Использование композиционных материалов (КМ) для восстановления сопротивляемости климатическим воздействиям, повышения трещиностой- кости, снижения деформативности и усиления строительных конструкций внешним предварительным напряжением КМ на основе углепластиков

Использование композиционных материалов (КМ) для восстановления сопротивляемости климатическим воздействиям, повышения трещиностой-кости, снижения деформативности и усиления строительных конструкций внешним предварительным напряжением КМ на основе углепластиков

В.Е.Батрак, В.В.Бобряшов, В.М.Бобряшов, Н.И.Бушуев, А.Ю.Глазунов

Установлены свойства композиционных материалов на основе углепластика, в том числе релаксация, ползучесть, выносливость; проведены испытания натурных образцов железобетонных балок с обычным армированием; разработаны устройства для предварительного напряжения балок внешним армированием лентами из углепластика. Показано, что внешнее армирование углепластиком позволяет восстановить начальный ресурс железобетонных балок, закрыть трещины в наклонных и нормальных сечениях, увеличить первоначальный ресурс.

Ключевые слова: композиционные материалы на основе углепластика, внешнее армирование.

The Use of Composite Materials (CM) to Restore the Resistance to Climatic Influences, Improving Crack Resistance, Reduced Deformability and External Reinforcement Building Structures Prestressed CM Based on Carbon Fiber Reinforced Plastics. By V.E.Batrak, V.V.Bobryashov, V.M.Bobryashov, N.I.Bushuev, A.Yu.Glazunov

Set the properties of composite material based on carbon fiber, including relaxation, creep endurance; tests of reinforced concrete beams with conventional reinforcement; designed device to pre-stress the beams with external reinforcement by carbon fiber tapes. It is shown that external reinforcement of carbon fiber allows us to recover the initial resource of reinforced concrete beams, to close the crack in the oblique and normal sections, to increase the initial resource.

Keywords: composite material based on carbon fiber, external reinforcement.

В строительном комплексе России существует большое количество металлических, железобетонных, каменных, деревянных сооружений, которые в значительной степени исчерпали эксплуатационный ресурс. Для восстановления ресурса, его увеличения предлагается применить предварительное напряжение элементов конструкций внешней ленточной арматурой из композиционного материала (КМ) на основе углепластика. Но первоначально необходимо решить важные научные задачи - определить кратковременные прочностные и упругие свойства КМ, выяснить изменчивость этих свойств, установить длительную прочность, предел выносливости, релаксационные параметры, влияние климатических воздействий на характеристики КМ и др. Они, с учётом

изменчивости и коэффициентов запаса по материалу, его «обеспеченности» (доверительной вероятности), являются основой для проектирования строительных конструкций с использованием КМ.

Для решения вышеизложенных задач путём испытаний в соответствии с ГОСТ 25.601, ASTM D3039 были установлены кратковременные характеристики углепластика (табл. 1).

Приведённые результаты свидетельствуют о том, что кратковременные характеристики прочностных и упругих свойств имеют в партии испытаний незначительную изменчивость (до 8,1%), левостороннюю отрицательную асимметрию прочности при растяжении (А = -0,551) и правостороннюю асимметрию модуля упругости (К = 0,603). Совместно со значениями эксцесса эти результаты могут быть использованы для оценки вероятностных законов распределения (Яр, Ер).

При оценке кратковременных свойств углепластика получены графики зависимости деформаций образцов е от действующих напряжений с (рис. 1).

Таблица 1. Кратковременные значения прочности и модуля упругости углепластика

Результаты испытаний Прочность при растяжении Модуль упругости при растяжении

Среднее значение, МПа 1544,59 74982,45

Стандартная ошибка среднего значения, МПа 56,05 1288,1

Среднее квадратическое отклонение, МПа 125,34 4644,6

Коэффициент вариации, % 8,11 6,2

Медиана, МПа 1604,53 73595,9

Мода, МПа 1379,89 679800

Коэффициент асимметрии - 0,551 0,603

Стандартная ошибка асимметрии 0,913 0,616

Эксцесс - 2,111 1,191

Относительное удлинение, % 0,054

На графике отмечена нелинейность диаграммы с-е в начале нагружения образцов до значения деформаций е=0,032 мм. В дальнейшем зависимость деформаций е от напряжений с строго линейна, вплоть до разрушения образцов до е=0,054.

Проведены испытания углепластика на релаксацию напряжений при постоянной деформации на универсальной испытательной машине FP100/1 (ФРГ). Для испытаний были использованы образцы длиной 38 см, толщиной 2 мм, шириной 2 см. Кривые релаксации напряжений для различных значений постоянной деформации растяжения приведены на рисунке 2.

Анализируя кривые релаксации (показаны в уменьшенном виде), замечаем, что скорость изменения напряжений происходит в первые три часа действия постоянных деформаций.

