Обзор композитных материалов для усиления железобетонных конструкций

В статье авторы рассматривают основные композитные материалы, используемые для усиления железобетонных конструкций

Ключевые слова: композит, усиление, железобетонные конструкции

Введение

За последнее десятилетие в связи с износом зданий и сооружений возросла потребность в усилении конструкций, в частности железобетонных, как одного из самых распространенных типов строительных конструкций. Такая потребность существовала издревле, поэтому к настоящему времени предложено большое количество способ. Помимо восстановления первоначальной несущей способности железобетонных элементов во время ремонта, реконструкции или по условиям эксплуатации зачастую возникает необходимость в увеличении их несущей способности. «Чаще всего увеличение нагрузки связано с дополнительной надстройкой уже существующих зданий и сооружений, изменением условий их эксплуатации, размеров и конструктивной схемы, установкой нового технологического оборудования или повышением пропускной способности мостовых конструкций». [1, с.4] Их можно разделить на две группы: изменение площади поперечного сечения и изменение конструктивной схемы. Первый способ довольно ограничен и используется редко.

Хорошей альтернативой классическому усилению железобетонных конструкций сталью является усиление композитными материалами. Эти материалы относительно новы и недавно вышли на широкий рынок.

В связи с этим рассмотрим основные материалы, используемые при усилении железобетонных конструкций. На микроуровне композиционные материалы состоят из двух или более компонентов. Непрерывная фаза называется матрицей, а второй компонент — наполнителем, или армирующей фазой, которая служит для изменения в нужном направлении свойств матрицы.

Композиционные материалы могут иметь керамическую, металлическую или полимерную матрицу. Наполнитель в виде волокон обычно изготавливают из прочных и жестких материалов (углерод, стекло, арамид, полиэтилен, сталь, бор и др.). Наполнитель в одном из измерений, как правило, имеет небольшой размер — менее 500 мкм. Форма и размеры наполнителя являются одними из основных параметров, определяющих поведение композиционного материала под нагрузкой.

Если непрерывные волокна уложены в одном направлении, материал называют однонаправленным. Многослойные материалы (ламинаты) состоят из нескольких однонаправленных слоев или тканей, уложенных в различных направлениях и имеющих определённую последовательность укладки слоев.

Прочность композиционного материалы во многом определяется диаметром волокна, согласно [2, с.31] зависимость можно представить так (рис.1):

Рис. 1. Зависимость прочности при растяжении от диаметра стеклянных волокон

Материалы волокна вКМ

Подробнее рассмотрим те материалы, которые непосредственно используются при усилении железобетонных конструкций (рис.2): углепластик (CFRP), стеклопластик (GFRP), материалы на основе арамидных волокон (AFRP).

Рис. 2. Типы волокон

Стеклянные волокна

Стеклянные волокна — самые дешевые, это объясняет большие объемы их производства. Стекло основано на диоксиде кремния SiO₂, который является одним из самых распространенных элементов земной коры. Различают несколько типов стекловолокна, используемого в композиционных атериалах: E-стекло и S-стекло. S-волокна примерно на 35 % прочнее Е-волокон и более термостойки согласно [3, c.52].

Углеродные волокна

Структура углеродного волокна состоит из тонких и изогнутых кристаллов графита. Структура атомной решетки атомной решетки представляет собой наложенные друг на друга пластины графита.

Углеродные волокна получают высокотемпературной обработкой полиакрилонитрильных (ПАН), пековых или вискозных волокон.

Арамидные волокна получают методом гель-формования. Плотность арамидных волокон примерно в 1.7 и в 1.25 раз меньше плотности стеклянных и углеродных соответственно. Эти волокна обладают высокой ударной прочностью. Волокна гидрофильны, термостойки и стойки к большинству растворителей и оснований.

В различных источниках данные по прочности и модулю упругости волокон различаются, что связано с множеством технологий производства и марок производимых волокон. В таблице 1 приведены одни из таких характеристик.

Таблица 1

Прочность имодуль упругости различных волокон

Литература:

1. А. А. Ш. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами. Стройиздат, 2007. — c.4.
2. Берлин А. А. Современные полимерные композиционные материалы (ПКМ) // Соросовский Образовательный Журнал. 2005. –c.31.
3. Баженов С. Л. Механика и технология композиционных материалов: Научное издание. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2014.–c.52.