Углеволокно в усилении железобетона: методы, расчета, преимущества

Углеволокно вытесняет стальные накладки при усилении железобетона благодаря высокому пределу прочности, малой массе и устойчивости к коррозии. Композитные ленты или ткани добавляются снаружи конструкции (подробнее: https://mpkm.org/usilenie-konstrukciy-uglevoloknom/), не перегружая фундамент и не внося значительных изменений в геометрию.

Классификация методов

Наружное продольное приклеивание ленты усиливает изгиб балок и плит. U-образное оборачивание или полная рубашка увеличивает поперечную прочность и удерживает хрупкие сколы бетона. Вставка прутков в штрабы (NSM-техника) даёт скрытую защиту от внешних повреждений. Комбинация подходов решает задачи при сложном напряжённом состоянии.

Поверхность бетона очищается от отслаиваний, шероховатость доводится до 0,5–1,0 мм. Острые грани скругляются радиусом не менее 15 мм, чтобы исключить концентраторы напряжений. После грунтования наносится эпоксидный клей, пропитывается сухая углеволоконная ткань или приклеивается готовая лента. Температура во время отверждения поддерживается выше +8 °C, относительная влажность ниже 80 %.

Компоненты системы включают однонаправленную или двунаправленную ткань с модулем 165–300 ГПа и толщиной 0,13–0,30 мм, а также двухкомпонентную эпоксидную матрицу. Отношение прочности материала к массе в десять раз выше, чем у стали, поэтому дополнительная нагрузка на основание минимальна.

Расчётные основы

Проектирование ведётся по предельным состояниям. В изгибаемых элементах несущая способность определяется суммой усилий арматуры и углеволокна: M_u = A_s f_sd + A_f f_fz_f. Расчётная прочность композита f_fd берётся как 0,85 f_fk с частичным коэффициентом γ_f = 1,25. Разрыв ленты наступает при деформации 0,6–0,7 % либо ранее, если достигается предел сцепления клей-бетон. Длина анкеровки выбирается так, чтобы обеспечить передачу расчётного усилия, обычно 25–30 % от длины пролёта.

Дополнительная поперечная прочность при U-обёртывании определяется выражением V_f = 2 A_fv f_fd sin α k_tr, где α — угол волокон к продольной оси, k_tr учитывает неравномерность напряжений по высоте. Для колонн кольцевая обмотка повышает осевую несущую способность: N_u = N_0 + k_e f_f t_f b/s, где k_e ≤ 0,75, t_f — суммарная толщина каркаса, b — периметр, s — шаг укладки.

Ограничение раскрытия трещин и прогибов проверяется по деформациям бетона и арматуры. При прочном сцеплении композита с бетоном кривизна снижается до 30 % относительно исходного значения. Усталостная долговечность оценивается по диапазону напряжений в волокне, значение 45 % от статической прочности выдерживает пять миллионов циклов без повреждений.

Экономика и ресурс

Сравнение с традиционными стальными накладками показывает сокращение массы добавляемых материалов в 8–10 раз, снижение трудозатрат на сварку и антикоррозионную защиту, уменьшение перерыва в эксплуатации объекта. Углеволокно не ржавеет, сохраняет характеристики при температурных колебаниях от –40 до +80 °C, стойко к хлоридам и большинству солей.

Практический пример: балка моста пролётом 25 м усиливалась двумя лентами 50 × 1,4 мм. Несущая способность выросла на 35 %, масса добавленного материала составила 3 кг, продолжительность работ не превысила шести часов. Эксплуатационный ресурс продлён до планового капитального ремонта через 20 лет.

Углеволокно расширяет инструментарий инженера: даёт высокое отношение прочности к массе, снижает сроки работ, повышает долговечность. При корректном подборе схемы, соблюдении температурно-влажностного режима и контроля сцепления конструкция получает прогнозируемый запас прочности на расчётный период службы.

Внешнее армирование полосами углеродного волокна закрепилось в проектной практике благодаря высокому соотношению прочность-масса и низкой дополнительной нагрузке на несущие элементы. Спектр задач охватывает повышение изгибной и сдвиговой несущей способности балок, плит, колонн, восстановление после коррозии арматуры и изменения нагрузки. Метод повышает ресурс без существенного перерыва эксплуатации сооружения.

Материалы и их свойства

Для внешнего армирования применяют препрег-ленты, сухие ткани с последующей инфузией эпоксидной матрицей и штучные стержни для анкерного усиления. Модуль упругости лент достигает 240 ГПа при пределах прочности на растяжение 3,2-3,6 ГПа. Толщина единичного слоя лежит в диапазоне 0,13-0,20 мм, что снижает потери полезной высоты сечения. Связующий состав подбирают по критерию адгезии к бетону не ниже 2,5 МПа и по температуре стеклования выше эксплуатационного теплового предела как минимум на 15 °С. Равновесие деформаций лента-клей-бетон обеспечивается низкой ползучестью смолы и чистой сухой поверхностью основания.

Расчёт внешнего армирования

Расчёт ведут по СП 164. Вначале определяют требуемое усилие усиления из условия предельной прочности элемента. Коэффициенты условий работы берут из таблицы 5.2 документа. Для изгибающих элементов прочность проверяют по схеме трёхслойной балки: бетон в сжатой зоне, стальная арматура, углеволоконная обкладка. Лист работает до предела прочности волокна либо до потери сцепления. Критический отрыв вычисляют из выражения R_bd = 0,31·√f_ctd·(b_f/b), где f_ctd — расчётное сопротивление растяжению бетона, b_f — ширина ленты, b — ширина элемента. Запас прочности наращивают механическими анкерами из углестержней, пришитых U-образным швом через бетонное тело. Для сдвигового усиления ткани ориентируют под углом 45° к продольной оси. Расчётное сопротивление сдвигу принимают по формуле V_cf = 0,9·f_fv·A_f·sinθ. При проверке устойчивости колонн к продольному изгибу учитывают совместную работу композита и бетона по модели ограниченной оболочки.

Монтаж и контроль качества

Работы выполняют при температуре от +5 до +35 °С и влажности бетона не выше 4 %. Поверхность подготавливают дробеструйной или алмазной обработкой до удаления слабого слоя. Пыль убирают промышленными пылесосами, затем наносят эпоксидную грунтовку толщиной 150-200 мкм. Адгезив смешивают согласно пропорциям завода-изготовителя с точностью по массе ±3 %. Первую порцию распределяют зубчатым шпателем с высотой гребня 2 мм, ленту укладывают и прокатывают валиком от центра к краям до выхода избытка смолы. Для тканей применяют метод «мокрый по мокрому»: на основание наносят смолу, раскатывают полотно, пропитывают второй порцией. Каждый последующий слой размещают до начала гелеобразования предыдущего. Твердение отслеживают измерителем твёрдости Баркола, проникновения индентора менее 2 див обозначает готовность к нагружению. Через семь суток проводят контроль ультразвуковым толщиномером и отрыв со стальным грибком Ø 50 мм. Показатель адгезии ниже 2,5 МПа трактуют как брак с дальнейшим восстановлением участка.

Суммарная прибавка массы конструкции составляет 4-5 кг на м² ленты, что практически не изменяет расчётных нагрузок. Пожарную стойкостькость обеспечивают минеральной штукатуркой или огнезащитными матами класса К0. Стоимость работ определяется площадью клеевого слоя и видом композита, цена углепластика превосходит стеклотканевые решения примерно в три раза при экономии веса и трудозатрат. Правильный расчёт, проверенный контроль и регламентированный монтаж продлевают ресурс бетонного каркаса на 25-40 лет без вывода здания из эксплуатации.