Введение

Железобетонные колонны являются наиболее нагруженными элементами каркасных зданий. После 30–50 лет эксплуатации бетон покрывается трещинами, арматура корродирует, несущая способность снижается на 15–50 % [1, с. 8–10]. При реконструкции (надстройка этажа, замена перекрытий) нагрузка может дополнительно возрасти на 40–70 %, что делает усиление колонн обязательным.

Традиционные методы усиления — устройство железобетонной или металлической обоймы — известны давно, но имеют серьёзные недостатки. Железобетонная обойма увеличивает сечение на 100–240 мм и массу до 2 тонн на одну колонну высотой 3 м. Металлическая обойма (уголки 75×75×8 мм с планками) прибавляет 60–100 мм по ширине и 80–120 кг веса. Через 3–5 лет сталь начинает ржаветь, требуется перекраска. Кроме того, для монтажа обойм колонну приходится полностью или частично разгружать, что в действующем здании сложно и дорого [2, с. 45–47].

Альтернатива — системы внешнего армирования углеволокном (Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP). Прочность CFRP на растяжение достигает 3000–5000 МПа, плотность — менее 2 г/см³, материал не корродирует. Наклейка выполняется за 1–2 дня без тяжёлой техники. Однако при простой наклейке без натяжения углеволокно включается в работу только после того, как бетон уже значительно деформировался. Коэффициент использования прочности CFRP не превышает 50–60 %.

Цель работы — разработать и обосновать технологию двухслойной обоймы из углеволокна, в которой второй слой укладывается с предварительным натяжением, а также предложить поправочный коэффициент для учёта начальной загрузки колонны при реконструкции.

1. Расчётная оценка эффективности

1.1. Исходные данные

Для расчёта принята типовая колонна сечением 400×400 мм, высотой 3,0 м. Бетон класса В25. Расчётное сопротивление бетона осевому сжатию для предельных состояний первой группы: Rb = 14,5 МПа. С учётом коэффициента длительности γb1 = 0,9 (преобладание постоянных и длительных нагрузок) расчётное сопротивление составляет 13,05 МПа [1, с. 42]. Продольная арматура класса А400 (4∅20) площадью 1256 мм², расчётное сопротивление Rs = Rsc = 350 МПа. Нагрузка до усиления — N = 2100 кН, приложена внецентренно (e₀ = 60 мм).

Углеволокно — ламели толщиной 1,2 мм, нормативная прочность 3500 МПа, расчётное сопротивление R_f = 2333,33 МПа (коэффициент надёжности γ_f = 1,5). Ширина обоймы равна ширине колонны — 400 мм.

1.2. Прирост несущей способности от слоёв углеволокна

Площадь поперечного сечения композитной обоймы на один погонный метр: A_f = t_f × b_f = 1,2 × 400 = 480 мм²/м [2, с. 25]. Коэффициент эффективности для квадратной колонны и поперечного армирования φ = 0,75.

Первый (пассивный) слой: ΔN₁ = 0,5·φ·A_f·R_f = 0,5·0,75·480·2333,33 = 420 кН.

Второй (напрягаемый) слой: предварительное напряжение σ_sp = 0,3·R_f = 700 МПа, коэффициент условий работы γ_sp = 1,1. ΔN₂ = 0,5·0,75·480·(2333,33 + 1,1·700) = 558,6 кН.

Суммарная несущая способность после усиления: N_усил = 2100 + 420 + 558,6 = 3078,6 кН, что на 46,6 % выше исходной.

1.3. Учёт начальной загрузки колонны (коэффициент γ_load)

В реальных условиях реконструкции колонну, как правило, полностью разгрузить невозможно. Типичный уровень начальной загрузки составляет 70 % от разрушающей (k_load = 0,7). Если не учитывать этот фактор, проектное усилие завышается. Предложен эмпирический коэффициент:

γ_load = 1–0,3·k_load. При k_load = 0,7 → γ_load = 0,79.

Фактические приросты с учётом загрузки: ΔN₁_факт = 420·0,79 = 331,8 кН; ΔN₂_факт = 558,6·0,79 = 441,3 кН. N_усил_факт = 2100 + 331,8 + 441,3 = 2873,1 кН (прирост 36,8 %).

Таблица 1

Усиление

Согласно таблице 1 без учёта коэффициента проектное усиление повышается на 2873.1кН (36,8 %).

Без учёта коэффициента проектное усиление завышается на 205,5 кН (7,1 %).

2. Технология усиления

2.1. Подготовительные работы

До начала усиления выполняют обследование по ГОСТ 31937‑2024: определяют фактические размеры, класс бетона (склерометром), расположение арматуры (магнитным методом), фиксируют дефекты. Если уровень загрузки колонны превышает 70 %, устанавливают временные разгрузочные стойки — стальные трубы Ø100–150 мм с винтовыми домкратами с шагом по высоте 1,5–2,0 м.

Поверхность колонны очищают пескоструйным аппаратом (давление 150–200 атм). Слабый бетон удаляют перфоратором. При обнажении арматуры её очищают от коррозии до металлического блеска. Трещины шириной до 0,3 мм инъецируют эпоксидной смолой SikaDur 52 под давлением 0,2–0,4 МПа; трещины 0,3–1,0 мм расчищают и шпаклюют эпоксидной шпаклёвкой. Сколы и раковины заполняют ремонтным составом SikaDur 31.

Острые углы колонны скругляют алмазной фрезой или вручную — радиус не менее 20 мм. Затем наносят эпоксидную грунтовку (праймер) валиком или кистью, расход 0,2–0,3 кг/м², выдержка до нанесения связующего — 4–24 часа [2, с. 38–40].