При уровне напряжений менее 900 МПа релаксация углепластика незначительна. Это обстоятельство имеет важное значение для потерь предварительного напряжения, которое в данном случае является минимальным (не более 1,5%) в отличие от стеклопластиков (до 7%).

На основании обработки результатов испытаний получены уравнение релаксации (1), уравнение ползучести (2) с использованием наследственной теории линейной вязко-упругости и слабосингулярных функций влияния: í

a

о

ч o-(t) 1 0,005397X0,75)"  (£ — r)ü'75n

m = ~t + e  J "T^T " 1-дм-wd " '

o i

а также установлены коэффициенты релаксации и ползучести для реологического уравнения Максвелла-Томсона в условиях постоянного напряжения:

а + nà = nHè

где n - коэффициент времени релаксации; Н- с/е (0) - коэффициент кратковременной упругости.

Сравнение результатов по релаксации напряжений в углепластике по (1) и (3) приведены в таблице 2.

На основании сравнения результатов по релаксации напряжений заключаем, что аппроксимация по (1), (3) примерно равноценна при времени релаксации до 200 мин. Осуществлена оценка средних значений релаксации на различном временном интервале, установлен вид вероятностного распределения по критериям Колмогорова-Смирнова, Стьюдента, Шапиро-Уилки. Выявлены доверительные границы для средних значений релаксации при доверительной вероятности равной 0,95. Например, при времени экспозиции образцов 60 мин. Р=0,95. Нижняя граница равнялась 0,909, верхняя граница равнялась 0,978 (при двухсторонней доверительной вероятности), среднее значение равно 0,9391.

При оценке предварительного напряжения с использованием углепластиков учитывались следующие научные поло-

Рис. 1. График зависимости деформаций от нагрузки образца при растяжении

Рис. 2. Кривые релаксации углепластика

Таблица 2. Данные по релаксации углепластика, полученные с применением наследственной теории ползучести

Время наблюдения, 1 c(t)/c(0) - экспериментальные данные c(t)/c(0) - данные, рассчитанные по наследственной теории ползучести c(t)/c(0) - данные, рассчитанные по уравнению типичного тела

0 мин 1,0000 1,000 1,0000

1 мин 0,9902 0,9930 0,9918

2 мин 0,9865 0,9884 0,9915

5 мин 0,9837 0,9783 0,9908

10 мин 0,9810 0,9670 0,9887

20 мин 0,9776 0,9538 0,9875

30 мин 0,9762 0,9467 0,9854

60 мин 0,9736 0,9391 0,9795

100 мин 0,9702 0,9377 0,9725

200 мин 0,9679 0,9583

жения: строительные конструкции подвергаются постоянным знакопеременным нагрузкам многократной повторяемости, коррозионному воздействию атмосферы, возможным проливам кислот, щелочей. Эти явления приводят к различным повреждениям конструкций, усложняют их функционирование и эксплуатационную надёжность.

Целью испытаний являлась проверка возможности предварительного усиления существующих строительных конструкций, имеющих трещины в нормальных и наклонных сечениях, созданием в них предварительного напряжения углепластиковой арматурой со специально запроектированными концевыми анкерными устройствами из высокопрочной стали (рис. 3).

Методика испытаний включала следующие научные действия: выбор железобетонных моделей, выбор схемы нагружения модели испытательной нагрузкой, выбор аттестованного оборудования, приборов, устройств для испытаний - тензостанций, тензорезисторов, прогибомеров, динамометрических ключей, испытательных стендов с гидравлическими домкратами, индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм, насосных станций, телескопических луп, щупов, стальных линеек, рулеток, приборов для определения прочности бетона неразрушающим способом марки ИПС-МГ.01 (электронный измеритель), приборов для оценки расположения арматуры и защитного слоя железобетонных конструкций марки «Ргойот^ег 4 - геЬаНосаЬор» (Германия).

При испытаниях контролировались следующие параметры: прочность бетона; прочность, относительное удлинение, релаксационные характеристики углепластика, их статистическая оценка; потери от ползучести, релаксации, потери от анкерных устройств; разрыв стержневой арматуры в железобетонной модели; раздавливание бетона сжатой зоны; разрушение модели по нормальным, наклонным сечениям; прогибы; напряжения в бетоне, стержневой арматуре; напряжения в углепластике; раскрытие трещин по нормальным и наклонным сечениям железобетонной модели; разрушающие нагрузки в момент исчерпания несущей способности.

Контролируемые параметры определялись на железобетонной модели с обычным армированием без предварительного напряжения, без трещин в нормальных и наклонных сечениях; на железобетонной модели с предварительным напряжением углепластиком путём внешнего армирования; на железобетонной модели с искусственно созданными трещинами в нормальных, наклонных сечениях модели до ширины их раскрытия 0,3 мм и последующим усилением модели с трещинами, её испытанием до разрушения и определение коэффициента усиления. Испытания моделей (ЖБ балок) проводилось при температуре 18-20 оС, влажности внутри помещений до 60%.

