Применение фиброармированных полимерных материалов для усиления строительных конструкций

В настоящее время наряду с традиционными методами усиления строительных конструкций все более широкое применение находят специальные методы, в частности усиление конструкций с помощью композиционных материалов в виде фиброармированных пластиков (ФАП), выполненных на основе различных связующих: полимерных, керамических, металлических, минеральных и других. Применяемые в строительстве композиционные материалы изготавливают из высокопрочных волокон (углеродных, арамидных, стеклянных волокон и др.), омоноличенных в связующем составе на полимерной основе. В качестве отверждающего полимера чаще всего применяют эпоксидные или поликринитриловые смолы. Волокна в связующем материале могут быть случайно расположенными или располагаться в одном направлении. Если волокна располагаются в одном направлении, то такой композиционный материал называется однонаправленным. При двухнаправленном расположении волокон материал называют двуосноармированным. В отдельный класс выделяют жесткие композиционные материалы, называемые ламинатами, которые состоят из нескольких однонаправленных слоев. При этом ориентация каждого слоя относительно предыдущего может изменяться. Разновидностью ламинатов являются гибриды, представляющие собой многослойные композиционные материалы, армированные волокнами различного типа.

Наибольшее применение для усиления строительных конструкций получили композиционные материалы на основе углеродных волокон. Они характеризуются исключительными физико-механическими характеристиками (высокой прочностью на растяжение и сжатие, близким к стали модулем упругости - до 640 ГПа, прочностью на растяжение – до 3000 МПа, значительным сопротивлением динамическим нагрузкам, неподвержены коррозии и стойки к химическим агентам (кислотным и щелочным). Обладают высокой степенью выносливости и усталостной прочности, термической и реологической устойчивостью.

Материалы на основе углеводородных волокон изготавливаются в виде ламинатов и холстов.

Ламинаты – углеродные волокна, строго ориентированные в одном направлении и омоноличенные (ламинированные) в полимере в виде жестких полос. Их применяют для восприятия растягивающих усилий изгибаемых, центрально и внецентренно сжатых элементов (плоских и ребристых плит, балок, ригелей, нижних поясов ферм и т.д.).

Холсты – гибкая ткань с однонаправленным и двунаправленным расположением углеродных волокон. Их используют для усиления строительных конструкций, работающих в сложном напряженном состоянии, для восприятия поперечной силы и сдвиговых усилий (колонн, стоек, приопорных частей балок и ригелей каркасных зданий и т.п.). Холсты поставляют в рулонах и применяют при так называемом «мокром» способе. Они наклеиваются на усиливаемую поверхность конструкции послойно с помощью специальных эпоксидных, полиэфирных или винил-эфирных смол (адгезивы) с пропиткой каждого слоя. Для придавливания холстов используются рифленые валики, что способствует лучшему пропитыванию холстов и выходу вовлеченного воздуха из адгезионного слоя. После прикатки осуществляется выдержка в течение 30 мин, после чего укладывается следующий слой адгезива и холста. По завершении наклейки всех слоем на верхний слой наносится защитное покрытие из расчета 0,5 кг/м². Для усиления сцепления холстов с конструкцией производится установка бандажей и хомутов из холста. Композит формируется при отверждении эпоксидной смолы в естественных условиях.

Ламинаты изготавливают 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 (рис.11).

Рис.11. Хранение и обрезка ламинатных полос

Перед установкой на усиливаемую конструкцию ламинаты очищают мягкой тканью, смоченной в ацетоне. После этого на поверхность ламината и на подготовленную поверхность усиливаемой конструкции наносят адгезионный слой и прикатывают резиновым валиком для плотного прилегания к поверхности. Приклеенный ламинат не должен подвергаться механическим воздействиям в течение суток (до затвердевания адгезионного слоя).

Важнейшей проблемой при использовании композиционных материалов является обеспечение их совместной работы с усиливаемым элементом. Для этого перед наклейкой ламинатов и холстов осуществляется подготовка бетонной поверхности путем удаления частиц бетона в разрушенных зонах и обработки их специальными ингибиторами. При этом каверны и раковины на бетонной поверхности заделываются высокопрочными быстротвердеющими растворами. После очистки дготовленная к наклейке бетонная поверхность обрабатывается грунтовочным составом с целью улучшения сцепления адгезива и композиционного материала с бетонной поверхностью.

Усиление сжатых и внецентренно сжатых конструкций (колонны, простенки) осуществляется путем устройства вокруг сечения элементов бандажей с направлением волокон перпендикулярно продольной оси усиливаемого элемента (рис.11, а).

Усиление плитных конструкций производится наклейкой на нижнюю поверхность поперечных и продольных накладок ФАП с направлением волокон перпендикулярно друг другу (рис.11, б).

. Для усиления изгибаемых элементов (балок) наклейка ФАП производится на нижнюю поверхность ребра с направлением волокон вдоль оси усиляемой конструкции, либо наклонных хомутов в приопорной зоне с направлением волокон перпендикулярно продольной оси (рис.11, в).

Рис.12. Принципиальные схемы усиления колонн (а), плит (б) и балок (в)

Стоимость углеродных композитов превышает стоимость стальных усиливающих элементов, однако это компенсируется их уникальными свойствами и простотой в работе. Малая масса и плотность обеспечивают легкость транспортировки и обработки материала. Использование углеродных материалов не требует применения тяжелых вспомогательных приспособлений. Они способны легко повторять любые формы усиливаемой конструкции. Для этого достаточно лишь прижать их рукой или прикатать валиком и организовать временное крепление к поверхности усиливаемого элемента.

Высокие механические и технологические качества углеводородных материалов открывают широкие перспективы использования их при реконструкции зданий и сооружений с целью усиления и реставрации конструкций из бетона, железобетона, камня и дерева.