Усиление железобетонных конструкций элементами из высокопрочных волокон

С 16 по 19 октября в Минске прошел представительный международный симпозиум «Проблемы современного бетона и железобетона», организованный министерством архитектуры и строительства Республики Беларусь, Национальной Академией наук Беларуси, УП «Институт БелНИИС» и Белорусским союзом строителей. Об усилении железобетонных конструкций элементами внешнего армирования из высокопрочных волокон рассказал Александр МОЧАЛОВ из Москвы — заведующий сектором «Усиление новыми методами» НИИ бетона и железобетона и заместитель генерального директора фирмы «Практик».

Монолог

Усиление железобетонных конструкций элементами внешнего армирования из высокопрочных волокон применяется с давних пор, хотя для нас оно, к сожалению, достаточно новая вещь. В Швейцарии оно используется уже 45 лет. Его основные преимущества следующие: 1) совместная работа элемента внешнего армирования с усиливаемой конструкцией на всех этапах ее загружения (такая работа обеспечивается надежным клеевым соединением); 2) высокая долговечность и стойкость к коррозии; 3) высокие механические характеристики (прочность и модуль упругости) материалов, составляющих систему усиления; 4) высокое относительное удлинение материалов усиления; 5) простота монтажа и малый собственный вес. О надежности подобного усиления можно спорить, но факт в том, что она доказана экспериментально. О каких механических характеристиках идет речь? Это, во-первых, прочность. Она начинается от 35 тыс. кг/см2, если мы говорим об углеволокне. Во-вторых, это модуль упругости — до 640 тыс. МПа, т.е. практически в 3 раза больше, чем у стали. Для склейки используются специальные монтажные эпоксидные клеи. Они обладают технологическим совершенством, т.к. их можно наносить на железобетонную конструкцию, имеющую естественную влажность. Безусловно, у рассматриваемого усиления имеются и недостатки. Кроме высокой стоимости самих элементов армирования, это и необходимость их защиты от огня. Дело в том, что температура стеклования эпоксидного клея составляет только 60°-65(С даже в случае самых лучших эпоксидов. Поэтому необходимо очень тщательно готовить бетонную поверхность для обеспечения надежной анкеровки, а это и регламентные работы, которые необходимо проводить для усиления. В таблице представлены механические характеристики материалов для внешнего армирования. В центре внимания углеволокно. Его высокомодульные варианты (до 640 тыс. МПа) пока экзотика, это некая перспектива для их применения, например, для усиления стальных конструкций. Работы в этом направлении мы начали год назад совместно с кафедрой металлических конструкций и испытаний сооружений Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, заведует которой доктор технических наук, профессор Григорий Белый. А самое бюджетное и привлекательное — это стекловолокно. Модули упругости и прочность у него не такие высокие (до 100 тыс. МПа и 1700 МПа, соответственно), но это тоже очень прилично.

Безусловно, все, что связано с внешним армированием из высокопрочных волокон, было бы совершеннейшей теорией, если бы мы не имели практики его использования. Что касается железобетонных конструкций, то систему их усиления материалами из высокопрочных волокон мы узаконили 8 лет назад, получив сертификат Госстроя России. В первую очередь она была востребована для транспортных сооружений. К настоящему моменту уже около 200 гражданских объектов усилено этим методом. Короткие стойки с соответствующим соотношением высоты к габариту сечения усиливаются элементами внешнего армирования в виде бандажей по принципу косвенного армирования. Очень много работ выполнено по усилению консолей колонн, особенно в случае провокаций наклонных трещин. Если еще можно рассматривать в качестве альтернативы, например, для усиления стальной колонны стальных же бандажей, хотя их достаточно сложно включить в работу, то рассматривать в качестве альтернативы бандажу, непрерывно приклеенному к железобетонной консоли, стальной бандаж просто не приходит в голову. Традиционно в таких случаях предпринимаются попытки применить тяжи. Но если, к примеру, первоначальная длина тяжа 1000 мм, то согласно деформированной схеме при приращении его длины в 1 мм приращение усилия будет почти нулевым. Это говорит о практической бесполезности таких элементов усиления. Сравнивать их с приклеенными элементами, работающими упруго вплоть до разрушения, не приходится. Конечно, очень много работ связано с усилением изгибаемых конструкций. Это, безусловно, очень ответственно. Поэтому применяется усиление отдельно в зоне действия изгибающего момента и зоне действия поперечных сил. В первом случае включаются зоны анкеровки. Здесь очень важно вовлечь в работу как можно больший объем бетона, т.к. приклейка усиливающего материала осуществляется на защитный слой, который находится в очень невыгодном положении. Во втором случае усиление приопорной зоны в зоне действия главных растягивающих напряжений выполняется с помощью бандажей. Существенным моментом в плане надежности работы бандажа является обеспечение его совместной работы с усиливаемой конструкцией. Для этого бандаж доводится вплоть до границы сжатой зоны. Еще лучше накрыть и сжатую зону, особенно если усиливаются изгибаемые конструкции таврового сечения. Например, это монолитные ребристые перекрытия. Здесь, конечно, требуется очень качественная склейка, и мы используем специальные элементы, которые называются косичками. Они делаются из того же углеволокна, но, в отличие от стальных анкеров, не подвергаются коррозии. Благодаря этому у нас, например, появляется возможность при необходимости «подтянуть» конструкцию к стене. При этом в стене может быть точка росы, но мы можем совершенно не опасаться за жизнь наших анкеров-косичек. Таких усилений, особенно в жилых зданиях, выполнено довольно много. К сожалению, практика монолитного домостроения в России (достаточного объема аналогичной информации по Беларуси у нас нет) показывает: 95% наших усилений — это усиление новых монолитных домов еще до приложения к ним полезных нагрузок.