В качестве модели для испытаний были изготовлены промышленным способом образцы из тяжёлого бетона марки М400, где в качестве ненапрягаемой арматуры была использована стержневая горячекатаная арматура периодического профиля класса А-Ш диаметром рабочей арматуры 012 мм. Схема армирования железобетонной балки и её каркас приведены на рисунке 4.

Расчётные сопротивления арматуры растяжению-сжатию для первой группы предельных состояний соответствовали: растяжению Ra = 340 МПа (3400 кгс/см2); сжатию Ra.c. = 340 МПа (3400 кгс/см2). После изготовления железобетонной модели размером 1810х220х120 мм периодически в течение одного месяца контролировалась прочность тяжёлого бетона, которая перед натяжением композитной арматуры из углепластика с полимерной матрицей составляла 38 МПа (380 кгс/см2). Периодически осуществлялся контроль прочности бетона неразрушающим методом с помощью электронного измерителя прочности бетона ИПС-МГ.01 (Россия). Натяжение композитной арматуры из углепластика производилось способом «на бетон» путём применения листовой арматуры на двух внешних поверхностях железобетонных прямоугольных моделей. Анкеровка внешней листовой арматуры осуществлялась специальным устройством, которое крепилось в торце железобетонной модели (рис. 3). Контроль усилия натяжения композитной арматуры производился тарированным динамометрическим ключом марки «Torquewrench СТ-3764» (ФРГ). Таким образом было осуществлено смешанное армирование железобетонной модели.

Испытания железобетонной однопролётной модели с внешним армированием по схеме (рис. 5) как свободно опёртой балки на двух опорах, осуществлялось загружением

Рис. 3. Натяжное устройство

Рис. 4. Железобетонная балка с армированием

двумя сосредоточенными силами. Участок между двумя силами находился в условиях чистого изгиба, где действовал только изгибающий момент М, и поперечная сила Q равнялась нулю. Испытания проводились при следующих условиях: - испытания железобетонной модели без предварительного напряжения (рис. 6) и их анализ;

Рис. 5. Схема изгибаемой железобетонной балки

Рис. 6. Испытания железобетонной модели без предварительного напряжения

- испытания железобетонной модели с внешним армированием композитным углепластиком (рис. 7) и их анализ.

Для оценки напряжённо-деформированного состояния железобетонной модели без предварительного напряжения и с внешним усилением листовым композитным углепластиком на поверхность бетона наклеивались тензодатчики базой 50 мм. Они располагались в середине пролёта перпендикулярно нормальному сечению и перпендикулярно наклонным сечениям. На стержневую металлическую арматуру в зоне максимальных растягивающих напряжений наклеивались специальным клеем тензодатчики с базой 10 мм. На листовую арматуру из углепластика наклеивались тензодатчики с базой 50 мм. Прогибы в середине пролёта железобетонных моделей контролировались индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. Расположение тен-зодатчиков показано на рисунке 8.

Испытания железобетонных моделей производилось постепенно ступенчатым нагружением с увеличением нагрузки каждый раз на 0,5-1,0 тнс. После каждого этапа нагружения железобетонные модели выдерживались под нагрузкой до пяти минут. Проверка правильности установки приборов, работы тензодатчиков осуществлялась пробным нагружением и разгружением модели силой, равной 1,5 тнс. Показания тензодатчиков, приборов на каждой ступени нагружения записывались в ведомость испытания конструкций. Характер развития трещин, момент их появления по нормальным и наклонным сечениям относительно продольной оси балок фиксировались по тензодатчикам и бинокулярным способом. За время выдержек под нагрузкой в течение пяти минут показания приборов, тензодатчиков для балок, усиленных композитным углепластиком, практически не изменялись вплоть до разрушения сжатой зоны моделей в зоне действия постоянного изгибающего момента. Нагрузки на железобетонные модели контролировались манометрами.

На рисунке 9 показаны прогибы железобетонных балок без усиления и с внешним усилением композитным углепластиком.

Рис. 7. Испытания железобетонной модели с внешним армированием композитным углепластиком

Рис. 8. Расположение тензодатчиков на образце

Эти данные свидетельствуют о том, что прогибы железобетонных усиленных балок в несколько раз меньше таковых без предварительного напряжения. Например, при нагрузке Р=6 тнс прогиб балок без предварительного напряжения составлял более 3 мм, балок с усилением лишь 1 мм. Отмечена нелинейность диаграммы Р^ до нагрузки Р = 10 тнс с усилением и до нагрузки Р = 2 тнс без предварительного усиления балок. Нормальные трещины относительно продольной оси балок без усиления их углепластиком обнаружились при нагрузке 7 тнс, что составляет примерно 60% разрушающей нагрузки. Железобетонные балки, усиленные внешним армированием из углепластика, не имели нормальных наклонных трещин вплоть до нагрузки 18 тнс.

