Пособие по усилению железобетонных конструкций с использованием композитных материалов. Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации

122
Таблица 10 ‒ Сравнение способов усиления колонн
Способ усиления
Увеличение веса конструкции
Изменение размеров конструкции
Радиальное давление
Увеличение изгибающих усилий
Трудоемкость приме- нения
Коррозия
Стальная обойма
-
-
-
-
- -
- -
Наращивание бетона
-
-
-
- -
- - о
Обойма из
КМФ
+
+
+ +
+
+
+ +
Примечание: “- -“– очень плохо; “-“– плохо; “о” – отсутствует; “+”– хорошо; “+ + “ очень хорошо
Результаты таблицы 10 наглядно демонстрируют преимущества усиления колонн обоймами из композитного материала по сравнению с другими способами.
Большим преимуществом применения обойм из КМФ является минимальное увеличение изгибающих усилий, несмотря на резервы в улучшении гибкости конструкции. В результате усиления колонн обоймами КМФ они не подвергаются действию дополнительных внутренних усилий и этим предотвращается их преждевременное разрушение.
При использовании для усиления преднапряженных композитных материалов (особенно на основе арамида) в конструкции быстро устанавливается трехосное напряженное состояние. Благодаря этому в бетоне увеличиваются сжимающие напряжения без проявления больших осевых деформаций.
Применение усиления железобетонных колонн композитными материалами технологично. Время простоя сооружения (это особенно важно для мостовых конструкций) значительно уменьшается. К тому же, обоймы из КМФ имеют небольшую толщину и требуют меньше времени для вступления во взаимодействие с остальными, расположенными вблизи, строительными конструкциями инженерного сооружения.

123
7 Технология усиления конструкций композитными
материалами
7.1
Установка
композитных
материалов
на
поверхность
усиливаемой конструкции и контроль качества производства работ
Усиление железобетонных конструкций является частью общего процесса по их восстановлению (рисунок 40). Усиление железобетонных конструкций необходимо производить, если они не удовлетворяют поверочным расчетам по несущей способности или требованиям нормальной эксплуатации. После проведения поверочных расчетов необходимо выбрать способ усиления, который удовлетворял бы требованиям безопасной эксплуатации сооружения, обеспечивал технологичность монтажа элементов усиления и осуществлялся без остановки производственного процесса. Таким требованиям отвечают композитные материалы на основе углеволокон.
Предлагаемая технология усиления определяет порядок и условия выполнения работ при усилении композитными материалами железобетонных строительных конструкций с целью перераспределения напряжений в элементах конструкции.
Технология выполнения работ по усилению строительных конструкций и контролю качества приведен на рисунке 41. Она включает:
- подготовку поверхности конструкции;
- монтаж листового материала;
- контроль качества производства работ;
- нанесение защитного слоя от воздействия окружающей среды;
- промывку оборудования.
Данная технология усиления строительных конструкций представляет часть общего технологического процесса по ремонту конструкции (рис. 40) и разработана с учетом исправности гидроизоляционной системы в сооружении.

124
Рисунок 40 ‒ Технологический маршрут ремонта конструкций с высокой степенью повреждений (коррозия 16,5–40%)

125
Рисунок 41 ‒ Технология усиления железобетонных конструкций с применением композитных материалов
Усиление композитными материалами начинается с подготовки поверхности конструкции.

126
Поверхность конструкции в местах наклейки листовых материалов подвергают очистке, чаще всего пескоструйной обработке, что позволяет вскрывать поровую структуру бетона.
Затем обработанную поверхность шлифуют абразивным инструментом для придания ровности и шероховатости, выступающие острые кромки скругляют до радиуса 1‒3 см. Конструкционная прочность поверхностного слоя бетона должна быть не менее 1,0 Н/мм
2
для холстовых материалов КМФ и не менее 1,5 Н/мм
2
для ламината.
После выравнивания поверхность обеспыливают с помощью промышленного пылесоса.
Чтобы исключить концентрацию напряжений в углепластиковых холстах или ламинатах и обеспечить равномерность распределения растягивающих напряжений следует проверить ровность поверхности с помощью 1-метровой рейки. При этом допускается максимальное отклонение 1 мм на полосе длиной 30 см.
Если данное требование не соблюдается, то необходимо выровнять поверхность с помощью специального выравнивающего состава. Приготавливают выравнивающий состав на основе эпоксидной смолы и кварцевого песка с модулем крупности М
к
= 0,5‒0,8 мм, исходя из следующих соотношений:
- компонент А (эпоксидная смола) ‒ 2 весовых части;
- компонент В (отвердитель) ‒ 1 весовая часть;
-компонент С (кварцевый песок) ‒ 3 весовые части.
Для приготовления выравнивающего состава используют миксер со скоростью вращения 400‒600 об/мин. Состав приготавливается в следующей последовательности:
- в емкость помещают дозированное (рассчитанное и взвешенное) количество компонента А;
- при постоянном перемешивании добавляют рассчитанное и взвешенное количество компонента С до получения смеси однородной консистенции;
- к полученному составу добавляют рассчитанное и взвешенное количество компонента В и перемешивают в течение 3‒5 мин.

