, для балок, колонн и перекрытий зданий разного назначения. В последние годы они используются для восстановления несущей способности кирпичной и каменной кладки, а также деревянных конструкций.
Используемые для ремонта и усиления конструкций композитные материалы на базе углеродных волокон можно подразделить на две группы:
- формируемые непосредственно при производстве работ на строительном объекте,
- заводского изготовления.
Первая группа основывается на использовании углеродной ткани с расположением волокон в одном (однонаправленные) или в двух (двунаправленные) направлениях. Эти ткани поставляются в рулонах и применяются при т.н. "мокром" способе. Они наклеиваются на поверхность восстанавливаемой или усиливаемой конструкции послойно с помощью специальных эпоксидных смол с пропиткой смолами каждого слоя. Композит формируется при отверждении смолы в естественных условиях.
Композиты второй группы - жесткие (как правило, "однонаправленные"). Они производятся в заводских условиях путем пропитки углеродной ткани в ванне с эпоксидным составом, формирования пакета из необходимого количества слоев пропитанной ткани и последующей его термообработки до полного отверждения смолы. Полученные жесткие композиционные ленты называют “ламинатами”. Ламинаты наклеивают на усиливаемую конструкцию, как правило, одним слоем.
Ламинаты изготовляют длиной до 250 м, шириной 5 - 15 см при толщине 1,2 -1,5 мм. Их доставляют на объект свернутыми в рулон и разрезают на гильотинных ножницах или обрезной машиной на отрезки необходимой длины. Стоимость ламинатов значительно выше стоимости тканей, однако трудоемкость работ при их использовании может быть ниже, чем при “мокром" (послойном) способе усиления. В то же время требуются большие дополнительные трудовые и материальные затраты на подготовку поверхности конструкции (выравнивание) перед наклейкой. Возможности применения "мокрого” способа формирования композита шире, чем при использовании ламинатов, т.к. с помощью мягкой ткани можно легко выполнять даже сложные пространственные формы с объемным перераспределением усилий в восстанавливаемых элементах конструкций.
Физико-механические характеристики некоторых представленных на рынке ламинатов и композитов, получаемых “мокрым” способом на основе углеродных волокон представлены в таблице.
Несмотря на высокие стоимости композитов, усиление строительных конструкций с их помощью во многих случаях оказывается экономически целесообразным, так как реконструкцию можно выполнять без вывода сооружения из эксплуатации, при этом значительно сокращается трудоемкость выполнения работ. В ряде случаев усиление строительных конструкций композитными материалами по совокупности затрат оказывается более эф- фективным, чем традиционными методами, например, металлическими пластинами, приклеиваемыми в растянутой зоне [2].
Сравнение композитных материалов различных фирм показывает, что для каждой системы эквивалентные уровни напряжения могут быть обеспечены путем изменения ширины или (для мокрого способа) количества уложенных слоев. Преимущество полос большей ширины при фиксированном усилении заключается в увеличении площади сцепления и, соответственно, снижении контактных напряжений.
Ламинаты и ткани на основе углеродных волокон рекомендуется использовать для усиления изгибаемых (балочных и плитных), внецентренно сжатых (колонны) железобетонных и стальных конструкций,а материалы на основе стекловолокон -для усиления центрально сжатых железобетонных конструкций (колонн, свай), кирпичной кладки (усиление стен, простенков) и деревянных конструкций.
Успех применения композитных материалов для усиления строительных конструкций зависит не только от выбора эффективных композитов, но, в значительной мере, от качества подготовки основания под наклейку. Это связано с выбором материалов и технологий для ремонта деструктивной поверхности железобетона, обеспечивающих их высокую адгезию к “подложке". Ремонтный слой, в свою очередь, должен сам явиться надежным основанием для приклейки усиливающих композитных материалов и работать с ними совместно. Подготовка железобетонной конструкции к ремонту и последующему усилению должна включать мероприятия по блокированию процессов коррозии арматуры, которые, как правило, развиваются при первых признаках деструкции. Без надлежащей подготовки образующиеся продукты коррозии будут отрывать защитный слой из ремонтных материалов, что сведет на нет работы по наклейке композитов.
Подготовка бетонной подложки предусматривает удаление бетона в деструктивных зонах, очистку поверхности бетона и арматуры, обработку их специальными ингибиторами коррозии. Каверны и раковины заделываются высокопрочными быстротвердеющими ремонтными растворами. Прочность бетонной подложки (на отрыв) должна составлять не менее 1,5 МПа. Трещины с раскрытием более 0,2 мм должны быть заинъекгированы эпоксидной смолой. Неплоскостность поверхности при наклейке ламинатов не должна превышать 2 мм на базе 2 м, при использовании тканей требования по неровности поверхности менее жесткие.
