Эффективно ли углеродное волокно для усиления железобетонных колонн?

Сравнительное испытание на осевое сжатие в лаборатории Horse Construction: бетонные цилиндры без усиления против одного и двух слоёв кольцевой обмотки CFRP — пиковые нагрузки, характеры разрушения и принцип обжатия, стоящий за цифрами, со ссылкой на практику проектирования ACI 440.2R.

Обзор испытания

Усиление колонн — одно из самых распространённых и при этом самых неверно понимаемых применений CFRP при ремонте конструкций. Поскольку углеродная ткань прочна только в направлении волокон и совсем не работает на сжатие, инженеры вне области FRP часто задают справедливый вопрос: как тонкая ткань, обёрнутая вокруг колонны, может заставить её нести большую нагрузку?

Чтобы ответить данными, а не теорией, лаборатория Horse Construction провела сравнительное испытание на осевое сжатие бетонных образцов, представляющих элементы конструкций, работающие на осевую нагрузку. Были испытаны три группы:

Контрольная группа — бетон без усиления;

Группа одного слоя — бетон, обёрнутый одним кольцевым слоем CFRP;

Группа двух слоёв — бетон, обёрнутый двумя кольцевыми слоями CFRP.

Цель состояла в том, чтобы сделать эффект обжатия от кольцевой обмотки CFRP непосредственно видимым: его влияние на несущую способность, деформацию, характер трещинообразования и предельную прочность при сжатии.

Схема испытания и подготовка образцов

Использовались цилиндрические бетонные образцы диаметром 150 мм и высотой 450 мм, что даёт отношение высоты к диаметру, равное 3 — конфигурация короткой колонны, отделяющая поведение материала и обжатия от общих эффектов гибкости.

Для усиленных групп углеродная ткань была раскроена по спецификации с достаточной длиной кольцевого нахлёста, в соответствии со стандартной практикой монтажа FRP (непрерывность нахлёста — это то, что позволяет обмотке работать как замкнутое кольцо, а не как открытая полоса). Был приготовлен и равномерно нанесён подходящий пропиточный (насыщающий) клей, при этом пузырьки воздуха разглаживались в одном направлении, чтобы избежать участков с избытком смолы или сухих участков. Там, где наносился второй слой, его устанавливали только после того, как первый слой достиг состояния «до отлипа» — та же межслойная выдержка, что требуется на реальных объектах.

После полного отверждения все образцы были испытаны на осевое сжатие при постоянной скорости нагружения, при этом полный отклик — от начального трещинообразования и деформации до окончательного разрушения — регистрировался для каждой группы.

Результаты испытания на сжатие

Бетон без усиления (контроль)

Один слой CFRP

Два слоя CFRP

*Прочность = пиковая нагрузка ÷ площадь полного поперечного сечения (π × 75² = 17 671 мм²).

Процессы разрушения были столь же разными, как и цифры. Образец без усиления заявил о своём пределе рано: развились вертикальные трещины, поверхность откололась, и цилиндр хрупко раздавился, как только его необжатое ядро перестало воспринимать нагрузку. Обёрнутые образцы вели себя иначе с первой же трещины — внутри бетона развивались звуки трещинообразования, но обойма CFRP удерживала сечение вместе, боковое расширение сдерживалось, и образцы продолжали нести возрастающую нагрузку далеко за пределом контрольной группы. Разрушение обёрнутых образцов наступало только тогда, когда сама углеродная ткань разрывалась в кольцевом направлении — характерный внезапный громкий разрыв обоймы обжатия, которая наконец была растянута до предела.

Что показывают цифры

Два результата заслуживают внимания:

Обжатие работает и масштабируется. Один слой CFRP повысил прочность при сжатии на 24%; второй слой довёл прирост до 93%. Эффективность обжатия растёт с жёсткостью обоймы — больше кольцевых волокон означает больше бокового сдерживания на единицу расширения бетона.

Ткань никогда не несёт вертикальную нагрузку — и всё же делает работу. Всё осевое усилие воспринималось бетонным ядром. CFRP действовал исключительно как ограничитель боковой деформации бетона и всё же дал почти двукратное увеличение несущей способности при двух слоях. Это и есть суть механики усиления колонн с помощью FRP.

Лежащий в основе принцип: пассивное обжатие

При осевом сжатии бетон не просто укорачивается — он расширяется в стороны. Без сдерживания это расширение раскрывает вертикальные трещины, раскалывает защитный слой и вызывает хрупкое раздавливание при одноосной прочности бетона.