127
Примечание: допускается выполнение указанной операции вручную, если количество приготавливаемого состава менее 1 кг.
После смешивания поверхность выравнивают приготовленным составом с помощью шпателя и терки. Расход состава

2 кг/м
2
. После выравнивания поверхности устраивают технологический перерыв не менее 7‒12 ч., необходимый для отверждения состава.
После выравнивания поверхности осуществляют подготовку технологической оснастки и оборудования для производства работ по усилению.
Для обеспечения равномерного разматывания композитного материала согласно техническому описанию собирают станину для размещения рулона КМФ-ламината.
Рулон ламината помещают в станину и фиксируют с помощью обжимных роликов и ограничительных штанг.
Подготовка
КМФ-ламината включает следующие операции.
Его разматывают из рулона и помещают на монтажный стол. Далее проводят разметку отрезков ламината требуемой длины согласно проектной документации. Нарезание ламината проводят с помощью отрезной машинки, используя диск по металлу. Для обезжиривания КМФ-ламината используют органический растворитель - ацетон с расходом 0,4 л/м
2
поверхности. При этом одновременно удаляется графитовая пыль.
Обезжиренные ламинаты складывают на монтажном столе перед установкой в дозатор для нанесения клеящего состава. Нанесение клеящего состава, согласно техническому описанию, осуществляют с использованием специального устройства
‒ дозатора. Регулируя ширину лотка дозатора под ширину используемого ламината и величину проходного зазора, обеспечивают равномерное нанесение клеящего состава на материал усиления.
Монтаж КМФ-ламинатов осуществляется с применением клеящего состава на основе эпоксидной смолы, который готовится исходя из следующего соотношения:
- компонент А (эпоксидная смола) ‒ 2 весовых части;
- компонент В (отвердитель) ‒ 1 весовая часть.

128
Клеящий состав готовят в подходящей емкости, используя миксер со скоростью вращения 400‒600 об/мин. Далее в емкость помещают дозированно
(рассчитанные и взвешенные) количества компонентов А и В и перемешивают в течение 3‒5 минут до получения смеси однородной консистенции.
На поверхность конструкции в местах наклейки листов ламината с помощью шпателя наносят слой клея состав толщиной 1‒1,5 мм. Расход клея составляет 2‒3 кг/м
2
. Заправляют подготовленный отрезок ламината в установку для нанесения клея так, чтобы край ламината выступал за пределы формующей пластины на 5‒10 мм.
Далее выкладывают в устройство поверх ламината клеящий состав и равномерно распределяют с помощью мастерка или шпателя. Продвигая ламинат через установку для нанесения клея и удерживая продвинутый ламинат с клеем в одной плоскости, добавляют по мере необходимости новые порции клея в установку
Проводят монтаж КМФ-ламинатов с нанесенным клеем в рабочее положение с одного края к другому или от центра к краям. Затем его плотно поджимают к поверхности конструкции, прокатывая твердым резиновым валиком.
На время отверждения клеящего и защитного составов (

12 ч) обеспечивают защиту смонтированных ламинатов от любых механических воздействий.
Чистку оборудования от остатков выравнивающего, клеящего или защитного составов выполняют с помощью шпателя и ветоши. После этого оборудование и инструмент протирают ветошью, смоченной в растворителе.
Операции выполняют сразу после использования приготовленной порции состава, остатки составов утилизируют в специальные емкости.
До начала производства работ определяют по когезию поверхностного слоя бетона конструкции с помощью прибора DYNA Z16 и комплекта штампов

50 мм.
Когезионная плотность поверхностного слоя бетона в месте монтажа ламинатов должна быть не менее 1,5 Н/мм
2
(15 кг/см
2
).
Перед началом выполнения работ определяют следующие параметры окружающей среды:
- температуру воздуха;