На рисунке 10 показаны напряжения сжатия в бетоне в середине пролета железобетонных балок в зависимости от нагрузки Р. Они показывают, что напряжения сжатия в образцах железобетонных балок, усиленных углепластиковой арматурой, в сравнении с неусиленными разнятся, например, при нагрузке 10 тнс напряжения в бетоне балок без усиления составляют примерно с = 240 кгс/см2, а в усиленных углепластиком балках примерно вдвое меньше (с = 130 кгс/см2).

При этом если напряжения сжатия в бетоне без предварительного напряжения развивались от нагрузки линейно вплоть до разрушения балки (1), то напряжения сжатия в бетоне с усилением внешней углепластиковой арматурой (лентой) следовали по нелинейной диаграмме (2). Следовательно, разница между напряжениями возрастает с увеличением значений нагрузки. Аналогичные соображения можно высказать по значениям напряжений в горячекатаной арматуре и арматуре из углепластика. Например, при нагрузке в 10 тнс напряжения в углепластиковой арматуре были равны 1800 кгс/см2, напряжения в горячекатаной арматуре составляли 4300 кгс/см2. Очевидно, при нагрузке Р = 10,5 тнс произошел обрыв горячекатаной металлической арматуры при исчерпании её ресурса по временному сопротивлению равному св«5000 кгс/см2. Характерно, что при этом возникали ударные воздействия в железобетонных балках при «звуковых» сигналах. С момента нагрузки Р > 10,5 тнс напряжённо-деформированное состояние железобетонных балок полностью определялось восприятием усилий (нагрузок) листовой арматурой из углепластика при линейной зависимости между нагрузкой Р и напряжением в арматуре с вплоть до разрушения сжатой зоны бетона. При этом напряжения в углепластиковой арматуре составляли примерно 6400 кгс/см2 при кратковременном её сопротивлении свр=15440 кгс/см2.

На рисунке 11 приведены значения напряжений в металлической арматуре в зависимости от нагрузки Р. Результаты показывают, что при одной и той же нагрузке Р напряжения в металлической арматуре в образцах без усиления возрастают в несколько раз.

В ходе выполнения экспериментального исследования усиления строительных конструкций внешним армированием КМ на основе углепластиков:

1) установлены линейные вязкоупругие характеристики углепластика, его ограниченные пределы релаксации и ползучести, получены аналитические зависимости для описания процессов релаксации и ползучести углепластика. На основании статистического анализа результатов испытаний на релаксацию показано, что аппроксимация экспериментальных результатов на основании наследственной теории ползучести с использованием слабосингулярных ядер удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными;

2) в процессе испытаний установлено, что анкерное натяжное устройство углепластикового арматурного элемента является работоспособным. Углепластиковая арматура не имела проскальзывания и потерь в анкерах вплоть до разрушения железобетонных балок;

3) в ходе экспериментальных исследований железобетонных моделей выявлена положительная динамика усиления внешним армированием предварительно напряжёнными КМ из углепластика, позволяющая увеличить несущую способность балок более чем в 1,5 раза;

Рис. 9. Прогибы железобетонных балок в середине пролёта

Рис. 10. Сжимающие напряжения в бетоне в середине пролёта балки

Рис. 11. Напряжения в металлической арматуре при испытании железобетонных балок

4) разрушение железобетонных моделей, усиленных композитным углепластиком, происходило из-за исчерпания несущей способности сжатой зоны бетона в зоне действия постоянного момента. В этой связи, при увеличении прочности сжатой зоны бетона (высокопрочные бетоны) динамику усиления с помощью углепластика можно значительно повысить;

5) жёсткость конструкции, усиленной композитным углепластиком, увеличилась примерно вдвое в отличие от жёсткости модели без предварительного напряжения углепластиком;

6) результаты экспериментальных исследований показали, что внешнее армирование углепластиком позволяет восстановить начальный ресурс железобетонных балок, закрыть трещины в наклонных и нормальных сечениях, увеличить первоначальный ресурс.

Литература

1. Колтунов, А.М. К вопросу выбора ядер при решении задач с учётом ползучести и релаксации / А.М. Колтунов // Механика полимеров. - 1966. - № 4. - С. 483-497.

2. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003.

Literatura

1. Koltunov, A.M. K voprosu vybora yader pri reshenii zadach s uchetom polzuchesti i relaksatsii / A.M. Koltunov // Mehanika polimerov. - 1966. - № 4. - S. 483-497.

2. SP 63.13330.2012. Betonnye i zhelezobetonnye konstruktsii. Osnovnye polozheniya. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 52-01-2003.