Заказать звонок : +7 (495) 223-23-85
  • Пн.-Пт. с 9.30 до 18.00
  • Москва, ул. Севанская, д. 5, корп. 1
Проблемы ремонта строитель­ных конструкций, связанные с их деструкцией в результате многолет­него воздействия природных факто­ров и агрессивных сред, становят­ся для развитых стран все более значимыми и требуют возрастаю­щих затрат. Нередко восстановле­ние строительных конструкций при­ходится решать одновременно с их усилением для восприятия повы­шенных технологических нагрузок.

Для России эти проблемы осо­бенно остры из-за практического отсутствия в последние 15-20 лет финансирования на восстановление основных фондов промышленных, транспортных и сельскохозяйствен­ных предприятий, что обусловлено радикальными кризисными измене­ниями в экономике страны. Так, в настоящее время количество нуж­дающихся в ремонте и усилении автомобильных мостов превышает 40 тысяч, а число требующих вос­становления строительных конструк­ций промышленных зданий и соору­жений исчисляется миллионами.

Применительно к наиболее рас­пространенным в строительстве кон­струкциям из железобетона их ка­питальный ремонт обычно связан с деградацией собственно бетона и коррозией стальной арматуры. При ремонте и усилении таких конструкций, как правило, предусматривают - удаление дефектного бетона, установку дополнительной арматуры и ее обетонирование. Нередко это приводит к необходимости развития сечения конструкций и, следовательно, их массы, что вызывает дополнительные трудности.

С середины 50-х годов прошлого века получил развитие способ внешнего армирования железобетонных конструкций, предусматривавший установку дополнительной с арматуры вне их сечения. В качестве армирующих элементов использовали стальные стержни или листы (пластины), а также преднапряженные канаты. Способ внешнего армирования стал успешно применяться при восстановлении и усилении железобетонных конструкций, в особенности после освоения технологии приклеивания стальных пластин к поверхности железобетонных элементов эффективными эпоксидными адгезивами. Присоединенные стальные пластины дополняли существующую внутреннюю арматуру и обеспечивали снижение в последней напряжений до приемлемого уровня. Одновременно повышалась жесткость конструкций и их трещиностойкость.

Внешнее армирование при ремонте и усилении имеет необходимую расчетно-нормативную базу, является признанным и достаточно широко распространенным в строительной практике. Этот способ обладает рядом технологических преимуществ по сравнению с традиционно применяемыми технологиями ремонта и усиления. В отдельных случаях он позволяет вести работы без вывода сооружения (или его элементов) из эксплуатации.

В последние годы способ внешнего армирования получил мощный импульс для дальнейшего развития. Это связано с началом применения в качестве армирующих элементов новых высокоэффективных композиционных материалов на основе специальных стекло-, арамидных, и, в особенности, углеродных волокон.

Углеродные волокна обладают исключительными физико-механическими характеристиками (высокой прочностью на растяжение и сжатие и модулем упругости, близким к стали), а также стойкостью в различных агрессивных средах. Арамидные волокна имеют недостаточную прочность на сжатие, а стеклянные волокна относительно низкие мо­дуль упругости. Недостаточная прочность на сжатие арамидных волокон ограничивает их примене­ние только растянутой зоной конст­рукций, а их использование для уси­ления сжатой зоны и наклонных се­чений становится проблематичным.

Важное значение при усилении конструкций имеет модуль упруго­сти волокон, особенно при приме­нении композиционных усиливаю­щих элементов без предваритель­ного напряжения. Только жесткие элементы внешнего армирования могут уменьшить напряжения в су­ществующей арматуре. Элементы внешнего усиления из стеклянных или арамидных волокон должны быть в несколько раз толще, чем из углеродных из-за относительно низ­кого их модуля упругости. Однако при применении толстых пластин внешнего армирования возникает проблема обеспечения совместной работы усиливающих композитных накладок с бетоном конструкции из- за возникновения больших каса­тельных напряжений на границе бе­тон- композит и опасности хрупкого разрушения от сдвига. Исследова­ния [1] показали, что толстые эле­менты усиления из стеклопластика не достигают расчетной прочности; толщина элемента усиления (t) ог­раничивается условием b\t >50, где b ширина сечения.

На базе углеродных волокон были созданы фиброаромированные пластики, обладающие чрезвы­чайно высокими удельными (по от­ношению к объемной массе) проч­ностными показателями. Это пре­допределило энергичное внедрение углепластиков в авиационной и аэрокосмической отраслях про­мышленности начиная с 60-х годов прошлого столетия (так же, как в свое время бурное внедрение титановых сплавов).