129
- температуру поверхности конструкции;
- влажность воздуха;
- влажность конструкции;
- температуру точки росы.
Значения измеряемых параметров должны быть:
- температура окружающего воздуха

+10 о
С;
- влажность бетона

4%;
- температура поверхности бетона min на 3 о
С выше температуры точки росы
Габаритные размеры монтируемого холстового материала на соответствие требованиям проектной документации контролируют с помощью измерительного инструмента.
Качество монтажа холстового материала проверяют инструментально ‒ по толщине наносимых слоев, или аналитически ‒ по расходу клеящего состава и обрабатываемой площади; величину перехлеста ‒ инструментально.
7.2
Клеевые составы и схемы испытаний клеевых соединений при
использовании композитных материалов для усиления конструкций
Важным компонентом системы усиления внешним армированием при помощи композитных материалов является клеящий состав или клеящий состав.
Основным его назначением помимо собственно приклеивания, является восприятие сдвиговых и отрывающих усилий между соединяемыми поверхностями. Для приклеивания композитного материала к бетонной поверхности чаще всего используются эпоксидные двухкомпонентные клеящие составы, способные схватываться при окружающей температуре. Наиболее распространенные клеящие составы приведены в таблице 11.

130
Таблица 11 ‒ Клеящие составы от мировых фирм-производителей
Свойства
Поставщик и торговая марка
Exchem
MBT
SBD
Sika
Resiplast
Resifix 31
Mbrace adhesive
Epoxy Plus
Sikadur
Epicol U
Прочность на растяжение, Н/мм
2 24 30 19 30 50
Прочность на изгиб, Н/мм
2 55 100 35
Прочность на сдвиг, Н/мм
2 22 18
Модуль изгиба, кН/мм
2 6,5 3.5 9,8 12,8
Модуль сдвига, кН/мм
2 3,8
Температура стеклования, Т
g
(
0
C)
60 56 60,8 60
В небольшом объеме применяются клеящие составы и на другой основе.
Однако им присущ целый ряд недостатков, ограничивающих область их применения:
- клеящие составы на основе полиэфира имеют большие усадочные деформации и высокий коэффициент температурного расширения. Они подвержены щелочной агрессии и быстро затвердевают;
- клеящие составы на основе виниловых полиэфиров также имеют большие усадочные деформации и в условиях повышенной влажности не могут обеспечить качественного сцепления соединяемых поверхностей;
- полиуретановые клеящие составы обладают теми же недостатками, что и полиэфирные, и с трудом обеспечивают необходимое сцепление между поверхностями.
Выбор типа эпоксидного клеящий состава зависит от особенностей его применения и определяется целым рядом факторов – температурно-влажностный режим окружающей среды и склеиваемых поверхностей, а также требуемой скорости твердения. Клеящие составы должны выдерживать температуру до 50 ºС в процессе эксплуатации и иметь температуру стеклования от 50 ºС до 65 ºС. В некоторых случаях, например, при усилении верхних элементов мостовых конструкций, находящихся под прямым воздействием солнечных лучей,

131 температура стеклования клеящего состава должна быть значительно выше. В этих условиях применяются специальные клеящие составы. Одним из требований к клеящим составам, особенно применяемым для усиления конструкций, расположенных в замкнутом пространстве (тоннели), где возникновение пожара является особо значимым фактором, заключается в недопущении значительного выделения токсичных веществ при их возгорании.
Большинство применяемых клеящих составов используется для соединения сухих поверхностей. Для склеивания влажных поверхностей, а также для соединения конструкций, находящихся в воде, разработаны специальные клеящие составы, как правило, на эпоксидной основе.
При использовании для выравнивания поверхности бетона перед усилением специального праймерного состава его физико-механические свойства должны быть, с одной стороны, совместимы со свойствами старого бетона, а, с другой стороны, со свойствами применяемого клеящего состава. Только учет этого обстоятельства при выборе системы усиления позволит обеспечить эффективную совместную работу усиливаемой строительной конструкции с усиливающим композитным материалом. Для достижения требуемого качества сцепления композитного материала с поверхностью бетона немаловажными факторами являются температурно-влажностные условия в месте проведения работ и качество подготовки поверхности усиливаемой конструкции. Загрязненная, а тем более неровная поверхность не сможет обеспечить требуемого по качеству сцепления с композитным материалом. В процессе твердения в клеящем составе происходят химические процессы, резко замедляющиеся при температуре менее 10 ºС. Поэтому в большинстве случаев во время производства работ по усилению окружающая температура должна быть выше 10 ºС.
Однако имеется опыт применения композитных материалов и в условиях более низких температур окружающей среды, в том числе в зимнее время. Для этого используются различные системы повышения температуры в клеящем составе между усиливаемым бетонным элементом и композитным материалом: нагревание с помощью электрического тока; системы инфракрасного нагревания; утепляющие

