Сравнение физико-механических свойств композиционных материалов на основе углеродных волокон

1.

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)
проф. к.т.н. ВАЛИЕВ ШЕРАЛИ НАЗАРАЛИЕВИЧ
Тел.: (499) 155 03 56, 155 03 69
E-mail: [email protected], [email protected]

2.

СРАВНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ
ВОЛОКОН С РАЗЛИЧНЫМИ КОНСТРУКЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

3.

СОВРЕМЕННЫЙ РЫНОК ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН

4.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ УСИЛЕНИИ
ОДНОНАПРАВЛЕННОЕ
УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО
(ламинат)
ДВУНАПРАВЛЕННАЯ
УГЛЕРОДНАЯ ТКАНЬ
(холст)
Применение холстов обеспечивает:
уменьшение прогиба балок пролетных
строений, плит перекрытия и стен;
Рекомендуемое применение ламинатов:
•для усиления бетонных, каменных и стальных
конструкций;
• сопротивление осевому сжатию и уменьшение
трещинообразования колонн и стоек опор;
•для уменьшения прогиба при постоянной
и временной нагрузке;
•для снижения усталости элементов конструкции.
сейсмическую стойкость опор, колонн и стен;
увеличение допустимой осевой нагрузки на опор,
колонны;
уменьшение усталостных деформаций в
конструкциях.

5.

ТЕХНОЛОГИЯ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ
• Возраст бетонного основания должен быть не менее 28 дней
• Прочность при растяжении основания должна быть >1,5 МПа.
• Средняя оптимальная шероховатость поверхности должна быть 0,5-1,0 мм.
• Перед нанесением каждого компонента системы произвести очистку
поверхности щеткой. Влажность основания должна быть менее 4%.
• Требуемый диапазон температур окружающей среды 5оС -+35оС, бетонного
основания >8оС
ПРОВЕРКА РОВНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
• Ровность поверхности бетонного субстрата следует проверять с помощью
специальных измерительных инструментов.
НАНЕСЕНИЕ ПРАЙМЕРА
• Прочность сцепления субстрата повышается благодаря грунтовке.
Выравнивающий раствор наносится, пока грунтовка еще липкая.
НАНЕСЕНИЕ АДГЕЗИВА
• Однородная смесь эпоксидного адгезива наносится на бетон с помощью
валика, стального мастерка или др. В области нанесения ламината бетонная
поверхность должна быть полностью покрыта адгезивом толщиной 1-2 мм.

6.

СИСТЕМА ХОЛСТОВ
УКЛАДКА
ХОЛСТОВ
• Укладываемый углеродный
холст прокатывается
резиновым валиком
последовательно, не
допуская пропусков.
Пропитку, следует оставить
систему на несколько
минут схватываться.
• По истечении 30 минут на
поверхность фиброхолста
наносится второй слой
пропитки.
Защитное покрытие
Холст
Адгезив
Шпатлевка
Праймер
Бетон
СИСТЕМА ЛАМИНАТОВ
• Ламинаты на основе
однонаправленных
углеродных волокон
наклеиваются эпоксидной
смолой на основание,
УКЛАДКА
ЛАМИНАТОВ увеличивая несущую
способность конструкции.
Защитное покрытие
Ламинат
Адгезив
Шпатлевка
Праймер
Бетон

7.

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ТЕХНОЛОГИИ УКЛАДКИ
ХОЛСТОВ И ЛАМИНАТОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ
ВОЛОКОН
кратчайшие сроки, снижение стоимости работ;
не используется специальная техника;
работы без длительного перекрытия движения (во
многих случаях);
быстрая специальная подготовка персонала
недостаточная эффективность на малых
деформациях;
«вандалонеустойчивость»

8.

Технико-экономическая эффективность

9.

ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПРИ УСИЛЕНИИ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
обладают высокими прочностью на растяжение и модулем упругости,
сопоставимыми или даже превосходящими аналогичные показатели стали;
плотность в 3 - 5 раз меньше, чем у стали;
из-за своей малой плотности практически не увеличивают вес усиливаемой
конструкции, а следовательно, и постоянную нагрузку от собственного веса;
не подвержены агрессивному воздействию внешней среды, в том числе
коррозии;
обладают хорошей выносливостью и способностью воспринимать многократно
повторяющиеся нагрузки;
в сочетании с усиливаемой конструкцией хорошо воспринимают сейсмические
воздействия, а также ударные и взрывные нагрузки;
могут повторять практически любые формы усиливаемой конструкции;
не требуют громоздких приспособлений для их монтажа, трудоемкость их
установки минимальна;
во многих случаях позволяют производить работы но ремонту и усилению
строительных конструкций с минимальными перерывами в эксплуатации
сооружения;
легко грузятся, транспортируются и доставляются непосредственно к месту
установки;

10.