Развитие промышленного произ­водства углеродных волокон приве­ло к применению углепластиков в других отраслях техники, в том чис­ле - для усиления строительных кон­струкций. Начало применения угле­пластиков в строительстве относит­ся к первой половине 80-х годов прошлого века.

С 1994 года количество реали­зованных проектов по ремонту и усилению железобетонных конструк­ций с использованием угле­пластиков растет в геометрической прогрессии. Новая технология при­менялась для пролетных строений и опор мостов, для резервуаров и дымовых труб, для причальных со­оружений, для балок, колонн и пе­рекрытий зданий разного назначе­ния. В последние годы они исполь­зуются для восстановления несу­щей способности кирпичной и ка­менной кладки, а также деревянных конструкций.

Используемые для ремонта и усиления конструкций композитные материалы на базе углеродных во­локон можно подразделить на две группы:
  • формируемые непосредствен­но при производстве работ на стро­ительном объекте,
  • заводского изготовления.

Первая группа основывается на использовании углеродной ткани с расположением волокон в одном (однонаправленные) или в двух (двунаправленные) направлениях. Эти ткани поставляются в рулонах и применяются при т.н. «мокром» способе. Они наклеиваются на по­верхность восстанавливаемой или усиливаемой конструкции послойно с помощью специальных эпоксид­ных смол с пропиткой смолами каж­дого слоя. Композит формируется при отверждении смолы в естествен­ных условиях.

Композиты второй группы - же­сткие (как правило, «однонаправлен­ные»). Они производятся в заводс­ких условиях путем пропитки угле­родной ткани в ванне с эпоксидным составом, формирования пакета из необходимого количества слоев пропитанной ткани и последующей его термообработки до полного от­верждения смолы. Полученные же­сткие композиционные ленты назы­вают «ламинатами». Ламинаты на­клеивают на усиливаемую конструк­цию, как правило, одним слоем.

Ламинаты изготовляют длиной до 250 м, шириной 5 - 15 см при толщине 1,2 -1,5 мм. Их доставля­ют на объект свернутыми в рулон и разрезают на гильотинных ножницах или обрезной машиной на отрезки необходимой длины. Стоимость ла­минатов значительно выше стоимо­сти тканей, однако трудоемкость работ при их использовании может быть ниже, чем при “мокром” (по­слойном) способе усиления. В то же время требуются большие дополни­тельные трудовые и материальные затраты на подготовку поверхности конструкции (выравнивание) перед наклейкой. Возможности примене­ния “мокрого" способа формирова­ния композита шире, чем при ис­пользовании ламинатов, т.к. с помо­щью мягкой ткани можно легко вы­полнять даже сложные простран­ственные формы с объемным пере­распределением усилий в восста­навливаемых элементах конструк­ций.

Физико-механические характе­ристики некоторых представленных на рынке ламинатов и композитов, получаемых “мокрым" способом на основе углеродных волокон пред­ставлены в таблице.

Несмотря на высокие стоимос­ти композитов, усиление строитель­ных конструкций с их помощью во многих случаях оказывается эконо­мически целесообразным, так как реконструкцию можно выполнять без вывода сооружения из эксплу­атации, при этом значительно со­кращается трудоемкость выполне­ния работ. В ряде случаев усиле­ние строительных конструкций ком­позитными материалами по совокуп­ности затрат оказывается более эф­фективным, чем традиционными методами, например, металлически­ми пластинами, приклеиваемыми в растянутой зоне [2].

Сравнение композитных матери­алов различных фирм показывает, что для каждой системы эквивален­тные уровни напряжения могут быть обеспечены путем изменения шири­ны или (для мокрого способа) коли­чества уложенных слоев. Преиму­щество полос большей ширины при фиксированном усилении заключается в увеличении площади сцеп­ления и, соответственно, снижении контактных напряжений.

Ламинаты и ткани на основе уг­леродных волокон рекомендуется использовать для усиления изгиба­емых (балочных и плитных), внецентренно сжатых (колонны) железобе­тонных и стальных конструкций, а материалы на основе стекловолокон - для усиления центрально сжатых железобетонных конструкций (ко­лонн, свай), кирпичной кладки (уси­ление стен, простенков) и деревян­ных конструкций.

Успех применения композитных материалов для усиления строи­тельных конструкций зависит не только от выбора эффективных ком­позитов, но, в значительной мере, от качества подготовки основания под наклейку. Это связано с выбо­ром материалов и технологий для ремонта деструктивной поверхности железобетона, обеспечивающих их высокую адгезию к “подложке”.