132 покрытия. Пример такой системы при использовании композитного материала на основе углеродных волокон приведен на рисунке 4. Эта система основывается на хорошей электропроводимости углеродных волокон.
При пропускании электрического тока через полосу ламината во время приклеивания последняя нагревается до нужной температуры. Специальные температурные датчики позволяют контролировать нагревание. Быстрое контролируемое нагревание полосы ламината (температура 70 ºС может быть достигнута за 3 ч) позволяет не только сократить время выполнения работ по усилению, но и увеличить температуру стеклования клеящего состава.
Требования к значениям показателей применительно к методам выполнения усиления следует назначать в соответствии с [61] по таблице 12.
Таблица 12 ‒ Требования к значениям показателей свойств и эксплуатационных качеств применительно к методу выполнения усиления внешним армированием конструкций
Показатель
Метод испытания
Требование а)
1 Физические показатели свойств клеящих составов
1.1 Время открытой выдержки
По ГОСТ 28780 [77]
Заявленное значение ± 20%
1.2 Жизнеспособность
По ГОСТ 27271 [78]
Заявленное значение ± 20%
1.3 Модуль упругости при сжатии
По ГОСТ 9550 [79]

2000 Н/мм
2 1.4 Модуль упругости при изгибе
По ГОСТ 9550 [79]

2000 Н/мм
2 1.5 Прочность при сдвиге
По ГОСТ 14759 [80] и в соответствии с [75] по приложению В
(см. схему испытаний
1.1 по таблице В.1)

с

12 Н/мм
2 1.6 Температура стеклования
По ГОСТ 30535 [81]

40 о
С
1.7 Коэффициент теплового расширения
По ГОСТ 15173 [82]

100

10
‒6 1/
о
С
1.8 Усадка
По ГОСТ 18616 [83]

0,1%
2 Пригодность для нанесения клеящих составов
2.1 На вертикальные и потолочные поверхности
В соответствии с [75] по приложению Б (см. испытания на сползание)
Материал не должен сползать более чем на 1 мм при его нанесении
(распределении) толщиной 3 мм и менее
2.2 На горизонтальную поверхность
В соответствии с [75] по приложению Б
(см. испытания на расплыв под вертикальной нагрузкой)
Площадь расплыва клеящего состава под вертикальной нагрузкой в конце испытаний должна составлять не менее 3000 мм
2
(диаметр расплыва
60 мм
2
)
2.3 Нагнетанием.
Примечания
1) Бетон для контрольных образцов тип
БМ(0,40) в соответствии с [75] по приложению Г.
В соответствии с [75] по приложению В
(см. схему испытаний 2.2 по таблице В.1)
В клеевом соединении вида бетон/бетон при склеивании сухих поверхностей нагнетанием клеящего состава в испытании на растяжение при отрыве должны приводить к

133
Показатель
Метод испытания
Требование а)
2) Подготовка контрольных образцов в соответствии с [75] по приложению Д.
3) Абразивная обработка поверхностей склеивания заготовок контрольных образцов в соответствии с [75] по приложению Е отрывающему разрушению в бетоне
3 Прочность клеящего соединения (когезия в клеевом шве) при испытаниях в нормальных климатических условиях или в иных условиях, оговоренных особо.
Примечание

Абразивная обработка поверхностей склеивания заготовок контрольных образцов в соответствии с [75] по приложению Е
В соответствии с [75] по приложению В
(см. схему испытаний
1.1 по таблице В.1)
В соответствии с [75] по приложению В
(см. схему испытаний
2.1 по таблице В.1)
По ГОСТ 14759 [80]
(см. условия испытаний контрольных образцов по ГОСТ
12423 [84], допускаются условия испытаний в соответствии с [75] по приложению В) а) Предел прочности при косом сдвиге наклонного клеящего соединения вида сталь/сталь встык под разными углами

в испытании на сжатие должен быть не меньше значений
:

