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:

1. Нарушение связи между композитным материалом и адгезивным составом, из-за чего стержни и усиливаемый элемент перестают работать совместно.
2. Разрушение внутри адгезивного состава, зависит целиком от прочностных свойств самого состава.
3. Нарушение связи между адгезивным составом и бетоном
4. Разрушение бетона в непосредственной близости от паза. 3

В статье [5]опять же приводятся различные механизмы разрушения в двух группах:

Нарушение связи между материалами

1. Отрыв адгезивного состава от композитного материала. Возможен при использовании гладких стрежней и при слабой пескоструйной обработке.
2. 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:

1. Blaschko M., Zilch K. Rehabilitation of concrete structures with cfrp strips glued into slits. Munich, Germany: Technische Universität München.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Szabó Z. K., Balázs G. L. Near surface mounted FRP reinforcement for strengthening of concrete. Budapest: Periodica Polytechnica Civil Engineeri, 2007.