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

22
Таблица 1 ‒ Свойства отверждающих полимеров
Физико-механические свойства полимеров
Фирмы-производители
MBT
SBD
DML composites
Sika
Sumitomo
Прочность на растяжение (МПа)
50 17 81 30 29
Прочность при изгибе (Мпа)
120 28
Модуль упругости при изгибе, ГПа
3 5
3.8 2.5
Температура стеклования (°С)
55 60, 80 59 53 55
Наиболее распространенными типами применяемой фибры (волокон) являются углерод, арамид и стекло. Основные физико-механические свойства фибры приведены в таблице 2. В таблице приводятся именно свойства фибры
(волокон), а не самого композитного материала. При этом фактические свойства фибры могут несколько отличаться от приведенных в таблице 2 и окончательно устанавливаются фирмой – производителем. Все приведенные в таблице типы фибры имеют линейную диаграмму «напряжение – деформация» вплоть до разрушения без какой-либо пластической зоны (рис. 1‒2).
Таблица 2 ‒ Типичные свойства применяемой фибры
Тип фибры
Прочность на растяжение
МПа
Модуль упругости
ГПА
Деформация удлинения
%
Плотность т/м
3
Углерод с высокой прочностью*
4300–4900 230–240 1,9–2,1 1,8
Углерод с высоким модулем упругости*
740–5490 294–329 0,7–1,9 1,78–1,81
Углерод с высоким модулем упругости**
2600–4020 540–640 0,4–0,8 1,91–2,12
Арамид***
3200–3600 124–130 2,4 1,44
Стекло
2400–3500 70–85 3,5–4,7 2,6
* на полиакрилнитриловой матрице
** на полимерной матрице из эпоксидной смолы
*** арамид может иметь ту же прочность с меньшим модулем упругости
Волокна в сечении изготавливаются продолговатой и сплюснутой формы.
Для усиления строительных конструкций наибольшее распространение получили волокна продолговатой формы, имеющие в поперечнике диаметр 5–20 мкм.
Стекловолокна, предназначенные для внешнего армирования, подразделяются на три типа: Е – стекловолокно, А – стекловолокно и AR – стекловолокно, имеющее

23 высокую сопротивляемость щелочным воздействиям. Е-стекловолокно содержит большое количество борной кислоты и алюмината и плохо сопротивляется щелочной агрессии. А-стекловолокно является более прочным, но практически не выдерживает щелочных воздействий. В AR-стекловолокне для предотвращения негативных воздействий щелочной агрессии на контакте с усиливаемой железобетонной конструкцией вводится значительное количество циркония.
Прочностные и деформационные свойства этого стекловолокна сопоставимы с Естекловолокном. Достоинством всех стекловолокон является их небольшая стоимость.
Арамидные волокна применяются начиная с 1971 г. и выпускаются различными производителями под разными торговыми марками. Одной из самых известных является Kevlar
®
. Эти волокна анизотропны по своей структуре и по сравнению с другими имеют более высокие прочность и модуль упругости в поперечном направлении. Их диаметр составляет приблизительно 12 мкм. Они более пластичны при действии растягивающих нагрузок, но при сжатии остаются упругими вплоть до разрушения. Арамидные волокна обладают хорошими выносливостью и жесткостью.
Углеродные волокна изготавливаются на основе исходных смолы или полиакрилнитрила (PAN). Первый тип волокон изготавливается из очищенных нефти или угля, пропускаемых под большим давлением через очень тонкое сопло и впоследствии отверждаемых термопроцессом. Полиакрилнитриловые волокна изготавливаются из полиакрилонитрила путем его карбонизации под воздействием высокой температуры. Диаметр волокон при этом способе их получения меньше и составляет 5 – 8 мкм. Структура волокон определяется степенью их карбонизации и ориентацией кристаллов.
Выбор типа фибры для использования в системе усиления строительных конструкций зависит от многих факторов: типа усиливаемой конструкции и условий ее работы; ожидаемой нагрузки после усиления; вида и степени воздействия агрессивных внешних факторов и т. д. Рассмотрим кратко основные свойства фибры, учитываемые при выборе системы усиления.

