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
Для оценки эффективности усиления отечественными углеродными тканями были проведены лабораторные испытания пяти групп бетонных неармированных балочек размером 10 х 10 х 40 см, на которых определялось влияние количества слоев наклеенной углеродной ткани на момент трещинообразования и разрушающую нагрузку. В каждой группе испытывали на чистый изгиб от 2 до 4 балочек из бетона класса В25. Число наклеиваемых слоев углеродной ткани варьировалось от 0 до 4. Ткань наклеивали на растянутую зону балочек. Для уменьшения опасности разрушения по наклонному сечению балки в зоне переменного изгибающего момента наклеивали хомуты из четырех слоев углеродной ткани. В каждой группе испытано от 2 до 4 балочек. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Результаты испытаний показали, что при подготовке и планировании испытаний в неполной мере была учтена фактическая высокая степень усиления неармированных балочек углепластиком на действие изгибающего момента. Эффективность усиления растянутой зоны-, недооценка влияния поперечной силы от больших изгибающих моментов, а также нецелесообразность усиления толстыми накладками, использованными для хомутов, привели в комплексе к разрушению балочек в группах 3-5 по наклонным сечениям. Даже при двух слоях наклеиваемой ткани предельное состояние балочек определялось одновременным разрушением по нормальному и наклонному сечениям. При трех и более слоях предельное состояние балочек характеризовалось преобладающим влиянием трещин по наклонному сечению, а при четырех слоях нормальные трещины не образовывались. В то же время из таблицы 2 видно, что коэффициент усиления по моменту трещинообразования при одном слое ткани составил 1,74, а при двух - 2,73. Коэффициент усиления по несущей способности соответственно составил 2,36 и 3.38. При испытаниях получено подтверждение, что для углепластиковой полосы в растянутой зоне достаточно 100 мм длины анкеровки.
Эти лабораторные испытания, конечно, не претендует на раскрытие механизма работы внешнего армирования из углепластиков, а только подтверждают возможности такого усиления.
Результаты испытаний, приведенные в [1], показали, что усиление композитными материалами железобетонных балок с процентом армирования рядовой арматурой 0,19-0,76% повышает несущую способность на 20-60%, при этом снижается опасность хрупкого разрушения. Зарождение трещин происходит при более высоких уровнях нагрузок, распространение трещин по высоте сечения сдерживается углепластиком.
Учитывая, что внешнее армирование углепластиком в основном ориентировано на восстановление утраченной в ходе эксплуатации несущей способности конструкций, совместно с “ИМИДИС были проведены испытания на изгиб трех железобетонных балок высотой 0,2 м, шириной 0,15 м и длиной 1,1 м. Бетон балок имел прочность на сжатие, соответствующую классу В35. Продольная арматура 010 мм.
Задачей этих испытаний было убедиться, что технология внешнего усиления позволяет восстанавливать трещиностойкость и несущую способность железобетонных элементов без снижения их эксплуатационных свойств. Первую балку при испытании довели до образования трещин с раскрытием 0,5-0,6 мм, а затем ее разгрузили. Трещины были заинъектированы эпоксидным компаундом, после чего на растянутую зону балки наклеено два слоя углеродной ленты. Затем балку вновь испытали на изгиб с доведением до разрушения. Две другие балки являлись контрольными. На растянутую зону балки 2 до испытания было наклеено два слоя углеродной ленты, а балка 3 не имела внешнего усиления.
При испытании балки 2 появление нормальных трещин было зафиксировано при нагрузке 60 кН, а разрушение - при нагрузке 150 кН. Характер разрушения был такой же.
Во время испытания балки 3 появление нормальных трещин было зафиксировано при нагрузке 50 кН, а разрушение - при 130 кН.
Испытания показали, что несущая способность железобетонной балки 1, усиленной после первого этапа испытаний, была не только восстановлена до первоначального уровня (балка 3), но оказалась выше контрольной на 13% (как у балки 2). Результаты испытания этих балок подтвердили, что внешнее армирование из углепластика позволяет не только восстанавливать, но и увеличивать несущую способность железобетонных конструкций.