Ремонтный слой, в свою очередь, должен сам явиться надежным основанием для приклейки усиливаю­щих композитных материалов и работать с ними совместно. Подготовка железобетонной конструкции к ремонту и последующему усилению должна включать мероприятия по блокированию процессов корро­зии арматуры, которые, как правило, развиваются при первых признаках деструкции. Без надлежащей подготовки образующиеся продукты коррозии будут отрывать защитный слой из ремонтных материалов, что сведет на нет работы по наклей­ке композитов.

Подготовка бетонной подложки предусматривает удаление бетона в деструктивных зонах, очистку по­верхности бетона и арматуры, обработку их специальными ингибитора­ми коррозии. Каверны и раковины заделываются высокопрочными быстротвердеющими ремонтными растворами. Прочность бетонной подложки (на отрыв) должна составлять не менее 1,5 МПа. Трещины с раскрытием более 0,2 мм должны быть заинъектированы эпоксидной смолой. Неплоскостность поверхности при наклейке ламинатов не дол­жна превышать 2 мм на базе 2 м, при использовании тканей требования по неровности поверхности менее жесткие.

При выполнении работ по уси­лению железобетонных конструкций угле- и стеклопластиками использу­ются три вида эпоксидных матери­алов:

  • грунтовки, наносимые на под­ложку с помощью кисти или вали­ка; они пропитывают поверхностный слой, укрепляя его;
  • шпатлевки для заделки мел­ких неровностей подложки перед наклейкой элементов усиления;
  • непосредственно адгезивные составы для наклейки полос лами­ната или тканей.

Адгезивные составы наносятся на основание тонким (не более 1мм) слоем с помощью шпателя. В слу­чае использования ламинатов, ад­гезив наносится и на ленту, наклеи­ваемая поверхность которой долж­на быть перед этим тщательно очи­щена чистой мягкой тканью, смо­ченной ацетоном. После этого лен­ту укладывают на основание (клей к клею) и прикатывают резиновым валиком. Избытки клея, выдавлива­емые по краям ленты, тщательно удаляют. Приклеенный ламинат не следует тревожить, по крайней мере, в течение суток.

При использовании тканей адгезив наносят только на подложку. После этого ткань накладывается на бетонную поверхность и аккуратно вдавливается в клей с помощью шпателя или валика. Предпочти­тельно использование рифленых валиков, что способствует лучшему пропитыванию тканей при разделе­нии волокон и выходу вовлеченно­го в адгезив воздуха. После прикатки осуществляется выдержка в те­чение 30 мин. для лучшей пропитки ткани, после чего укладывается вто­рой слой адгезива и ткани. При на­клейке ткани на потолочную повер­хность иногда приходится дожидать­ся полимеризации предыдущего слоя до наклейки следующего. По завершении наклейки всех слоев на верхний наносится защитное по­крытие.

Важнейшей проблемой внешне­го армирования с приклейкой арми­рующих элементов на поверхность строительных конструкций является обеспечение их совместной работы. Необходимо предотвратить отрыв и проскальзывание армирующих эле­ментов вдоль поверхности растяну­той зоны и их отрыв по концевым участкам. Кроме того, опасно отде­ление армирующих элементов от поверхности конструкций в зонах критического трещинообразования. Эти проблемы особенно существен­ны для пластинчатых армирующих элементов, как стальных, так и ком­позитных. Прочность их сцепления с поверхностью растянутой зоны иногда оказывается недостаточной. В этих случаях необходимо устрой­ство специальной анкеровки, в т.ч. стальных анкеров. “Мокрый способ" с использованием углеродных тка­ней имеет в этом отношении суще­ственные преимущества. Площадь сцепления такого композита с повер­хностью конструкции может быть значительно развита. Так, для изги­баемых конструкций углеродные ткани, в отличие от ламинатов, мо­гут быть приклеены не только по работающей на растяжение плоско­сти конструкции, но и выходить на вертикальные стороны балок, риге­лей и т.п., обеспечивая достаточное сцепление без устройства каких- либо анкеров. Совместность рабо­ты элементов усиления из тканей с конструкцией может быть улучше­на, также, посредством тканевых бандажей и хомутов.

