В статье авторы приводят сведения об эффективности усиления углеволокном железобетонных элементов, преимущества и недостатки метода, рекомендуемые размеры пазов и композита.
Ключевые слова: углеволокно, усиление, железобетонные элементы.
Введение
Композитные материалы на основе углеродного волокна широко применяют в строительной отрасли в качестве системы внешнего армирования при усилении несущих строительных конструкций зданий и сооружений. Перспективным способом усиления является установка стержней из композитных материалов в пазы. Далее приведены статьи и работы, посвященные данной тематике.
В работе [1]проводят ряд экспериментов с целью сравнения усиливающей способности приклеиваемых и установленных в пазы полос углепластика. В качестве образцов взяты бетонные стержни длиной 90 см, поперечным сечением 20х20 см и трещиной посередине.
Рис. 1. Образцы для испытания на разрыв
Образцы D1 и D3 имеют одинаковое поперечное сечение композитных лент, а образцы D2 и D3 одинаковую поверхность закрепления.
Как видно из рис. 2, полосы из композитного материала в пазах более чем в 3 раза пластичней.
Рис. 2. Диаграмма напряжения-деформации
Предел прочности на разрыв для пластин 2600 МПа, таким образом при установке на поверхность используется 20 %, а при установке в пазы уже 50 % от предела прочности композитного материала.
Во второй серии экспериментов на изгиб испытывались две пары балок с поперечным сечением 35х15 см и 300 см длиной (рис.3).
Рис. 3. Образцы для испытания на изгиб
Разрушение образцов с усилением на поверхности происходило вследствие отслоения пластин, начинаясь с появления трещины в середине балки. Образец А2 разрушился после разрыва полосы из композитного материала, а разрушение образца В2 началось со сжатой зоны бетона.
Таким образом, несущая способность при усилении в пазах более чем в два раза выше, чем при усилении на поверхности. Этот факт, несомненно, делает данный вид усиления еще более привлекательным и перспективным.
В работе [2]рассматривают основные механизмы разрушения элементов, усиленных в пазах. Первый — разрушение клеевого слоя поверх стержней. Среди решений — применение более прочного клея и увеличение защитного слоя. Второй тип — разрушение бетона вокруг пазов, происходит в случае, когда растягивающие напряжения в зоне бетон-клей превосходят напряжения в бетоне. Как вариант решения — увеличение ширины паза (рис.4).
Рис. 4. Эпюра напряжений
В работе [3]проводится сравнение метода усиление на поверхности externally bonded reinforcement (EBR) и в пазах near-surface-mounted (NSM). В ходе эксперимента проведено 18 испытаний для поверхностного усиления и 24 для усиления в пазах, с использование таких композитных материалов как карбон, стекловолокно и базальт с разной формой поперечного сечения и разно обработкой поверхности. По результатам испытаний заключено, что композитный материал в пазах используется эффективней (36–100 %), чем при поверхностном усилении (в среднем 15 %). Таким образом метод вклеивания в пазы можно рассматривать альтернативой. При этом методе достигается большая осевая жесткость, особенно при усилении ребристых поверхностей. В то же время метод более требователен к технологии установки и заливки пазов адгезивным составом.
В работе [4]рассматриваются механизмы разрушения при усилении в пазах. На рис.5 приведены 4 варианта отказа элемента, усиленного в пазах.
Рис. 5. Причины отказа усиленного элемента
Вследствие передачи нагрузки с композитного стержня на бетон возможны 4 случая:
- Нарушение связи между композитным материалом и адгезивным составом, из-за чего стержни и усиливаемый элемент перестают работать совместно.
- Разрушение внутри адгезивного состава, зависит целиком от прочностных свойств самого состава.
- Нарушение связи между адгезивным составом и бетоном
- Разрушение бетона в непосредственной близости от паза. 3
В статье [5]опять же приводятся различные механизмы разрушения в двух группах:
Нарушение связи между материалами
- Отрыв адгезивного состава от композитного материала. Возможен при использовании гладких стрежней и при слабой пескоструйной обработке.
- Отрыв адгезивного состава от бетона. Происходит при машинно-выполненных пазах из-за их слишком ровной поверхности.
Разрушение по поверхности
Отрыв внешнего слоя клеевого состава. Схож с разрушением защитного слоя бетона при использовании изогнутой арматуры, но из-за большей пластичности композитных стержней разрушение происходит не так интенсивно. Причина — радиальные напряжения. Возможны варианты: отрыв по трещине в бетоне, отрыв по бетону с продольными трещинами в клеевом составе и отрыв всего объема состава (рис. 6).
Рис. 6. Отрыв под действием радиальных напряжений
Отрыв по краям
Происходит при слишком близкой установке композитного стержня к поверхности. Необходимая глубина заделке выбирается при проектировании.
Разрыв композитных стержней
При использовании непреднапряженных стержней наблюдается редко. Этого вида разрушения стоит избегать из-за его мгновенного характера.
Таким образом в вышеупомянутых статьях рассмотрены рекомендации по проектированию усиления, механизмы отказа систем усиления и ситуации их возникновения.
Литература:
- Blaschko M., Zilch K. Rehabilitation of concrete structures with cfrp strips glued into slits. Munich, Germany: Technische Universität München.
- Sami Rizkalla T. H. A. N. H. Design recommendations for the use of FRP for reinforcement and strenghening of concrete structures. Raleigh, USA: Prog. Struct. Engng Mater/, 2003.
- Bilotta A., Ceroni F., Ludovico M. D., Nigro E., Pecce M., Manfredi A. G. Bond Efficiency of EBR and NSM FRP Systems for. American Society of Civil Engineers, 2011.
- F. M.R., Coelho, Sena-Cruz J. M., LuísA. C. N. A review on the bond behavior of frp nsm systems in concrete. Guimarães, Portugal: ISISE, University of Minho.
- Szabó Z. K., Balázs G. L. Near surface mounted FRP reinforcement for strengthening of concrete. Budapest: Periodica Polytechnica Civil Engineeri, 2007.
