Усиление железобетонных колонн углеволокном

Появление углеволокна в виде нитей диаметром 5…15 мкм, которые состоят из структурированных атомов углерода, изменило схему ремонта и внешнего усиления железобетонных конструкций или СВА — системы внешнего армирования. Прочность углеволокна на разрыв вдоль волокон в несколько раз превышает прочность стали (может достигать 5 ГПа). При этом вес плетения нитей в десятки раз меньше, чем у плетения стальных нитей с аналогичной прочностью на растяжение.

В строительстве углеволокно применяется в виде полотна или ленты однонаправленного (CarbonWrap Tape 230/600) и двунаправленного плетения (CarbonWrap Fabric 240/1200). В присутствии связующего или клеящего компонента полотно образует композитное соединение (карбон), которое становится усиливающим или несущим элементом колонны. В качестве связующего элемента используются эпоксидные компаунды.

Принцип действия усиления колонн с углепластиком

Тканое углеволокно используется для усиления колонн из камня, кирпича, монолитного и армированного железобетона или дерева.  В основе способа лежит создание обвязки из углеродной ткани, которая ориентируется волокнами в направлении максимальной нагрузки. На клеевую основу из эпоксидной смолы укладывается ткань по периметру колонны. После полимеризации клея и образования прочной связки материала колонны с нитями ткани часть усилий (до 30…40%), которые возникают в колонне, воспринимаются композитной группой (углепластиком).

Для снижения изгибающих нагрузок, которые возникают на внешних несущих колоннах или при смещении точки приложения нагрузки от оси колонны, на колонну со стороны растягивающих усилий (вдоль плоскости действия изгибающего момента) приклеивают ламель из углеволокна. Ламели являются законченной продукцией и не требуют дополнительной обработки.

Виды усиления колонн

Технология усиления колонн углеволокном не является самостоятельной операцией. Она входит в состав комплекса работ, включающий диагностику и ремонт с помощью инъектирования или других видов ремонтных работ.

Различают усиление конструкций:

  • по горизонтальному сечению лентами или полотнами с однонаправленным или двунаправленным плетением с определенным шагом по всей высоте;
  • по вертикали с опорой на скругление или фаску на углах колонны;
  • обвязка оголовка колонны в направлении перпендикулярном и под 45° относительно направления приложения разрушающей силы;
  • комбинированное усиление.

Выбор типа углеродной ленты или углепластиковой ламели зависит от анализа разрушающих усилий, факторов или степени разрушения. Направление нитей должно противодействовать этим нагрузкам.

Основные этапы производства работ:

  • Определение разрушающих факторов, составление карты повреждений. Колонну желательно разгрузить и установить дополнительные опоры.
  • Определение схемы ремонта и усиления колонны. В состав схемы входит весь комплекс мероприятий, который предусмотрен для ремонта колонны (очистка, разделка трещин шириной до 0,3 мм, инъектирование трещин до 5 мм, разделка значительного повреждения с зачисткой ремонтной зоны и арматуры от пыли и ржавчины, грунтование, заделка ремонтным составом).
  • Выполнение фаски или скругления на углах колонны, выравнивание, очистка колонны по всей поверхности и грунтование. Скругления позволяют избежать напряжений, которые перпендикулярны направлению нитей, т.е. максимальной несущей способности углеволокна.
  • Нанесение эпоксидного клея, укладка и прикатка полотна, ленты или ламели. Если колонна разгружена, то на верхнюю плоскость оголовка укладывают слой углепластика. Количество слоев строго не регламентируется и определяется схемой усиления.
  • После полимеризации эпоксидной смолы проводят отделочные работы (при необходимости).

Список не является исчерпывающим.

Работы проводятся при температуре воздуха и тела колонны не ниже +5° С и влажности поверхности колонны < 4%. Следующий слой можно укладывать через 4 часа. Последовательность укладки вертикальных и горизонтальных усиливающих слоев не регламентируется, т.к. пропитка слоев образует монолитную карбоновую конструкцию. Полная полимеризация и набор прочности происходит через 48 часов, после чего колонну можно нагрузить.

Достоинства способа усиления колонн с помощью углеволокна:

  • Геометрическая форма колонны не изменяется.
  • Усиление не влияет на вес колонны.
  • Не требуется производства сварочных работ по обвязке колонны металлическими элементами усиления.
  • Не требуется остановки производственных или технологических циклов.
  • Минимальные сроки производства работ.
  • Технология усиления, в сочетании с комплексом ремонтных работ, позволяет восстановить несущую способность колонны не менее чем на 90%.

Выполнение работ по ремонту и усилению несущих конструкций проводят только специализированные организации, которые могут провести анализ и расчет строительной конструкции в соответствии с требованиями СНиПов для гражданского и промышленного строительства. Все этапы работ с несущими конструкциями документируются. По окончании работ заказчик подписывает акт сдачи-приемки, который является обязательным для пакета технической документации, разрешающего безаварийную эксплуатацию строительного объекта.