ТАБЛИЦА 1

Фирма-
изготовитель

Толщина,
мм

Прочность
при
растяжении, МПа

Модуль
упругости,
МПа

Относительное
удлинение
при разрыве, %

Ламинаты на основе углеродных волокон

Tyfo

1.4

2300

200000

1,1

CLEVER

1,4

1900-2600

150000-200000

1,3

Sika

1,2-1,4

1400-2400

150000-300000

0,8-1,9

Композиты «мокрого» формирования (данные для монослоя)

А. Из углеродной ткани

Tyfo

1,04

1000

69000

1.5

Sika

0.13-1,0

1000-3500

73000-230000

1,3-1.5

CLEVER

0,12-0.23

2600-3900

240000-640000

0,4-1.5

МВТ

0,165

3000-3600

230000-380000

0.8-1.5

Fosroc

0,11-0.17

1900-2300

230000-375000

0.5-1,0

Replarc

0,11-0.17

1900-6400

230000-640000

0.3-1,5

Freyssinet*

0.43

1400

105000

1.8-2.1

Россия

0.13-0.25

1200-1400

100000-140000

0.8-1.2

Б. Из стекловолокна

Tyfo

0.4-1,3

200-500

14000-27000

1.5-2,0

CLEWER

0,135

1700

65000

2,8

МВТ

0,12-0 35

1600-1700

71000-88000

2,0

Sika

1,0

600

26000

2,2

Fosrok

0,12

100

73000

1,4

Россия

0.12

80

51000

2.5

* Двунаправленная ткань

Эффективность усиления компо­зитными полосами во многом зави­сит от прочности адгезива, его сцеп­ления с бетоном. Отслаивание уг­лепластиковых полос от бетона из-за недостаточной прочности адгези­ва или слабого сцепления с бето­ном, а также разрушение от сдвига по непрочному поверхностному слою бетона могут снизить эффек­тивность усиления. Вопросу изуче­ния сцепления элементов усиления с бетоном, определения необходи­мой длины анкеровки, влиянию на сцепление величины прочности бе­тона и адгезива, качества подготов­ки поверхности посвящено много исследований. Их результаты пока­зали, что качество бетонной повер­хности оказывает сильное влияние на сцепление с композитом. Проч­ность бетона на сжатие должна быть не менее 25 МПа, в противном слу­чае не реализуется в полной мере расчетная величина усиления. По­верхность не должна иметь трещин с раскрытием более 0.2 мм , а так­же легко отделяющихся частиц це­ментного камня и заполнителя. При соблюдении этих условий предель­ная расчетная величина сцепления пропорциональна величине.

Для обеспечения хорошего сцепления весьма эффективна очи­стка поверхности струей воды под давлением 15-20 МПа.

Для углепластиковой накладки толщиной до 2 мм эффективная дли­на анкеровки составляет примерно 100 мм.

Комитет №440 Американского института бетона обращает внима­ние на то, что при проектировании усиления нельзя принимать в рас­чет величину максимальной прочно­сти углепластика. За расчетное пре­дельное состояние принято условие достижения предельной расчетной величины сцепления адгезива с бе­тоном [3]. В связи с этим вводится ограничение на величину предель­ной допускаемой продольной де­формации:

Так как углепластик является линейно упругим материалом, вве­дение такого ограничения приводит к снижению его расчетной прочно­сти.

На основании эксперименталь­ных исследований [3] предлагается величину “к” определять из выраже­ния:

 

При этом максимальные каса­тельные напряжения на границе уг­лепластик-бетон (гц) определяют­ся выражением:

а длина анкеровки:

Из анализа выражений (2), (3) и (4) следует, что чем толще слой уг­лепластика и выше его модуль уп­ругости, тем ниже расчетное сопро­тивление углепластика и соответ­ственно эффективность усиления. Поэтому стремление использовать углепластики с высоким модулем (больше 200000 МПа) не оправда­но. Этот анализ показывает также, что даже "толстые” усиливающие Накладки не позволят решить зада­чу восстановления железобетонных конструкций при потере более 50% несущей способности*.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Peter Н. Emmons, Alexander М. Vaysburd, and Jay Thomas/ Strengthening Concrete Structures, Part II. Concrete International, vol 20, № 4, p.56-60

Gregor Schwegler, Thierry Berset. The Use of Prestressed CFRP-Laminates as Post-Strengthening. 16 Congress of IABSE, Lucerne, 2000, CD.

Laura De Lorenzis, Brain Miller, and Antonio Nanni. Bond of Fiber-Reinforced Polymer Laminates to Concrete. ACI Materials Journal, vol. 98 No 3, 2001, p.256-264.