2.2. Укладка первого (пассивного) слоя

Углеволоконную ленту раскраивают с нахлёстом 150–200 мм (длина заготовки = периметр колонны + нахлёст). Эпоксидное связующее (например, SikaDur 330) смешивают в пропорции 100:30 по массе низкооборотной дрелью в течение 2–3 минут. Время жизни смеси при +20 °C — 30–60 мин.

Связующее наносят на поверхность колонны слоем 0,5–0,7 мм. Сухую заготовку укладывают, сверху добавляют слой связующего, после чего выполняют прикатку резиновым валиком движениями «ёлочкой» до удаления пузырей воздуха. Номинальная толщина первого слоя — 1,2±0,1 мм. Полимеризация — 24 ч при +20 °C (при +10 °C — 48–72 ч) [2, с. 42–43].

2.3. Укладка второго (напрягаемого) слоя — усовершенствование

На расстоянии 150 мм от верхнего и нижнего торцов колонны закрепляют стальные уголки 50×50×5 мм. Крепление — химическими анкерами (шпильки Ø12 мм, глубина заделки 100 мм, шаг 150 мм). После отверждения анкерного состава (≈24 ч) гайки затягивают.

Заготовку второго слоя (такой же длины) пропитывают связующим аналогично первому слою. Верхний конец заготовки фиксируют под уголком прижимной планкой. Нижний конец подсоединяют к ручной лебёдке через динамометр. Натяжение плавно доводят до расчётного усилия 336 кН (контроль динамометром, допуск ±5 %), что соответствует напряжению 700 МПа в углеволокне.

Во время натяжения ленту прикатывают резиновым валиком. По всей высоте колонны устанавливают временные стяжные хомуты из стальной ленты (шаг 300–400 мм). После фиксации лебёдку отключают, концы ленты дополнительно закрепляют к уголкам. Полимеризация под напряжением — 48 ч. Затем хомуты снимают.

2.4. Контроль качества

Контроль подразделяется на операционный (в процессе работ) и приёмочный (после окончания). Операционный контроль включает:

— влажность бетона (≤4 %);

— радиус скругления углов (≥20 мм);

— толщину слоя углеволокна (1,2 ±0,1 мм);

— усилие натяжения (336 ±5 % кН).

Приёмочный контроль выполняется не ранее чем через 72 ч после полимеризации:

— адгезия — методом отрыва по ГОСТ 28570‑2019 (норма ≥2,5 МПа) [3, с. 3];

— акустический контроль (простукивание) — пустоты выдают звонкий звук, допускается не более 5 % площади пустот;

— твёрдость связующего — дюрометром по Shore D (норма ≥80 ед.).

Результаты оформляют актом освидетельствования скрытых работ.

3. Охрана труда и экология

Работы с эпоксидными связующими относятся к вредным (2-й класс опасности). Персонал обеспечивается респираторами с фильтрами А, герметичными очками, нитриловыми перчатками, спецодеждой. На рабочем месте должна быть приточно-вытяжная вентиляция (кратность 8–10 раз в час). Запрещено курение и использование открытого огня в радиусе 10 м. Отработанные материалы (тара, ветошь, обрезки) собираются в герметичные металлические контейнеры и утилизируются как опасные отходы.

По суммарным энергозатратам углеволокно не уступает стали благодаря малому расходу материала: на одну колонну требуется 4 кг CFRP (производственные энергозатраты ≈1200 МДж) против 84 кг стали (≈2520 МДж). Выбросы CO₂ снижаются почти вдвое — с 200 кг до 110 кг.

Заключение

1. Разработана технология двухслойной обоймы из углеволокна, отличающаяся предварительным натяжением второго слоя (σ_sp = 700 МПа, усилие натяжения 336 кН). Эффективность использования углеволокна повышается на 30–40 % по сравнению с пассивной оклейкой.
2. Предложен коэффициент учёта начальной загрузки колонны γ_load = 1–0,3·k_load. При типовой загрузке 70 % фактический прирост несущей способности составляет 36,8 % (вместо 46,6 % без учёта). Без этого коэффициента проектное усиление завышается на 7,1 %.
3. Расчётно доказано, что после усиления несущая способность колонны 400×400 мм возрастает на 46,6 % (с 2100 кН до 3078,6 кН).
4. Результаты работы могут быть использованы проектными и строительными организациями при реконструкции жилых, общественных и промышленных зданий. Для обеспечения огнестойкости усиленных колонн рекомендуется обетонирование (40–60 мм) или вермикулитовая штукатурка (20–30 мм).

Литература:

1. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. — М.: Стандартинформ, 2019. — 150 с.
2. СП 164.1325800.2014. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования. — М.: Стандартинформ, 2015. — 52 с.
3. ГОСТ 28570‑2019. Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций. — М.: Стандартинформ, 2019. — 20 с.
4. Чэ Сянюй. Методы усиления железобетонных колонн с помощью углеродного волокна в Китае // Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий. — 2025. — Т. 4, № 4. — С. 69–77.
5. Кожемяка С. В., Хохрякова Д. А., Крупенченко А. В. Выбор методов усиления железобетонных колонн в условиях реконструкции действующих промышленных предприятий // Современное промышленное и гражданское строительство. — 2008. — Т. 4, №. — С. 119–128. — URL: https://donnasa.ru/publish_house/journals/spgs/2008–3/02_kozhemyaka_hohryakova_krupenchenko.pdf