ПРИМЕР РЕКОНСТРУКЦИЯ МОСТА С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Конструкция пролетного строения после реконструкции.
(требуется усиление балки 1 и 5 на 20%).
Рис. 3. Схема усиления балки 1
и 5 углепластиковой лентой
CFRP Laminate.
Рис. 4. График зависимости изгибающего
момента и кривизны.

11.

РАБОТЫ ПО НАКЛЕЙКЕ УГЛЕРОДНОЙ ЛЕНТЫ

12.

ВИД БАЛОК ПОСЛЕ ИХ УСИЛЕНИЯ

13.

СУЩЕСТВУЮЩИЕ НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
ПО УСИЛЕНИЮ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
1. Руководство по усилению железобетонных конструкций
композитными материалами /Разраб. ООО «ИнтерАква» и
НИИЖБ, 2006 г.
2. СТО 13613997-001-2011. Усиление железобетонных конструкций
композитными материалами / Зика Россия. 2011. 55 с.
3.
Рекомендации
по
расчету
усиления
железобетонных
конструкций системой внешнего армирования из полимерных
композитов FibARM/ Разраб. лабораторией теории железобетона
и конструктивных систем ОАО «НИЦ «Строительство» (НИИЖБ),
2012 г.
4.

14.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ПРИНЯТИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ПО СУЩЕСТВУЮЩИМ НОРМАМ
ОБЯЗАТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ
УСИЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

15.

Некоторые вопросы требующие уточнения и решения
разработанные
методики
расчета
усиления
конструкций
композитными материалами во многом повторяют друг друга,
изложены весьма некорректно и расплывчато, с ошибками и
неточностями, без указания размерностей используемых величин,
опираются, в основном, на известный метод расчета по предельным
состояниям, который не учитывает того факта, что в подавляющем
большинстве конструкций предельное состояние наступает не из-за
опасного увеличения нагрузки, а из-за деградации материала
усиливаемой конструкции. В методе предельных состояний силовой
расчет отделен от деформационного, причем оба эти расчета
опираются на разные, нередко взаимоисключающие гипотезы.
- в методиках расчета (точнее в принимаемых гипотезах и
допущениях) заранее закладывается определенное недоверие к работе
систем усиления композитами. В одной из работ это честно
выражается такими словами: «несущая способность конструкции
должна быть достаточна для восприятия постоянной и
ограниченной временной нагрузки в случае повреждения
системы усиления по каким-либо причинам»
- результаты экспериментальных исследований железобетонных
конструкций, усиленных композитными материалами нередко не
только не совпадают, но даже и противоречат друг другу.

16.

- ни в одной из опубликованных и доступных работ не удалось найти четкой
величины вклада композитного усиления в работу усиливаемой конструкции.
Почему-то авторы стараются обойти это вопрос стороной и указывают либо
несущую способность только усиленной конструкции, либо отделываются
общими словами о том, что использование композитов позволяет усилить
конструкцию на 10%. Наш опыт расчета усиления конструкций композитами
показывает, что, в зависимости от прочности (предел прочности) и жесткости
(модуль упругости) материала вклад композитов в усиление может составлять
от 1 до 8-10%.
- практически во всех работах способу усиления с применением композитов,
не отмечаются ошибки, некорректности, нестыковки, хотя они несомненно
есть. Известно, что результаты будут очень сильно зависеть и от применимых
для усиления материалов, и от качества используемых адгезивов (клеев) и от
качества подготовки поверхности бетона под наклейку и, наконец, от качества
выполнения работ и климатических условий при этом. Отсутствуют работы,
где бы описывались возникающие проблемы и те пути, которые были
использованы для их решения.
-пока еще очень мало данных о работе конструкций, усиленных композитами
при динамическом нагружении (что характерно для транспортных
сооружений), при действии климатических факторов (попеременного
замораживания и оттаивания – переходов через ноль), а также поведение
усиленных конструкций во времени (с учетом эффектов ползучести и
релаксации).

17.

Несмотря на вышесказанное, необходимо активно применять
композитные материалы для усиления железобетонных, в том числе
и мостовых конструкций , но делать это с соблюдением необходимых
правил постановки исследовательских экспериментов, с описанием
всех этапов, нюансов, возникших проблем и путей их решения.
Использование композиционных материалов может положить
начало новому направлению реконструкции строительных
конструкций,
обеспечивающему
существенное
сокращение
трудоемкости, стоимости и сроков выполнения работ.
Применение композиционных материалов в качестве усиления перспективное направление строительной отрасли.