 

К построению общих критериев деформирования и разрушения железобетонных элементов

 Н. И. Карпенко, д-р техн. наук, проф., академик РААСН (НИИЖБ)

Напряжения в элементе являются составными, со­стоящими из напряжений в бетоне и приведенных на­пряжений в арматуре. В результате связь между на­пряжениями {Ϭ} и деформациями {Ԑ} принимает вид (при наличии начальных напряжений {Ϭ0}):

Полагается, что когда главные растягивающие на­пряжения в бетоне достигают предельных значений, найденных по условиям прочности, в нем образуются трещины. Вывод физических соотношений, устанавли­вающих связи между напряжениями и деформациями в железобетонном элементе с трещинами, является наиболее важным в цепочке теоретических построений. При этом учитываются следующие факторы:

  • углы наклона трещин к арматуре и схемы их пе­ресечения трещин (различают три схемы трещин, при­веденные на рис. 3);
  • раскрытие трещин асг и сдвиг их берегов Δ (рис. 4);
  • жесткость арматуры при осевых деформациях (рис. 4,6) под действием напряжений в арматуре в зоне трещины с учетом влияния на деформации сил сцеп­ления арматуры с полосами и блоками бетона между трещинами (рис. 4,в);
  • жесткость арматуры при тангенциальных пере­мещениях ее относительно берегов трещин под дей­ствием касательных напряжений в арматуре в зоне тре­щины с учетом податливости бетонного основания у берегов трещины (рис. 4,г);

 

Применение углепластиков для усиления строительных конструкций

Ю. Г. Хаютин, д-р техн. наук; В. Л. Чернявский, инж.; Е.З.Аксельрод, канд. техн. наук (ООО “ИнтерАква")

Для оценки эффективности усиления отечественными углеродными тканями были проведены лабораторные испытания пяти групп бетонных неармированных балочек размером 10 х 10 х 40 см, на которых определялось влияние количества слоев наклеенной углеродной ткани на момент трещинообразования и разрушающую нагрузку. В каждой группе испытывали на чистый изгиб от 2 до 4 балочек из бетона класса В25. Число наклеиваемых слоев углеродной ткани варьировалось от 0 до 4. Ткань наклеивали на растянутую зону балочек. Для уменьшения опасности разрушения по наклонному сечению балки в зоне переменного изгибающего момента наклеивали хомуты из четырех слоев углеродной ткани. В каждой группе испытано от 2 до 4 балочек. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Результаты испытаний показали, что при подготовке и планировании испытаний в неполной мере была учтена фактическая высокая степень усиления неармированных балочек углепластиком на действие изгибающего момента. Эффективность усиления растянутой зоны, недооценка влияния поперечной силы от больших изгибающих моментов, а также нецелесообразность усиления толстыми накладками, использованными для хомутов, привели в комплексе к разрушению балочек в группах 3-5 по наклонным сечениям. Даже при двух слоях наклеиваемой ткани предельное состояние балочек определялось одновременным разрушением по нормальному и наклонному сечениям. При трех и более слоях предельное состояние балочек характеризовалось преобладающим вли­янием трещин по наклонному сече­нию, а при четырех слоях нормаль­ные трещины не образовывались. В то же время из таблицы 2 видно, что коэффициент усиления по моменту трещинообразования при одном слое ткани составил 1,74, а при двух - 2,73. Коэффициент усиления по несущей способности соответствен­но составил 2,36 и 3,38. При испы­таниях получено подтверждение, что для углепластиковой полосы в растянутой зоне достаточно 100 мм длины анкеровки.

Эти лабораторные испытания, конечно, не претендует на раскры­тие механизма работы внешнего армирования из углепластиков, а только подтверждают возможности такого усиления.

Результаты испытаний, приве­денные в [1], показали, что усиле­ние композитными материалами железобетонных балок с процентом армирования рядовой арматурой 0,19-0,76% повышает несущую спо­собность на 20-60%, при этом сни­жается опасность хрупкого разру­шения. Зарождение трещин проис­ходит при более высоких уровнях нагрузок, распространение трещин по высоте сечения сдерживается углепластиком.

Учитывая, что внешнее армиро­вание углепластиком в основном ориентировано на восстановление утраченной в ходе эксплуатации несущей способности конструкций, совместно с “ИМИДИС" были про­ведены испытания на изгиб трех железобетонных балок высотой 0,2 м, шириной 0,15 м и длиной 1,1 м. Бетон балок имел прочность на сжа­тие, соответствующую классу В35. Продольная арматура 010 мм клас­са А-Ill была установлена в нижнем и верхнем поясах. Коэффициент армирования составлял 0,087%.

Задачей этих испытаний было убедиться, что технология внешне­го усиления позволяет восстанавли­вать трещиностойкость и несущую способность железобетонных эле­ментов без снижения их эксплуата­ционных свойств. Первую балку при испытании довели до образования трещин с раскрытием 0,5-0,6 мм, а затем ее разгрузили. Трещины были заинъектированы эпоксидным ком­паундом, после чего на растянутую зону балки наклеено два слоя углеродной ленты. Затем балку вновь испытали на изгиб с доведением до разрушения. Две другие балки яв­лялись контрольными. На растяну­тую зону балки 2 до испытания было наклеено два слоя углеродной лен­ты, а балка 3 не имела внешнего усиления.

