Композиты на основе полимера, армированного волокном (FRP), широко применяются для внешнего усиления бетонных конструкций. Доступны различные семейства FRP, включая CFRP, GFRP, BFRP и AFRP, каждое из которых обладает особыми свойствами материала. Лицензированный проектировщик должен выбрать систему FRP на основе ожидаемых условий эксплуатации. Хотя альтернативные материалы FRP применяются в узкоспециальных областях, Полимер, армированный углеродным волокном (CFRP), выделяется в большинстве наиболее ответственных проектов реконструкции конструкций.

Ниже мы сравниваем характеристики по основным критериям выбора, чтобы определить, где CFRP обеспечивает превосходящую производительность.

Экологические соображения

Условия окружающей среды влияют на смолы и волокна всех систем FRP. Механические свойства, включая предел прочности при растяжении, предельную деформацию при растяжении и модуль упругости, могут ухудшаться при воздействии щелочности, солёной воды, химикатов, УФ-излучения, высокой температуры, высокой влажности и циклов замораживания-оттаивания. Расчётные значения материала должны учитывать такое ухудшение.

Щёлочность и кислотность

Долгосрочные характеристики системы FRP в щелочных или кислых средах зависят как от матрицы, так и от волокна.

Сухое, незащищённое углеродное волокно устойчиво как к щелочному, так и к кислотному воздействию. Напротив, чистое стекловолокно постепенно разрушается при щелочном и кислотном воздействии. При правильно подобранной смоляной матрице ламинаты CFRP изолируют углеродные волокна от коррозионных сред и сопротивляются разрушению. Для бетонных конструкций, прибрежных сред с солёной водой и промышленных объектов с химическим воздействием CFRP обеспечивает более надёжную долгосрочную коррозионную стойкость, чем GFRP.

Тепловое расширение

Системы FRP различаются по характеру теплового расширения, и компоненты из волокна и полимера внутри каждой системы FRP также варьируются.

Коэффициент теплового расширения углеродного волокна близок к нулю. Тепловое расширение стекловолокна схоже с бетоном, в то время как полимерная смола в системах усиления FRP обычно имеет коэффициент теплового расширения примерно в пять раз больше, чем у бетона.

Тепловое расширение волокна CFRP, близкое к нулю, значительно уменьшает вызванное температурой несоответствие деформаций между FRP и бетонным основанием. Хотя расчёты разницы деформаций сложны из-за ориентации волокон, объёмной доли волокна и толщины клеевого слоя, практический опыт показывает, что различия теплового расширения не нарушают сцепление при нормальных колебаниях температуры (±50°F / ±28°C). Эта уникальная особенность делает CFRP предпочтительным для конструкций, подверженных большим перепадам температур.

Факторы нагрузки

Условия нагрузки по-разному влияют на различные типы волокон. Выбор FRP должен соответствовать ожидаемому режиму нагрузки.

Ползучесть-разрушение (creep rupture) и усталость

Именно здесь CFRP проявляет своё наиболее решающее преимущество.

Системы CFRP весьма устойчивы к разрушению от ползучести под длительной статической нагрузкой и к усталостному разрушению под циклической нагрузкой. GFRP и BFRP гораздо более чувствительны как к длительным нагрузкам, так и к повторяющимся циклическим нагрузкам.

Для мостов, крановых балок, промышленных плит и других конструкций, подверженных повторяющимся подвижным нагрузкам или длительной постоянной нагрузке, CFRP является предпочтительной системой FRP для обеспечения долгосрочной конструкционной безопасности.

Факторы долговечности

Все указанные системы FRP должны пройти испытания на долговечность, соответствующие условиям эксплуатации, включая циклы влажного тепла, щелочное погружение, циклы замораживания-оттаивания, УФ-воздействие, сухой нагрев и воздействие солёной воды.

Для систем FRP, полностью обволакивающих бетонные сечения, проектировщикам необходимо оценить воздействие замораживания-оттаивания, коррозию стали, щёлочно-кремнезёмные реакции, задержанную воду, давление пара и передачу влажностного пара. Многие продукты FRP образуют непроницаемый поверхностный слой; там, где происходит передача пара, требуются меры для отвода влаги.

При сравнении результатов испытаний на долговечность в долгосрочной перспективе CFRP сохраняет свои механические свойства более стабильно с течением времени, чем конкурирующие системы FRP при агрессивном экологическом старении.

Резюме: Как выбрать между системами FRP

Выбирайте CFRP, когда приоритетами являются высокая жёсткость при растяжении, высокая прочность, отличная устойчивость к усталости и долгосрочная коррозионная стабильность. Это основное решение FRP для большинства работ по усилению конструкций, реконструкции мостов, сейсмоусиления и проектов с тяжёлыми длительными/циклическими нагрузками.

Свяжитесь с нашей технической командой для получения полных данных о материале и документации по характеристикам для вашего проекта.