External reinforcement with carbon fiber as a method of strengthening building structures

Vakhrusheva Ekaterina Andreevna Laboratory Technician, Siberian Federal University ‎660041, Russia, Krasnoyarskii krai, g. Krasnoyarsk, pr.Svobodnyi, 82a kioretson@gmail.com

В современном урбанизированном мире все интенсивнее происходит рост темпов возведения зданий и сооружений, а также увеличивается объем ремонтных работ. В индустриально развитых странах вложение инвестиций в новое строительство и ремонт уже существующих строительных объектов практически сравнялись ^[1].

Необходимость в усилении строительных конструкций из железобетона возникает в результате реконструкции и технического перевооружения объектов строительства, а также вследствии их физического износа. Причинами физического износа являются воздействия различных непредвиденных факторов, таких как коррозия материалов, нарушение условий эксплуатации, некачественное изготовление конструкций, воздействие агрессивной среды, нарушение правил технологий производства, сверхнормативные воздействия ^[2]. Влияние всех этих факторов приводит к уменьшению несущей способности элементов сооружений и, как следствие, к снижению их надежности и способности обеспечивать безопасность эксплуатации строительного объекта.

Существующие традиционные методы усиления железобетонных конструкций сравнительно дорогостоящие, трудоемкие и в ряде случаев не обеспечивают выполнение соответствующих работ без выведения сооружения из эксплуатации. Поэтому существует необходимость использования новых технологий и способов усиления, а также современных материалов при реконструкции зданий и сооружений.

Одним из таких методов является внешнее армирование углеродным волокном.

Углеродное волокно является продуктом искусственного происхождения и относится к полимерам с композитной структурой. Формируется из тонких нитей (диаметр от 3 до 15 микрон), а нити, в свою очередь, из атомов углерода, которые объединяются в кристаллическую сетку ^[3]. Из свойств углеродных волокон можно выделить высокий модуль упругости, высокую прочность, низкую плотность, низкий коэффициент трения, а также высокую стойкость к атмосферным осадкам. Кроме высоких прочностных характеристик углеродные волокна хорошо поводят электрический ток и обладают очень низким коэффициентом линейного расширения. Классификация углеродных волокон по физико-механическим свойствам приведена в таблице 1 ^[4].

Таблица 1 – Классификация углеродных волокон, основанная на физико-механических свойствах

Система внешнего армирования предусматривает усиление строительных конструкций путем внешнего армирования высокопрочными углепластиками. Армирующие пластины создаются путем наклейки соответствующих тканей на отремонтированную поверхность конструкции специальными эпоксидными составами, обеспечивающими надежное сцепление с бетоном. Процесс выполнения работ представлен в схеме 1.

Схема 1 – Производство работ по усилению конструкций методом внешнего армирования

Как видно процесс производства работ является достаточно простым, не требует подключения тяжелой техники, что делает его экономически привлекательным.

В современной инженерно-строительной науке происходит интенсивное изучение железобетонных конструкций, усиленных углеродным волокном.

Так, в работе А.А. Неровных ^[5] описаны исследования по изучению поведения двух железобетонных балок с различной схемой армирования. Схемы армирования представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема внешнего армирования образцов

В результате работы получены такие результаты: в зависимости от схемы армирования несущая способность балок повышается от 33 до 184 %. Увеличение несущей способности в процентном соотношении представлено в таблице 2.

Таблица 2 – Увеличение несущей способности в зависимости от схемы усиления

Недостатком данных испытаний можно отметить несоответствие реальным условиям, так как в жизни усилению подвергаются поврежденные конструкции.

Наиболее достоверными можно считать испытания, проводимые при подготовке диссертации В. В. Гапоновым ^[6]. В них исследовалась реакция увеличиваемой нагрузки балки до появления трещин, после чего балка усиливалась углеродным волокном. В результате исследования выяснено, что порог разрушающей нагрузки, воздействующей на балки, был выше у образцов, усиленных углеволокном. В зависимости от вида усиления эта нагрузка для армированных сеткой образцов составила от 900 до 4200 кг, у образцов без усиления 680-700 кг.