ТАБЛИЦА 2

№ группы балок

Количество
слоев
угле­родной ткани

Момент
трещинообразования,
кНм

Предельный
изгибающий
момент, кНм

Коэффициент
усиления

    

по моменту
трещинооб­разования

по несущей
способности

1

0

1,61

1,61

1

1

2

1

2,8

3,8

1,74

2,36

3

2

4,4

5,45*

2,73

3,38

4

3

5,3

5,7*

3,29

3,54

5

4

5,7*

3,54

 Примечание: звездочкой отмечено разрушение по наклонному сечению.

При испытании балки 1 (до уси­ления) при нагрузке 50 кН было от­мечено образование нормальных трещин раскрытием до 0,08 мм. При нагрузке 110 кН раскрытие трещин достигло 0.6 мм. При повторном ее испытании (после усиления) раскры­тие старых и появление новых тре­щин началось при нагрузке 70 кН. Предельное состояние балки насту­пило при нагрузке 153 кН, которое сопровождалось разрушением сжа­той зоны, разрывом и отслоением углепластика, текучестью растяну­той арматуры.

При испытании балки 2 появле­ние нормальных трещин было за­фиксировано при нагрузке 60 кН, а разрушение - при нагрузке 150 кН. Характер разрушения был такой же.

Во время испытания балки 3 появление нормальных трещин было зафиксировано при нагрузке 50 кН, а разрушение - при 130 кН.

Зависимость "нагрузка - проги­бы” для балок 1 и 2 представлена на рис. 1.

Испытания показали, что несу­щая способность железобетонной балки 1, усиленной после первого этапа испытаний, была не только восстановлена до первоначального уровня (балка 3), но оказалась выше контрольной на 13% (как у балки 2). Результаты испытания этих балок подтвердили, что внешнее армиро­вание из углепластика позволяет не только восстанавливать, но и уве­личивать несущую способность железобетонных конструкций.

 

Рис. 1. Зависимость «нагрузка-прогиб» для балок № 1 и 2 (Р- нагрузка, f-прогиб):
1 — балка №1 до усиления; 2 — балка №1 после усиления; 3 — балка №2.

 

В качестве примера успешного использования в России углеродной ткани для усиления сложных инже­нерных конструкций можно привес­ти работы по восстановлению рабо­тоспособности чаши монолитного железобетонного сгустителя галитовых отходов флотофабрики на Со­ликамском комбинате калийных удобрений. Сгуститель представля­ет собой монолитную железобетон­ную емкость цилиндрической фор­мы с коническим днищем, опираю­щимся на центральную опору и колонны, расположенные по перимет­ру периферийной опорной балки (рис. 2). При ее обследовании были выявлены многочисленные кольце вые и радиальные трещины, а так же отслоение бетона на внутренней поверхности чаши на глубину до I см, бухтящие зоны, следы коррозии арматуры. Протечки технологического раствора свидетельствовали о наличии сквозных трещин.

На основании результатов об следования было выполнено компьютерное моделирование фактичес­кой несущей способности и деформативности конструктивных элемен­тов с учетом фактических физико­механических характеристик бетона и арматуры, геометрического распо­ложения имеющихся трещин и дан­ных о неравномерных деформаци­ях сгустителя. Результаты компью­терного моделирования позволили установить, что зоны максимальных растягивающих напряжений в бето­не имеют ширину порядка 1,5 - 3,0 м и расположены как над централь­ной опорой, так и над кольцевой опорной балкой (рис. 3).

 

Рис. 2. Конструкция сгустителя:
1 — чаша; 2 — центральная опора; 3— колонна; 4 — кольцевая балка; 5 — переливной лоток.

Рис. З. Результаты компьютерного мо­делирования напряженного состояния чаши сгустителя методом конечных элементов:
а — поля напряжений sx; 6 — поля напря­жений s2

 

Рис. 4. Усиление чаши сгустителя (наклейка лент из углеродной ткани в зоне кольцевой балки).

Абсолют­ное значение растягивающих на­пряжений равно 7,6 МПа, что пре­вышает предел прочности бетона на растяжение, согласно СНиП (1,07 МПа), в 7 раз. Учитывая перемеще­ние подвижной фермы внутри чаши, размеры зон критических напряже­ний распространяются по всему ее периметру. Зона опасных концент­раций растягивающих напряжений на нижней поверхности чаши рас­положена в средней пролетной ча­сти между кольцевой опорной бал­кой и центральной опорой.