В качестве примера успешного использования в России углеродной ткани для усиления сложных инженерных конструкций можно привести работы по восстановлению работоспособности чаши монолитного железобетонного сгустителя галитовых отходов флотофабрики на Соликамском комбинате калийных удобрений. Сгуститель представляет собой монолитную железобетонную емкость цилиндрической формы с коническим днищем, опирающимся на центральную опору и колонны, расположенные по периметру периферийной опорной балки (рис. 2). При ее обследовании были выявлены многочисленные кольцевые и радиальные трещины, а также отслоение бетона на внутренней поверхности чаши на глубину до 8 см, бухтящие зоны, следы коррозии арматуры. Протечки технологического раствора свидетельствовали о наличии сквозных трещин.
На основании результатов обследования было выполнено компьютерное моделирование фактической несущей способности и деформативности конструктивных элементов с учетом фактических физикомеханических характеристик бетона и арматуры, геометрического расположения имеющихся трещин и данных о неравномерных деформациях сгустителя. Результаты компьютерного моделирования позволили установить, что зоны максимальных растягивающих напряжений в бетоне имеют ширину порядка 1,5 - 3,0 м и расположены как над центральной опорой, так и над кольцевой опорной балкой (рис. 3). Абсолютное значение растягивающих напряжений равно 7,6 МПа, что превышает предел прочности бетона на растяжение, согласно СНиП (1,07 МПа), в 7 раз. Учитывая перемещение подвижной фермы внутри чаши, размеры зон критических напряжений распространяются по всему ее периметру. Зона опасных концентраций растягивающих напряжений на нижней поверхности чаши расположена в средней пролетной части между кольцевой опорной балкой и центральной опорой.
Для восстановления несущей способности чаши сгустителя высокопрочным углепластиком предусматривали его наклейку в двух зонах по внутренней поверхности чаши - по периметру кольцевой опорной балки (в шесть слоев) и в зоне вокруг центральной опоры (в два слоя). Расчет подтвердил, что в результате усиления величины растягивающих напряжений в бетоне не превышают 0,5 МПа.
Работы по усилению чаши были выполнены в 2000 г. силами “ИнтерАква” и “Уралгидроизоляция”. На рис. 4 виден процесс наклейки углеродных лент. По окончании работ проведено высокоточное нивелирование поверхности чаши (по 10 точкам) и опорных колонн с целью определения деформаций конструкций при частичном и полном заполнении чаши, а также после ее опорожнения. Установлено, что деформации были вдвое ниже расчетных. Двухлетняя эксплуатация сгустителя после ремонта не выявила каких-либо дефектов.
В отличие от вышеописанного примера, где восстановление несущей способности конструкции проводилось на базе расчетов ее напряженного состояния, во многих случаях армирование восстанавливаемых железобетонных элементов углепластиком предусматривает, по существу, компенсацию пораженной стальной арматуры. Характерным примером таких работ является ремонт бортовой преднапряженной железобетонной балки причала №9 Новороссийского морского порта (выполнен совместно с ООО "Порткомплектимпекс”). Балка была повреждена ударом швартующегося корабля, сбита с опор и затонула. Обследование, проведенное после ее подъема, выявило наличие трещин по фасадной части и выколов бетона глубиной до 30 см и протяженностью до 3 м на нижней поверхности. Поверхностный слой бетона был разрушен и отслаивался на глубину до 8 см. Обнаженная рядовая арматура и поперечные хомуты в ряде мест были полностью прокорродированы Средняя потеря сечения конструктивной арматуры, по экспертной оценке, составила 40%. Выявлены обрывы отдельных проволок в пучках напряженной арматуры.
Аналогичный подход был принят для инженерных решений по усилению конструкций на ряде объектов Пермского региона - плит покрытия на заводе “Пемос", корпуса Госзна- ка, главного корпуса обогатительной фабрики, плит перекрытия здания бассейна в оздоровительном комплексе, предварительно напряженных железобетонных ферм кровли цеха перегрузки соли, массивных фундаментов крупных вентиляторов ОАО “Сильвинит”, подстропильных балок цеха фанерного комбината. Работы выполнены ООО “Уралгидроизоляция” по проектам “ИнтерАква”.