В работе М. Н. Смердова ^[7] проведено экспериментальное исследование несущей способности железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами, при пониженных и повышенных температурах. В ходе работы отмечено, что при высоких температурах (+90о С) происходит размягчение эпоксидного клея и снижение его прилипания к бетону. При низких температурах (ниже нуля градусов по Цельсию) разрушение происходит путем отслоения клеевого слоя от бетонной поверхности и последующего скалывания защитного слоя рабочей металлической арматуры.

В ЗАО «Композит» было проведено технико-экономическое обоснование эффективности усиления системой внешнего армирования. Объектом исследования являлся мост, расположенный в п. Татищево, Саратовской области. В результате калькуляции себестоимости реконструкции моста было выявлено что при усилении конструкций системой внешнего армирования сметная стоимость составит 756 211,00 руб., при применении традиционного метода – 1 399 054,00 руб. Экономический эффект при использовании современного метода составил около 50 % ^[8].

Так же к настоящему времени получен практический опыт применения углеродного волокна в системе внешнего армирования.

С использованием данного метода был отремонтирован мост Очаковского путепровода на 50-м км МКАД, поврежденный в результате дорожно-транспортного происшествия. В результате аварии появились трещины в одной из несущих балок. Ее повреждение вызвало коррозию арматуры из-за попадания воды, и, как следствие, недопустимый прогиб конструкции.

Работы по восстановлению несущей способности конструкции моста были проведены с использованием композитных материалов; усиление производилось углеродными лентами.

Работы велись в ночное время, без приостановки движения на ремонтном участке. На выполнение всего объема работ бригадой из 5 человек ушло 15 ночей, на осуществление такого же объема ремонтных работ традиционным методом понадобилось бы несколько месяцев.

К тому же при использовании данного метода вес усиленной конструкции увеличился всего на 211 кг, традиционным же методом вышло бы около 17,2 т дополнительного веса.

Помимо этого, применение системы внешнего армирования углеродными лентами позволило существенно сократить сроки ремонта, увеличить межремонтный период эксплуатации моста до 30 лет (при использовании традиционных материалов межремонтный период равен пяти годам), и сэкономить на 40% затраты на ремонт ^[9].

Усиление монолитных железобетонных балок корпуса № 2 Богучанского алюминиевого завода (АО «Русал») произведено в 2015 году. Были выполнены усиление монолитных перекрытий на режимном объекте в географически труднодоступном месте. Работы проводились в сжатые сроки с применением технологии внешнего армирования углепластиковыми ламелями, что позволило компенсировать недостающую несущую способность на 4-х этажах здания с минимальным временем и финансовыми затратами ^[10].

В 2017 году производилось усиление Северного моста в г. Череповце. Степень изношенности моста составляла 60%, поэтому капитальный ремонт был необходим. В результате ремонта выполнено усиление 32-х мостовых балок пролетного строение моста с применением системы внешнего армирования ^[11].

Текущий опыт применения системы внешнего армирования показывает, что он является менее трудозатратам; при производстве работ проявляется экономия как трудовых ресурсов, так и времени. Процесс производства работ не требует выведения объекта из эксплуатации, что позволяет не допустить экономические потери.

Проведённый анализ показывает, что применение внешнего армирования как метода при усилении строительных конструкций, является достаточно эффективным. Несомненным преимуществом в сравнении с традиционными методами являются:

· увеличение несущей способности строительной конструкции без значительного увеличения ее веса;

· сокращение расходов на ремонт;

· уменьшение временных и трудовых затрат;

· увеличение межремонтного периода конструкции;

· возможность выполнения работ без выведения сооружения из эксплуатации.

Несмотря на то, что данный метод имеет весомый перечень достоинств, проблема отслаивание клеевого слоя углеродного волокна от бетонной поверхности при воздействии высоких и низких температур все-таки существует, что, несомненно, приведет к снижению приобретенных прочностных характеристик и к разрушению конструкций.

Среди приоритетных перспективных направлений исследований возможностей внешнего армирования строительных конструкций методом внешнего армирования углеродным волокном, следует выделить решение проблемы отслаивания клеевого слоя от бетона.