Что бы я хотел сказать в защиту метода усиления элементами внешнего армирования из высокопрочных волокон, хотя в принципе он в этом не нуждается. Первое обстоятельство — на сегодня данный метод является самым совершенным в техническом отношении. Он осуществим, в отличие от традиционных методов. Мы многократно в этом убеждались, т.к. занимаемся и исследованиями, и проектированием, и производством работ. Очень часто видим, что традиционное усиление практически не работает, включить его в совместную с усиливаемой конструкцией работу нельзя. Второе обстоятельство — метод усиления элементами внешнего армирования из высокопрочных волокон является очень бережным методом. Внешнее вмешательство в усиливаемую конструкцию минимальное. Фактически мы в состоянии расположить элементы внешнего армирования именно в том направлении, чтобы, скажем так, парировать возможное развитие нежелательных деформаций, трещин и т.д. вдоль линии главных растягивающих напряжений. В результате усиливаемая конструкция становится еще более надежной, причем без дополнительной анкеровки. И третье обстоятельство — комплексный подход к ремонту и усилению. Мы не монтируем элементы внешнего армирования на поврежденную железобетонную конструкцию, а предварительно лечим ее. Имеющиеся дефекты устраняются методами строительной химии. На этом симпозиуме было достаточно много информации о компании Sika — мировом лидере в этой области. Она 8 лет работает с нами, мы являемся ее авторизованными подрядчиками и работаем с материалами прежде всего этой компании. Наше усиление — это не просто усиление. В первую очередь осуществляется консервация того, что осталось от конструкции, затем выполняется ее восстановление, в т.ч. восстановление защитного слоя. И только после этого монтируется то количество элементов внешнего армирования, которое требуется по расчету.

Теперь по поводу расчета. Нас спрашивают, например, исходя из каких соображений мы подбираем то или иное сечение. В первую очередь мы пользуемся белорусским пособием по усилению железобетонных конструкций, составленным Тимофеем Пецольдом и его коллегами. Те методики, которые заложены в этом источнике, представляют собой необходимый синтез и развитие того, что было сделано в советское время. В ходу у нас и бюллетень №14 Еврокода на английском языке, который не является официальным нормативным документом ни в России, ни в Беларуси. Однако это единственно серьезная книга, на положения которой можно опираться, занимаясь проектированием серьезных усилений. Есть у нас и работы в области построечного предварительного напряжения, сейчас мы проводим достаточно серьезный натурный эксперимент. К нашей работе подключились и военные, которые занимаются поврежденными, МЧСными, так сказать, конструкциями. Скоро на базе военных будет очень интересный эксперимент, когда сначала поврежденную конструкцию деформируют до появления трещин и повреждений, потом на нее монтируют элементы внешнего армирования и в конечном итоге доводят до разрушения.