Заслуживает отдельного упоминания работа по усилению пролетных конструкций автомобильного моста через реку Кехта под Архангельском, проведенная без остановки автомобильного движения через него. В этом случае совместно с Архангельским мостовым эксплуатационным управлением был выполнен комплекс работ по ремонту и усилению балок пролетных строений, в том числе восстановление защитного слоя, обработка оголенной арматуры и бетона ингибиторами коррозии, усиление балок путем наклейки нескольких слоев углеродной ткани по низу ребра и хомутов в опорной части балок (рис. 6).
Широкие возможности использования углеродной ткани для восстановления конструкций можно иллюстрировать примером усиления стальной трубы диаметром 1,2 м напорного водовода горячего водоснабжения целлюлозно-бумажного комбината в г. Сыктывкар. В результате многолетней эксплуатации трубопровод прокорродировалтолности) последние “просели” с образованием недопустимых трещин. Решение по наклейке углеродной ткани на растянутую зону перекрытий оказалось существенно экономичнее, чем альтернативная вырубка бракованных плитных конструкций.
Другим примером явилось усиление проема размером 3,4 х 3,8 м. вырезанного в готовом перекрытии двухуровневой квартиры для устройства лестницы между помещениями обоих этажей. Компьютерное моделирование выявило изменение схемы работы этого перекрытия. По результатам моделирования в зонах опасной концентрации растягивающих напряжений на нижней и верхней поверхностях плиты были наклеены полосы углеродной ткани (рис. 7). Альтернативным решением было подведение под перекрытие металлических двутавровых балок, что создавало бы для строителей большие трудности по их доставке и установке в готовом помещении и одновременно уменьшало строительный объем нижнего помещения из- за устройства в этом случае подвесного потолка на 35 см ниже поверхности перекрытия.
Интересно решение по усилению междуэтажного перекрытия, пострадавшего в результате пожара жилого дома. Здесь плиты перекрытий имели "отстрел" защитного слоя, арматура плит имела остаточные деформации от перегрева, а сами плиты имели увеличенный прогиб за счет остаточных температурных деформаций и уменьшения высоты сечения. Традиционное предложение проектной организации предусматривало удаление перекрытия над квартирой, где произошел пожар. Это требовало не только весьма сложных работ по вырубке старого и последующему бетонированию нового перекрытия, но и отселения жильцов с выше расположенного этажа. Ремонт с восстановлением защитного слоя бетона и. наклейка композиционных материалов на нижнюю поверхность пострадавшего перекрытия позволили полностью компенсировать потерю поврежденной арматуры, повысить жесткость, трещиностойкость перекрытия и обеспечить надежную дальнейшую эксплуатацию здания.
Опыт освоения технологии восстановления и усиления строительных конструкций с применением углепластиков свидетельствует о большой перспективности этого направления. Возможности этой технологии будут расширяться по мере освоения выпуска отечественными предприятиями более широкой номенклатуры углеродных тканей. Они должны в большей степени отвечать особенностям строительного производства. Необходимо выпускать больше лент разной толщины и ширины полос, с защитными пленками, растворяющимися при нанесении адгезива, двунаправленных и особенно с расположением волокон под углом друг к другу 60 -70°.
В связи с этим проблема подготовки нормативной базы для расчета и проектирования усиления как для железобетонных, так и другого типа конструкций (стальных, деревянных, каменных), приобретает особую актуальность.
Подлежит решению чрезвычайно важный и сложный вопрос обеспечения финансирования научно- исследовательских работ, которые должны явиться базой для создания и совершенствования как проектных, так и технологических нормативов. Необходимо проведение не только модельных, но и натурных исследований по выявлению влияния усиления композитами на трещиностойкость и жесткость конструкций, перераспределению усилий на разных стадиях их деформирования, изучению усиления по наклонным сечениям, по долговечности конструкций, их защите от вандализма и пр. Необходимо создание тканей одно- и двунаправленных большей толщины и подбор адгезивов для работы в различных климатических зонах страны.
Судя по нарастающим объемам публикаций, подобные исследования широко развернуты за рубежом. Представляется, что для российских условий необходима комплексная целевая программа работ, централизованно финансируемая Госстроем России совместно с заинтересованными министерствами и ведомствами.
Бетон и железобетон, 2003 №1