24
Стойкость к химическим воздействиям. Углеродные и арамидные волокна хорошо сопротивляются многим химическим воздействиям: щелочам, кислотам, хлоридам, сульфатам, нитратам и другим. Многие типы стекловолокон подвержены щелочной коррозии (при рН > 11), но мало поддаются воздействию солей. Арамид по сравнению с другими волокнами обладает большей водопроницаемостью.
Большая концентрация солей может привести к изменению кристаллической решетки у всех типов волокон, а, следовательно, к их разрушению.
Сопротивление ультрафиолетовому излучению. Стекло- и углеродные волокна не подвержены воздействию ультрафиолетового излучения. Арамидные волокна меняют цвет, и снижается их прочность на растяжение. Однако при ламинировании волокон в полимерную матрицу эти изменения носят локальный характер и концентрируются вблизи внешней поверхности композитного материала и, поэтому не оказывают существенного влияния на его свойства в целом. Прямое воздействие солнечных лучей повышает хрупкость матрицы и других защитных покрытий.
Электропроводимость.
Арамидные и стекловолокна являются диэлектриками и могут быть использованы для защиты линий электропередач и инженерных коммуникаций. Углеродные волокна проводят электрический ток, но и они могут быть использованы для усиления строительных конструкций, имеющих косвенное отношение к действию электрического тока
(например, железнодорожные мосты с электровозным транспортом). Они должны быть хорошо изолированы от стальной арматуры, являющейся проводником электрического тока.
Эта защита необходима только при установке холстов на основе углеродного волокна «по месту» от токопроводящих элементов.
Прочность на сжатие. Углеродные и стекловолокна имеют прочность на сжатие, сопоставимую с прочностью на растяжение. У арамидных волокон прочность на сжатие значительно меньше.
Жесткость. Модуль упругости углеродного волокна сопоставим или значительно выше модуля упругости арматурной стали (см. таблицы 1-2). Модуль упругости арамидных волокон меньше, а стекловолокон - значительно меньше чем у стали.

25
Сопротивление ударным нагрузкам. Поведение волокон во время приложения ударной нагрузки определяется полученной ими энергией при упругом деформировании. Волокна, сочетающие высокую прочность на растяжение (более
3500 МПа) и значительное относительное удлинение (более 2%), являются благоприятным материалом для восприятия ударной нагрузки. Этим требованиям отвечают многие типы углеродных, арамидных и стекловолокон.
Воздействие огня. Стекловолокна сохраняют свою прочность вплоть до точки плавления (более 1000 ºС), тогда как углеродные волокна окисляются на воздухе при температуре около 650 ºС. Арамидные волокна не могут использоваться при температуре свыше 200 ºС. Все типы волокон не поддерживают горение. В композитных материалах при пожаре определяющим будет поведение отверждающего полимера, при возгорании которого могут выделяться токсичные вещества.
Безопасность и санитария. Все типы волокон не представляют опасности для здоровья в условиях нормальной эксплуатации. Отдельные части фибры могут привести к раздражению кожи, глаз и слизистых оболочек, поэтому при выполнении работ с ними необходимо пользоваться индивидуальными средствами защиты. В некоторых статьях [18] высказывается предположение о канцерогенности углеродных волокон. Однако Всемирной Организацией Здравоохранения углерод не отнесен к канцерогенным материалам. Проведенные на животных опыты показали его безопасность, а вредное воздействие углеродных волокон на человека на порядок меньше, чем у асбеста. Арамидные, углеродные и стекловолокна являются инертными материалами, не содержащими токсических веществ. Они не содержат вредных примесей, способных загрязнять воздух или проникать в почву при их применении для усиления подземных сооружений.
Композитные материалы изготавливаются двух основных типов:
- холстовые материалы обычно с однонаправленным расположением волокон, хотя возможно и двух-, и трехнаправленное расположение;
- предварительно изготовленные в заводских условиях полосы или пластины чаще с однонаправленным расположением волокон (ламинаты).