Для восстановления несущей способности чаши сгустителя высо­копрочным углепластиком предус­матривали его наклейку в двух зо­нах по внутренней поверхности чаши - по периметру кольцевой опорной балки (в шесть слоев) и в зоне вокруг центральной опоры (в два слоя). Расчет подтвердил, что в результате усиления величины растягивающих напряжений в бето­не не превышают 0,5 МПа.

Работы по усилению чаши были выполнены в 2000 г. силами “ИнтерАква” и “Уралгидроизоляция". На рис. 4 виден процесс наклейки уг­леродных лент. По окончании работ проведено высокоточное нивелиро­вание поверхности чаши (по 10 точ­кам) и опорных колонн с целью оп­ределения деформаций конструкций при частичном и полном заполнении чаши, а также после ее опорожне­ния. Установлено, что деформации были вдвое ниже расчетных. Двух­летняя эксплуатация сгустителя пос­ле ремонта не выявила каких-либо дефектов.

В отличие от вышеописанного примера, где восстановление несу­щей способности конструкции про­водилось на базе расчетов ее на­пряженного состояния, во многих случаях армирование восстанавли­ваемых железобетонных элементов углепластиком предусматривает, по существу, компенсацию поражен­ной стальной арматуры. Характер­ным примером таких работ являет­ся ремонт бортовой преднапряженной железобетонной балки причала N99 Новороссийского морского пор­та (выполнен совместно с ООО "Порткомплектимпекс”). Балка была повреждена ударом швартующего­ся корабля, сбита с опор и затону­ла. Обследование, проведенное после ее подъема, выявило нали­чие трещин по фасадной части и выколов бетона глубиной до 30 см и протяженностью до 3 м на ниж­ней поверхности. Поверхностный слой бетона был разрушен и отсла­ивался на глубину до 8 см. Обна­женная рядовая арматура и попе­речные хомуты в ряде мест были полностью прокорродированы. Средняя потеря сечения конструк­тивной арматуры, по экспертной оценке, составила 40%. Выявлены обрывы отдельных проволок в пуч­ках напряженной арматуры.

Перед усилением был проведен ремонт балки с восстановлением ее сечения, предусматривающий уда­ление участков деструктивного бе­тона, очистку арматуры от пласто­вой ржавчины, обработку бетонной поверхности мигрирующим ингиби­тором коррозии арматуры, нанесе­ние на оголенную арматуру грунта- преобразователя ржавчины, задел­ку выколов и каверн, а также вырав­нивание поверхности высокопроч­ными безусадочными составами с высокой адгезией к подложке. Рас­чет усиления балки для компенса­ции потерь арматуры показал необ­ходимость наклейки на поверхность конструкции четырех слоев углерод­ной ткани полосами шириной 150 мм. Полосы наклеивали в продоль­ном и поперечном направлениях с промежутками между полосами 150 мм (рис. 5). Наличие этих промежут­ков обеспечивало беспрепятствен­ный воздухо- и влагообмен с внеш­ней средой и таким образом предот­вращало возникновение порового давления на границе бетонная по­верхность - углепластик.

 Рис. 5. Схема усиления бортовой балки:
1 — продольные накладки; 2— поперечные накладки

 

Аналогичный подход был принят для инженерных решений по усиле­нию конструкций на ряде объектов Пермского региона - плит покрытия на заводе “Пемос", корпуса Госзнака, главного корпуса обогатительной фабрики, плит перекрытия здания бассейна в оздоровительном комп­лексе, предварительно напряжен­ных железобетонных ферм кровли цеха перегрузки соли, массивных фундаментов крупных вентиляторов ОАО “Сильвинит”, подстропильных балок цеха фанерного комбината. Работы выполнены ООО “Уралгидроизоляция" по проектам “ИнтерАква".

Заслуживает отдельного упоми­нания работа по усилению пролет­ных конструкций автомобильного моста через реку Кехта под Архан­гельском, проведенная без останов­ки автомобильного движения через него. В этом случае совместно с Архангельским мостовым эксплуа­тационным управлением был выпол­нен комплекс работ по ремонту и усилению балок пролетных строений, в том числе восстановление за­щитного слоя, обработка оголенной арматуры и бетона ингибиторами коррозии, усиление балок путем на­клейки нескольких слоев углерод­ной ткани по низу ребра и хомутов в опорной части балок (рис. 6).

Широкие возможности использо­вания углеродной ткани для восста­новления конструкций можно иллю­стрировать примером усиления стальной трубы диаметром 1,2 м на­порного водовода горячего водо­снабжения целлюлозно-бумажного комбината в г. Сыктывкар. В резуль­тате многолетней эксплуатации тру­бопровод прокорродировал - тол­щина стенки уменьшилась в отдель­ных зонах на 20-25%. Дальнейшая эксплуатация трубопровода была связана с риском возникновения свищей и местной потерей устойчи­вости. Традиционные методы ремон­та предусматривали остановку во­доснабжения и замену участка тру­бы, для чего требовался демонтаж большого количества строительных конструкций. Усиление было осуще­ствлено без остановки водоснабже­ния путем наклейки на поврежден­ном участке длиной 2 м трех слоев углеродной ленты.

