При выборе систем полимеров, армированных волокном (FRP), для усиления бетона, стали или каменной кладки наиболее распространены два варианта: стеклопластик (GFRP) и углепластик (CFRP). Оба обеспечивают коррозионную стойкость, высокое отношение прочности к массе и более быстрый монтаж по сравнению с традиционной приклейкой стальных пластин или увеличением сечения, однако их диапазоны рабочих характеристик, структура затрат и оптимальные области применения существенно различаются.

Это руководство содержит подробное инженерное сопоставление, которое поможет выбрать подходящую систему FRP для вашего следующего проекта усиления.

Состав материала

И GFRP, и CFRP представляют собой композитные материалы, состоящие из армирующих волокон, заключённых в полимерную матрицу (обычно эпоксидную, винилэфирную или полиэфирную смолу). Ключевое различие заключается в типе волокна.

В GFRP применяется стекловолокно, получаемое плавлением кварцевого песка и других минералов с последующим вытягиванием в тонкие элементарные нити. E-glass является отраслевым стандартом для применений общего назначения; S-glass обеспечивает примерно на 33% более высокую прочность на растяжение для более требовательных задач. Щёлочестойкое стекло (AR), содержащее 16–20% диоксида циркония, применяется при ожидаемом прямом контакте с бетоном, что предотвращает щелочную деградацию в течение срока службы.

Волокна CFRP изготавливают из прекурсоров полиакрилонитрила (PAN) или пека, которые проходят стабилизацию, карбонизацию при 1 000–3 000 °C и обработку поверхности. В результате получается волокно с исключительной жёсткостью и прочностью, но ограниченной способностью к удлинению.

Механические свойства

Приведённое ниже сопоставление обобщает ключевые механические параметры внешне приклеенных систем FRP, применяемых при усилении конструкций. Диапазоны данных отражают типичные значения из опубликованных исследований и технических листов производителей.

--Прочность: CFRP обеспечивает прочность на растяжение в 2–4 раза выше, чем GFRP, и в 5–8 раз выше, чем конструкционная сталь. Это делает CFRP выбором по умолчанию, когда требуется максимальный прирост несущей способности при минимальной дополнительной толщине материала.

--Жёсткость: модуль упругости CFRP сопоставим со сталью, то есть он эффективно контролирует прогиб и трещинообразование в изгибаемых элементах. GFRP значительно менее жёсткий, поэтому, хотя он и повышает прочность, прирост эксплуатационных качеств (контроль прогиба) у него меньше.

--Пластичность: GFRP имеет более высокую предельную деформацию (до 3,0%), что обеспечивает лучшее поглощение энергии при циклических или динамических нагрузках. Это может быть преимуществом при сейсмическом усилении, где важна деформационная способность после пика.

--Масса: оба материала значительно легче стали. CFRP — самый лёгкий, что упрощает обращение с ним на высотных конструкциях и при работах над головой.

Эффективность усиления по видам применения

1 Усиление балок и плит на изгиб

При приклейке к растянутой грани бетонной балки или плиты FRP работает как внешнее растянутое армирование.

Для конструкций, требующих значительного повышения несущей способности на изгиб — например, мостов с более тяжёлыми транспортными нагрузками или зданий, переводимых под более тяжёлое использование, — обычно предпочтительной системой является CFRP. GFRP может быть достаточным для умеренного усиления (например, при добавлении покрытия пола или нагрузок от лёгкого оборудования), когда прогиб не является определяющим условием проектирования.

2 Усиление на поперечную силу

U-образная обёртка или полное обёртывание балки FRP обеспечивает поперечное армирование, аналогичное хомутам.

CFRP обеспечивает более высокую поперечную несущую способность на слой благодаря более высокой прочности на растяжение. Типичный прирост составляет 30–60%.

GFRP даёт прирост поперечной несущей способности 20–40% и выигрывает за счёт более высокой деформативности.

3 Обойма колонн (усиление на осевую нагрузку)

Обёртывание колонн FRP создаёт боковое обжатие, повышая как несущую способность по осевой нагрузке, так и пластичность.

4 Каменная кладка и объекты наследия

Для усиления стен из неармированной каменной кладки (URM), исторических зданий и конструкций, где необходимо сохранить архитектурный облик:

Часто предпочитают GFRP, поскольку он не электропроводен (безопасен рядом с электроустановками), легче режется и формуется на месте и имеет более светлый цвет (менее заметен визуально при открытом применении).

CFRP применяют, когда требуется максимальный прирост прочности, например при сейсмическом усилении объектов наследия в зонах высокого риска.

Долговечность и стойкость к воздействию среды

Оба типа FRP сопротивляются коррозии значительно лучше стали, но различаются по чувствительности к конкретным средовым воздействиям.

Сопоставление затрат

Стоимость часто является решающим фактором при выборе FRP для крупномасштабных проектов.

Система GFRP может быть на 40–60% дешевле по материалам, чем эквивалентная система CFRP.

Однако достижение той же несущей способности с помощью GFRP может потребовать большего числа слоёв или большей площади приклейки, что частично компенсирует экономию материалов.

А стоимость жизненного цикла CFRP превосходна.

Нормы и своды правил проектирования

Обе системы усиления — GFRP и CFRP — охвачены признанными международными нормами проектирования:

Доступные формы продукции

И GFRP, и CFRP выпускаются в нескольких формах продукции для усиления конструкций:

Ни один материал не является универсально «лучшим». Оптимальный выбор зависит от конкретных требований конструкции, условий среды, требований сводов правил и бюджета проекта.

Для инженеров и подрядчиков, оценивающих системы усиления FRP, главное — соотнести свойства материала с требованиями к работе конструкции, а не по умолчанию выбирать один тип волокна для всех применений.

Horse Construction предлагает полный спектр систем усиления CFRP и GFRP, включая углеродную ткань, углеродные пластины, конструкционные адгезивы и стержни NSM. Наша техническая команда поможет с выбором материалов, расчётами и поддержкой при монтаже для вашего проекта усиления.

Свяжитесь с нами, чтобы получить технические листы, рекомендации по проектированию и решения для конкретного проекта.