26
В общем случае композитный материал состоит из волокон (фибры), отвержденных в эпоксидном полимере. В зависимости от типа примененного волокна они подразделяются на композитные материалы с арамидными волокнами
КМФА, углеродными КМФУ и стекловолокнами КМФС. Объемное содержание волокон колеблется от 25–35% в холстах до 50–70% в полосах. Волокна являются основным элементом композитного материала, воспринимающим внешние силовые воздействия, а отверждающий полимер (матрица) перераспределяет нагрузку между ними и предохраняет от агрессивного воздействия внешней среды. Изготавливаются композитные материалы различными способами, из которых наиболее распространенными являются:
- автоматический, заключающийся в продолжительном процессе вытягивания углеродной ровницы, пеков или прядей, пропитанных смолой, между высокотемпературными матрицами до их формования и застывания (pultrusion);
- пропитывание полимером пряди или нити и помещение их на длительное время в плоскую форму при очень низкой температуре для более позднего изготовления с помощью прессформы (prepreg);
- ручное формование в виде необходимого профиля.
Застывшая часть формируемой массы композитного материала разрезается по длине на отдельные полосы. В скобках даны общепринятые международные названия данных способов изготовления композитных материалов.
Физико-механические свойства композитного материала определяются свойствами его составляющих (волокон и полимера) и их объемным соотношением в композите. Модуль упругости композитного материала Е
с и его прочность на растяжение R
с определяются по формулам:
Е
c
= Е
f
*V
f
+ Е
m
*V
m
, (1)
R
c
= R
f
*V
f
+ R
m
*V
m
, (2) где Е
f
, R
f
, V
f
– соответственно модуль упругости, прочность на растяжение и объемное соотношение в композите волокон (арамидных, углеродных или стекловолокон);
Е
m
, R
m
, V
m
– то же самое для отверждающего полимера. При этом V
f
+V
m
=1.
Поведение композитных материалов под нагрузкой определяется

27 микромеханическими процессами деформирования и разрушения, зависящими от диаметра волокна, его распределения в матрице и параллельности волокон, местных дефектов материала, а также объемным соотношением волокон и полимера.
В случае предварительно изготовленных полос композитного материала их свойства зависят от площади поперечного сечения, принимаемой при расчете. При изготовлении композитных материалов на месте (холсты, утапливаемые в клеящий состав-матрицу) конечная толщина КМФ и содержание волокон по площади материала являются переменными величинами и изменяются в широких пределах.
В силу того, что модуль упругости и прочность волокон (фибры) много больше модуля упругости и прочности отверждающего полимера, то механические свойства композитного материала определяются свойствами волокон и площадью поперечного сечения не всего материала, а только площадью в сечении одних волокон. Когда свойства композитного материала основаны на его полной площади поперечного сечения, включая волокна и полимер, то по сравнению со свойствами самих волокон, модуль упругости и прочность всего материала будут меньше.
Очевидно, что механические свойства композитного материала не изменятся из-за увеличения площади его поперечного сечения по сравнению с сечением входящих в его состав волокон. Существует строгое соответствие между количеством волокон в композитном материале и его механическими свойствами. Это положение отражено в таблице 3 и проиллюстрировано на рисунке 3.
Таблица 3 ‒ Механические свойства композитного материала в зависимости от процентного содержания волокон (фибра)
Физико-механические свойства, входящих в композитный материал, компонентов: Е
f
= 220 ГПа, R
f
= 4000 МПА, Е
m
= 3 ГПа, R
m
= 80 МПа
Площадь поперечного
Сечения
Свойства КМФ
Разрушающая нагрузка
А
f
, мм
2
А
m
, мм
2
А
c
*
, мм
2
V
f
, %
Е
c
[1.1],
Мпа
R
c
[1.2],
МПа
Предельная деформация, % кН
%
70 0
70 100 220000 4000 1.818 280,0 100 70 30 100 70 154900 2844 1.823 282,4 100,9 70 70 140 50 111500 2040 1.830 285,6 102,0
* При использовании ленты шириной 100 мм ее толщина составит соответственно 0,7 мм; 1,0 мм и 1,4 мм

28
Как видно из таблицы, при постоянном количестве волокна в композитном материале (в данном случае площадь его поперечного сечения остается неизменной
А
f
= 70 мм
2
) разрушающая нагрузка и предельная деформация отличаются всего на несколько процентов из-за возрастания площади поперечного сечения отверждающего полимера. Это обстоятельство особенно важно учитывать при проектировании усиления композитными материалами непосредственно на месте производства работ. При расчете параметров усиления принимаются во внимание только площадь поперечного сечения и механические свойства волокон, а не всей системы в целом.
Выбор типа композитного материала для усиления определяется условиями эксплуатации и назначением усиливаемой конструкции. Прочностные и деформационные свойства холстовых композитных материалов определяются типом применяемого волокна и его расположением в материале – одно- или двунаправленным. При двунаправленном расположении обычно 70% волокон располагаются в направлении, в котором предполагается действие основного внешнего усилия, и 30% ‒ в поперечном направлении. При этом прочность такого материала в основном направлении значительно снижается. Толщина холстовых материалов составляет около 0,1 мм, а ширина 300 мм и более. Сравнительная характеристика холстовых материалов различных фирм-производителей приведена в таблице 4.
В продольном направлении достигаются высокие прочность и жесткость композитного материала, примерно, до 65% от величин, приведенных в таблице 4. В ламинатах подавляющее количество волокон располагается в продольном направлении, а в поперечном направлении прочность материала значительно меньше. Полосы изготавливаются толщиной 1–2 мм и шириной обычно 50–150 мм.
Сравнительная характеристика ламинатов приведена в таблице 5.
Так как отверждение волокон в полимере является длительным процессом, то возможно изготовление ламината большой длины. Они формуются в бухты диаметром около одного метра и в таком виде доставляются на стройплощадку, где легко режутся на полосы необходимой длины.