Достаточно неожиданные обла­сти эффективного применения ком­позитов возникли для жилых зданий - как эксплуатируемых, так и вновь возводимых. Так, в одном из строя­щихся в Москве домов из-за ран­него съема опалубки перекрытий (до набора бетоном необходимой проч­ности) последние “просели” с обра­зованием недопустимых трещин. Решение по наклейке углеродной ткани на растянутую зону перекры­тий оказалось существенно эконо­мичнее, чем альтернативная выруб­ка бракованных плитных конструк­ций.

Другим примером явилось уси­ление проема размером 3,4 х 3,8 м, вырезанного в готовом перекрытии двухуровневой квартиры для уст­ройства лестницы между помеще­ниями обоих этажей. Компьютерное моделирование выявило изменение схемы работы этого перекрытия. По результатам моделирования в зонах опасной концентрации растягиваю­щих напряжений на нижней и верх­ней поверхностях плиты были накле­ены полосы углеродной ткани (рис. 7). Альтернативным решением было подведение под перекрытие метал­лических двутавровых балок, что создавало бы для строителей боль­шие трудности по их доставке и ус­тановке в готовом помещении и од­новременно уменьшало строитель­ный объем нижнего помещения из-за устройства в этом случае подвес­ного потолка на 35 см ниже поверх­ности перекрытия.

 Рис. 6. Пролетное строение моста через р. Кехта после ремонта и усиления (вид­ны полосы из углепластика).

 

Интересно решение по усиле­нию междуэтажного перекрытия, пострадавшего в результате пожа­ра жилого дома. Здесь плиты пере­крытий имели “отстрел" защитного слоя, арматура плит имела остаточ­ные деформации от перегрева, а сами плиты имели увеличенный про­гиб за счет остаточных температурных деформаций и уменьшения высоты сечения. Традиционное предложение проектной организа­ции предусматривало удаление пе­рекрытия над квартирой, где произо­шел пожар. Это требовало не толь­ко весьма сложных работ по выруб­ке старого и последующему бето­нированию нового перекрытия, но и отселения жильцов с вышерасположенного этажа. Ремонт с восстанов­лением защитного слоя бетона и наклейка композиционных материа­лов на нижнюю поверхность пост­радавшего перекрытия позволили полностью компенсировать потерю поврежденной арматуры, повысить жесткость, трещиностойкость пере­крытия и обеспечить надежную дальнейшую эксплуатацию здания.

Рис. 7. Усиление нижней зоны плиты перекрытия углепластиковыми наклад­ками:
1 - проем в плите перекрытия.

Опыт освоения технологии вос­становления и усиления строитель­ных конструкций с применением уг­лепластиков свидетельствует о большой перспективности этого на­правления. Возможности этой тех­нологии будут расширяться по мере освоения выпуска отечественными предприятиями более широкой но­менклатуры углеродных тканей. Они должны в большей степени отвечать особенностям строительного произ­водства. Необходимо выпускать больше лент разной толщины и ши­рины полос, с защитными пленка­ми, растворяющимися при нанесе­нии адгезива, двунаправленных и особенно с расположением волокон под углом друг к другу 60 -70°.

В связи с этим проблема подго­товки нормативной базы для расче­та и проектирования усиления как для железобетонных, так и другого типа конструкций (стальных, дере­вянных, каменных), приобретает особую актуальность.

Подлежит решению чрезвычай­но важный и сложный вопрос обес­печения финансирования научно-­исследовательских работ, которые должны явиться базой для созда­ния и совершенствования как про­ектных, так и технологических нор­мативов. Необходимо проведение не только модельных, но и натур­ных исследований по выявлению влияния усиления композитами на трещиностойкость и жесткость кон­струкций, перераспределению уси­лий на разных стадиях их деформи­рования, изучению усиления по на­клонным сечениям, по долговечно­сти конструкций, их защите от ван­дализма и пр. Необходимо созда­ние тканей одно- и двунаправлен­ных большей толщины и подбор адгезивов для работы в различных климатических зонах страны.

Судя по нарастающим объемам публикаций, подобные исследова­ния широко развернуты за рубежом. Представляется, что для российс­ких условий необходима комплекс­ная целевая программа работ, цен­трализованно финансируемая Гос­строем России совместно с заинте­ресованными министерствами и ве­домствами.