, град
, Н/мм
2 50 50 60 60 70 70 б) Предел прочности при отрыве горизонтального клеящего соединения вида сталь/сталь внакладку при испытании на растяжение при отрыве должен быть не меньше 14 Н/мм
2
в) Предел прочности при прямом сдвиге вертикального клеящего соединения вида сталь/сталь внахлестку в испытании на растяжение должен быть не меньше
12 Н/мм
2 4 Долговечность клеящего соединения
(воздействие температуры и влажности)
Примечания
1) Абразивная обработка поверхностей склеивания заготовок контрольных образцов в соответствии с [75] по приложению Е.
2) Виды и режимы теплового воздействия в соответствии с [75] по приложению Ж
В соответствии с [75] по приложению В
(см. схему испытаний
1.3 по таблице В.1) а) После воздействия циклов знакопеременной температуры или после длительного воздействия повышенных температуры и влажности разрушающие напряжения в вертикальных клеевых соединениях вида бетон/бетон при испытании на прямой сдвиг должны быть не меньше предела прочности бетона на отрыв
(когезии в поверхностном слое бетона), т. е. воздействие климатических условий не должно нарушать адгезионно-когезионные показатели эксплуатационных качеств клеящего шва б) В процессе воздействия на клеевое соединение вида сталь/сталь циклов знакопеременной температуры или длительного воздействия повышенных температуры и влажности при расклинивающей нагрузке не должно приводить к разрушению трещинообразованием клеящего шва или дальнейшему развитию трещины а)
Требования к предельным значениям относятся к среднему значению соответствующего показателя каждой партии клеящего состава. c
o
σ
c o
σ

134
Испытания для определения показателя прочности бетона при сдвиге предусматривают определение предела прочности контрольных образцов с клеевыми соединениями видов сталь/сталь на срезывающее разрушение наклонных клеевых соединений согласно ГОСТ 32943 по приложению В (рисунок 42).
Рисунок 42 ‒ Схема испытаний клеящего соединения сталь/сталь срезающим разрушением (косой сдвиг при осевом сжатии, образец-призма 40х40х160 мм)
Пригодность для нанесения клеящих составов на вертикальные и потолочные поверхности оценивается испытанием на сползание по ГОСТ32943 согласно приложению Б (рисунок 42).

135
Рисунок 42 ‒ Стенд истытательный стальной (а) и общий вид стенда в работе (б).

136
Пригодность нанесения клеящих составов на горизонтальную поверхность оценивается испытанием на расплыв под вертикальной нагрузкой по ГОСТ 32943 согласно приложению Б (рисунок 42).
Пригодность нанесения клеящих составов нагнетанием определяется методом отрывающего разрушения по ГОСТ 32943 согласно приложению В
(рисунок 43).
Рисунок 43 ‒ Схема испытания методом отрывающего разрушения клеящего соединения бетон/бетон (растяжение при отрыве, образец ‒ керн

50 мм, образецплита 1000×500×40 мм)
Прочность клеящего соединения (когезия в клеевом шве) при испытаниях в нормальных климатических условиях или в иных условиях, оговоренных особо, определяется как предел прочности при косом сдвиге наклонного клеящего соединения вида сталь/сталь по ГОСТ 32943 [75] согласно приложению В (рисунок
44).

137
Рисунок 44 ‒ Схема испытаний методом срезающего разрушения клеящего соединения сталь/сталь (косой сдвиг при осевом сжатии, образец ‒ призма
40×40×160 мм).
Прочность клеящего соединения (когезия в клеевом шве) при испытаниях в нормальных климатических условиях или в иных условиях, оговоренных особо, определяется как предел прочности при отрыве горизонтального клеящего соединения вида сталь/сталь по ГОСТ 32943 согласно приложению В (рисунок 45).
Рисунок 45 ‒ Схема испытаний методом отрывающего разрушения клеящего соединения сталь/сталь (растяжение при отрыве, образец-штамп

50 мм, образец ‒ плита 300×300×25 мм)

138
Долговечность клеящего соединения методом срезающего разрушения определяется по ГОСТ 32943 согласно приложению В (рисунок 46).
Рисунок 46 ‒ Схема испытаний методом срезающего разрушения клеящего соединения бетон/бетон (прямой сдвиг, образец ‒ призма 100×100×302 мм)
Долговечность клеящего соединения методом разрушения трещинообразованием определяется по ГОСТ 32943 согласно приложению В
(рисунок 47).
Рисунок 47 ‒ Схема испытаний методом разрушения трещинообразованием клеящего соединения сталь/сталь (расслоение при расклинивающей нагрузке, образец ‒ пластина 150×25×6,65)

139

перейти в каталог файлов