29
Полосы могут изготавливаться и из полуфабрикатов композитных материалов. Этот способ широко распространен в аэрокосмической и автомобильной промышленностях.
4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0
 
1
М П а
 
2 5 0 1 ,4 7 0 1 ,0 1 0 0 0 ,7
f
V
с
t
- с о д е р ж а н и е в о л о к н а в К М Ф , %
V
- т о л щ и н а К М Ф , м м t
f
с
Рисунок 3 ‒ Диаграмма «напряжение-деформация» при различном процентном содержании волокон в КМФ

30
Таблица 4 ‒ Сравнительные характеристики холстовых материалов
Торговая марка
Тип волокна
Прочность на растяжение,
МПа
Модуль упругости,
ГПа
Вес, г/м
2
Толщина*, мм
Ширина, мм
S&P C Sheet
240 углерод
3800 240 200,300 0.117,0.176 150,300
S&P C Sheet
640 углерод
2650 640 400 0.19,0.235 300
S&P A Sheet
120 арамид
2900 120 300 0.2
S&P G Sheet
AR стекло
1700 65 350 0.135 320
Sika Wrap
Hex 230C углерод
3500 230 230 0.13 610
Sika Wrap
Hex 100G стекло
2250 70 840 1270
Torayca
UT70-20 углерод
4090 230 200 0.111 100,250,
500,1000
Torayca
UT70-30 углерод
4220 235 300 0.167 100,250 500,1000
Replark углерод
3400 230 200 0.111,0.167 250,330,
500
Replark углерод
2900 390 300 0.165 250,330,
500
Replark углерод
1900 640 300 0.143 250,330,
500
Mbrace Tow
Sheet углерод
3550 235 300 0.11,0.165 500
Mbrace Tow
Sheet углерод
3000 380 300 0.165 500
Mbrace Tow
Sheet стекло
1550 74 915 0.118 500
DML
Composites углерод
4900 230 150,300 900 300,500 1500
DML
Composites стекло
3400 70 200,250 1200 350,500
DML
Composites арамид
2800 115 200,300 340
Kevlar

SRS арамид
2100 120 280,420 0.193,0.286 100,300,
500
Fosroc C 120 углерод
2300 230 200 0.111
Fosroc C 530 углерод
2300 375 300 0.166
Tyfo SCH-41 углерод
3803 227.7 750 0.417

31
Таблица 5 ‒ Сравнительные характеристики углеродных композитных материалов
(ламинатов)
Торговая марка
Прочность на растяжение,
МПа
Модуль упругости,
ГПа
Толщина, мм
Ширина, мм
S&P Clever Reinforcement
2600 150 1,2, 1,4 50, 80, 100
S&P Clever Reinforcement
2600 200 1,4 10, 50, 80, 100, 120
Sika Carbodur S
3050 165 1,2, 1,4 50, 60, 80, 90, 100, 120,
150
Sika Carbodur M
2900 210 1,4 60, 90, 100
Sika Carbodur H
1450 300 1,4 50
Enforce
2200
‒
2500 165 1,2, 1,4, 2,1 10, 50, 80, 90, 100, 120
Enforce
2200
‒
2500 210 1,2, 1,4, 2,1 50, 80, 90, 100, 120, 150
Tyfo C-H
2281 200 1,4
-
DML Composites
2100 140 до 30 до 1400
DML Composites
1400 360 до30 до 1400
Mapei Carboplate E 170 3100 170 1,4 50, 100, 150
Mapei Carboplate E250 2500 250 1,4 50, 100, 150
Такие полосы обычно содержат около 55% волокон в продольном направлении и 10% волокон, расположенных под углом 45º к продольной оси.
Полосы изготавливаются длиной до 12 метров, шириной до 1,25 метра и толщиной до 30 мм.
В Германии и Дании [19] изготавливаются полосы композитного материала
L-образной формы для повышения несущей способности железобетонных конструкций на действие поперечной силы и для анкеровки усиливающих элементов.

32

перейти в каталог файлов