Диалог

— Так вы делаете расчеты или не делаете? Материал Sika Carbodur в Беларуси тоже применяется, но он дорогостоящий. Срабатывает ли, например, высокий модуль упругости? В какой мере это эффективно?
— Для усиления согласно первой группе предельных состояний мы пользуемся низкомодульными материалами (230 тыс. МПа). Что касается материала Sika Carbodur, то это углепластик, композиционный материал, поэтому используем в его случае приведенные характеристики по сечению. В России Carbodur применяется в основном для мостовых сооружений. Для усиления гражданских конструкций в большинстве случаев используется углехолст. О дороговизне. Если сравнивать усиление колонны стальной обоймой с вовлечением ее в совместную работу при выполнении всех регламентных мероприятий (нагрев планок, зачеканка безусадочным раствором и т.д.), то сегодня по стоимости мы выигрываем у такого решения вдвое. Т.е. на колоннах конкурировать с углеволокном в настоящее время бессмысленно. Мы их усиливаем, образно говоря, за копейки. Колонна усиливается где-то за 200 долларов. Говорю обо всем этом ответственно, как монтажник и подрядчик.

— Какова все-таки огнестойкость этого покрытия? В данном случае интересует не потеря прочности, а токсичность и дымообразующая способность, ведь там эпоксидные смолы.
— Летучих компонентов после полимеризации остается очень мало. Это несопоставимые вещи по сравнению с количеством летучих компонентов от окрасочных и декоративных материалов, имеющихся в здании или сооружении. И при нагреве то же самое. Мы заканчиваем работу нанесением на липкий эпоксид песка. Таким образом, обеспечивается адгезия со всеми последующими слоями. Если необходимо добиться требуемой огнестойкости, то вспучивающийся огнестойкий состав наносится на эту поверхность.

— Почему надо усиливать еще не заселенные монолитные дома?
— Причины очевидны: технологии несовершенны, бетон некачественный. Можно прийти на любую стройку со склерометром и выяснить, что по проекту класс бетона по прочности на сжатие B25, а на самом деле — и В15, и В30. А в Еврокоде написано, что любая несущая железобетонная конструкция должна иметь класс по прочности не ниже, чем В25. Еще одна колоссальная проблема — это проблема проектирования. В Москве продолжают возводить рамные каркасы. Вот будет у нас, например, два 150-метровых дома с такими несущими остовами. И в них предусмотрены колонны сечением 2х1 м с насыщением арматурой в 10%. Реально ли сделать такие колонны из обычного бетона, не используя пластификаторы уровня, например, Sika ViscoCrete? Нет, нереально: щебенка пойдет вниз, цементное молоко пойдет вверх. Но так на каждой нашей стройке. И проектировщики задают избыточное количество арматуры, т.к. другого выхода у них просто нет. Впрочем, есть огромное число конструктивных приемов, обеспечивающих эффект косвенного армирования, эффект обоймы. Но проектировщик может ими не владеть. Технолог ему скажет, что в лаборатории у него получилась марка бетона 800 или 1000. А на стройке не получается выше марки 300 или 400. И если все останется как есть, то чем больше будет монолита, тем больше будет работы по усилению. В отечественном монолитном бетоне сплошные поры и трещины. Причем в массивных сечениях все это просто ужасно. Кроме того, обеспечить точное геометрическое расположение каркаса в сечении очень сложно — не хватает сил технадзора и т.д.

— Насколько при расчетах усиливаемых конструкций можно увеличивать призменную прочность бетона?
— Если это круглая или многогранная короткая стойка, и нет влияния продольного изгиба, то СНиПом разрешается повышать призменную прочность бетона внутри ядра максимум на 40%. Фактически бывает иначе. Мы когда-то занимались трубобетоном и получали двойное и тройное увеличение призменной прочности. Но в нормах этого не отражено. Значит, на законных основаниях значение призменной прочности можно повышать не более чем в 1,4 раза.

— Что вы можете сказать об усилении железобетонных плит?
— В плитах анкеровка обеспечивается автоматически, т.к. мы доводим элемент усиления, если рассчитываем его по изгибающему моменту, до ненапряженной зоны, т.е. практически до опоры, где изгибающий момент равен нулю. И т.к. мы пользуемся не лентами, которые являются
концентрированными элементами, нуждающимися в дополнительной анкеровке, а холстами, у которых большая площадь приклейки, то вовлекаем в работу много бетона. При этом оторвать холст практически невозможно — такая схема разрушения вообще не реализуется. При этом у нас, как правило, перекрестная система приклеенных холстов. Рабочая толщина холста — это доли миллиметра (0,13 мм). Может быть две толщины, три толщины — как надо. Чтобы было надежно, холсты хорошо располагать по эпюре материалов.

Дмитрий ЖУКОВ. Фото автора и фирмы «Практик»