Кольцевая обойма FRP меняет этот механизм. Когда бетон пытается расшириться, он деформирует обойму в кольцевом направлении; обойма, будучи чрезвычайно жёсткой и прочной на растяжение, отталкивает его с боковым обжимающим давлением. Бетонное ядро тем самым попадает в трёхосное напряжённое состояние сжатия — а трёхосно обжатый бетон выдерживает и значительно более высокое осевое напряжение, и значительно большую осевую деформацию до разрушения.

Это основа моделей проектирования, применяемых в мире. ACI 440.2R, главное руководство для внешне приклеиваемых систем FRP, оценивает обжатую прочность при сжатии круглого бетона моделями типа Lam-and-Teng, в которых обжатая прочность растёт с обжимающим давлением, создаваемым обоймой; бюллетени fib следуют той же теории обжатого бетона. Два проектных обстоятельства заслуживают внимания:

Обойма пассивна. Она ничего не делает, пока бетон не расширится. Её вклад мобилизуется деформацией — поэтому обжатие улучшает пластичность гораздо заметнее, чем прочность, и поэтому эта демонстрация показывает изменение поведения, а не просто более высокую цифру.

Решающей является деформация разрыва. Обойма работает только до кольцевого разрыва, поэтому руководства по проектированию ограничивают эффективную кольцевую деформацию ниже предельной деформации растяжения материала, учитывая многоосное напряжённое состояние в изогнутых волокнах, кривизну по периметру сечения и монтажные допуски.

Что это значит для реальных колонн

Перенесённая из лаборатории на конструкцию, кольцевая обмотка CFRP даёт три вещи, важные для практикующего инженера:

Осевая несущая способность для колонн, нагрузки которых выросли — дополнительные этажи, изменение назначения, более тяжёлое оборудование — без увеличения сечения и без существенного добавления веса;

Пластичность — свойство, определяющее, деградирует ли перегруженная колонна постепенно или разрушается хрупко и внезапно. В сейсмических районах это часто главная причина, по которой колонны вообще обматывают;

Сопротивление сдвигу, поскольку та же кольцевая обойма, что обжимает ядро, сдерживает и наклонные трещины сдвига, определяющие сдвиговое разрушение колонны.

Одно уточнение для составителей технических заданий: кольцевая обмотка — это мера обжатия и сдвига. Усиление колонны на изгиб — когда требуется именно оно — требует продольных волокон, это другой конструктивный элемент с другой целью.

Границы демонстрации

Лабораторное сравнение — это демонстрация механизма, а не замена проектирования. Честные границы этого испытания:

Образцы 150 × 450 мм — это короткие колонны; реальные колонны необходимо дополнительно проверять на гибкость и эффекты второго порядка, которые обжатие не решает.

Эффективность обжатия максимальна на круглых сечениях. Прямоугольные колонны эффективно обжимаются только после скругления углов, и потребность в обойме для них рассчитывается иначе по ACI 440.2R.

В испытании применялось однократное нагружение. Преимущество в пластичности, которое делает обоймы FRP столь ценными при сейсмоусилении, лучше всего проверяется при знакопеременном циклическом нагружении.

Проектная несущая способность в реальном проекте должна определяться расчётом для конкретного проекта с аттестованными характеристиками фактических материалов — приведённые проценты описывают эти образцы, а не гарантированный множитель для любой колонны.

Заключение

Итак — эффективно ли углеродное волокно для усиления железобетонных колонн? Испытание на сжатие даёт конкретный ответ: при кольцевой обмотке один слой CFRP повысил прочность при сжатии испытанных образцов на 24%, а два слоя — на 93%, одновременно превратив характер разрушения из хрупкого раздавливания в сдержанный пластичный отклик. Ткань сама не несёт осевой нагрузки; её задача — удерживать бетон вместе, — и, как показывает испытание, она выполняет эту задачу на удивление хорошо.

https://www.youtube.com/shorts/wqpDzn-foTU

Есть похожий проект? Свяжитесь с нами.

Horse Construction — шанхайский производитель материалов для усиления конструкций с двумя полными линейками продукции, которым доверяют в проектах более чем в 100 странах, и собственной лабораторией, где системы вроде описанной выше испытываются до того, как попасть на ваш объект:

Углеродные системы — углеродная ткань CFRP, ламинаты CFRP, системы предварительно напряжённых ламинатов CFRP, углеродная арматура и канаты, с соответствующими пропиточными эпоксидными смолами;

Конструкционные клеи — клей для приклеивания стали, клей для замоноличивания арматуры, клеи для инъектирования и заливки трещин и клей для стыков сегментов.

Если ваш проект связан с усилением колонн, сейсмоусилением или аналогичными работами, свяжитесь с нами — мы сделаем всё возможное, чтобы поддержать вас, от выбора материалов и данных испытаний до поставки в срок.