При выполнении работ по усилению железобетонных конструкций угле- и стеклопластиками используются три вида эпоксидных материалов:
- грунтовки, наносимые на подложку с помощью кисти или валика: они пропитывают поверхностный слой, укрепляя его;
- шпатлевки для заделки мелких неровностей подложки перед наклейкой элементов усиления;
- непосредственно адгезивные составы для наклейки полос ламината или тканей.
Адгезивные составы наносятся на основание тонким (не более 1 мм) слоем с помощью шпателя. В случае использования ламинатов, адгезив наносится и на ленту, наклеиваемая поверхность которой должна быть перед этим тщательно очищена чистой мягкой тканью, смоченной ацетоном. После этого ленту укладывают на основание (клей к клею) и прикатывают резиновым валиком. Избытки клея, выдавливаемые по краям ленты, тщательно удаляют. Приклеенный ламинат не следует тревожить, по крайней мере, в течение суток.
При использовании тканей адгезив наносят только на подложку. После этого ткань накладывается на бетонную поверхность и аккуратно вдавливается в клей с помощью шпателя или валика. Предпочтительно использование рифленых валиков, что способствует лучшему пропитыванию тканей при разделении волокон и выходу вовлеченного в адгезив воздуха. После прикатки осуществляется выдержка в течение 30 мин. для лучшей пропитки ткани, после чего укладывается второй слой адгезива и ткани. При наклейке ткани на потолочную поверхность иногда приходится дожидаться полимеризации предыдущего слоя до наклейки следующего. По завершении наклейки всех слоев на верхний наносится защитное покрытие.
Важнейшей проблемой внешнего армирования с приклейкой армирующих элементов на поверхность строительных конструкций является обеспечение их совместной работы. Необходимо предотвратить отрыв и проскальзывание армирующих элементов вдоль поверхности растянутой зоны и их отрыв по концевым участкам. Кроме того, опасно отделение армирующих элементов от поверхности конструкций в зонах критического трещинообразования. Эти проблемы особенно существенны для пластинчатых армирующих элементов, как стальных, таки композитных. Прочность их сцепления с поверхностью растянутой зоны иногда оказывается недостаточной. В этих случаях необходимо устройство специальной анкеровки, в т.ч. стальных анкеров. “Мокрый способ” с использованием углеродных тканей имеет в этом отношении существенные преимущества. Площадь сцепления такого композита с поверхностью конструкции может быть значительно развита. Так, для изгибаемых конструкций углеродные ткани, в отличие от ламинатов, могут быть приклеены не только по работающей на растяжение плоскости конструкции, но и выходить на вертикальные стороны балок, ригелей и т.п., обеспечивая достаточное сцепление без устройства каких- либо анкеров. Совместность работы элементов усиления из тканей с конструкцией может быть улучшена, также, посредством тканевых бандажей и хомутов.
Эффективность усиления композитными полосами во многом зависит от прочности адгезива, его сцепления с бетоном. Отслаивание уг- лепластиковых полос от бетона из- за недостаточной прочности адгезива или слабого сцепления с бетоном, а также разрушение от сдвига по непрочному поверхностному слою бетона могут снизить эффективность усиления. Вопросу изучения сцепления элементов усиления с бетоном, определения необходимой длины анкеровки, влиянию на сцепление величины прочности бетона и адгезива, качества подготовки поверхности посвящено много исследований. Их результаты показали, что качество бетонной поверхности оказывает сильное влияние на сцепление с композитом. Прочность бетона на сжатие должна быть не менее 25 МПа, в противном случае не реализуется в полной мере расчетная величина усиления. Поверхность не должна иметь трещин с раскрытием более 0.2 мм , а также легко отделяющихся частиц цементного камня и заполнителя. При соблюдении этих условий предельная расчетная величина сцепления пропорциональна величине .
Для обеспечения хорошего сцепления весьма эффективна очистка поверхности струей воды под давлением 15-20 МПа.
Для углепластиковой накладки толщиной до 2 мм эффективная длина анкеровки составляет примерно 100 мм.
Комитет №440 Американского института бетона обращает внимание на то, что при проектировании усиления нельзя принимать в расчет величину максимальной прочности углепластика. За расчетное предельное состояние принято условие достижения предельной расчетной величины сцепления адгезива с бетоном [3]. В связи с этим вводится ограничение на величину предельной допускаемой продольной деформации:
Так как углепластик является линейно упругим материалом, введение такого ограничения приводит к снижению его расчетной прочности.
На основании экспериментальных исследований [3] предлагается величину “к” определять из выражения:
Из анализа выражений (2), (3) и (4) следует, что чем толще слой углепластика и выше его модуль упругости, тем ниже расчетное сопротивление углепластика и соответственно эффективность усиления. Поэтому стремление использовать углепластики с высоким модулем (больше 200000 МПа) не оправдано. Этот анализ показывает также, что даже “толстые” усиливающие накладки не позволят решить задачу восстановления железобетонных конструкций при потере более 50% несущей способности .
Бетон и железобетон, 2002 №6