Текстильно-армированный бетон для строительства и эксплуатации зданий и сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, доктор наук Столяров Олег Николаевич

• Столяров Олег Николаевич
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Столяров Олег Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Особенности строения текстильно-армированного бетона

1.1 Конструкционные композиты в строительстве

1.2 Армирующие волокна и нити

1.2.1 Классификация волокнистых материалов

1.2.2 Особенности строения волокнистых материалов

1.2.3 Волокна

1.2.4 Текстильные нити и ровинги

1.2.4.1 Оплетенные нити

1.2.4.2 Нити фрикционного способа прядения

1.2.4.3 Гибридные нити

1.3 Текстильные полотна

1.3.1 Плоские текстильные полотна

1.3.1.1 Тканые полотна

1.3.1.2 Вязаные полотна

1.3.1.3 Плетеные структуры

1.3.1.4 Нетканые полотна

1.3.2 Трехмерные полотна

1.3.2.1 Трехмерные тканые структуры

1.3.2.2 Трехмерные вязаные структуры

1.3.3 Текстиль с покрытием

1.4 Минеральные матрицы

1.5 Технология изготовления ТАБ

1.5.1 Литье

1.5.2 Ламинирование

1.5.3 Торкретирование

1.5.4 Центробежное литье

1.5.5 Экструзия

1.6 Структура ТАБ

1.7 Механические свойства ТАБ

1.7.1 Механические свойства текстильной арматуры

1.7.2 Взаимосвязь строение и механических свойств ТАБ

1.7.3 Влияние покрытия ровинга на механические свойства ТАБ

1.8 Расчет ТАБ конструкций

1.9 Функции и области применения ТАБ

1.10 Выводы по Главе

ГЛАВА 2. Взаимосвязь параметров структуры и механических свойств текстильных

армирующих полотен

2.1 Механические свойства высокопрочных ровингов

2.2 Зависимость прочности при растяжении и модуля упругости от величины крутки стеклоровинга

2.3 Определение повреждаемости филаментов в структуре крученого стеклянного ровинга

2.4 Механические характеристики углеродных ровингов

2.5 Прочность в петле и узле

2.6 Повышение эффективности реализации свойств высокопрочных нитей в 92 основовязаных армирующих полотнах

2.6.1 Особенности строения основовязаного полотна

2.6.2 Влияние переплетения на механические свойства армирующего полотна

2.6.3 Статистический анализ механических свойств при растяжении

2.6.4 Измерение формы поперечного сечения ровинга в основовязаном полотне

2.6.4.1 Метод подготовки образцов и анализ изображений

2.6.4.2 Контактная длина и средний радиус распределения филаментов в ровинге внутри армирующего полотна

2.7 Измерение сдвига основовязаных полотен методом деформируемой рамки

2.8 Пространственные полотна

2.9 Влияние типа покрытия на механические свойства основовязаных армирующих полотен

2.9.1 Характеристика образцов пропитанных полотен для измерений

2.9.2 Влияние типа покрытия на механические свойства полотен

2.10 Гибридные полотна

2.11 Выводы по Главе

ГЛАВА 3. Эффективность реализации свойств текстильной арматуры в бетонном

композите

3.1 Изготовление образцов бетонных композитов для испытаний на изгиб

3.2 Испытания на чистый изгиб

3.3 Влияние параметров строения полотна на свойства текстильно-армированного бетона

3.4 Эффективность реализации свойств ровинга в бетонном композите

3.5 Статистический анализ свойств бетонных композитов при изгибе

3.6 Отношение прочностных характеристик при измерениях на образцах композитов, армированных в один и в два слоя

3.7 Механические свойства бетонных композитов, армированных пропитанными полотнами

3.7.1 Влияние типа покрытия на механические характеристики при изгибе

3.7.2 Статистический анализ результатов измерений

3.7.3 Эффективность армирования композитов полотнами с покрытием

3.8 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Механизм взаимодействия волокна и матрицы в ТАБ

4.1 Взаимодействие волокна и бетонной матрицы

4.2 Подготовка образцов ровингов для испытаний на выдергивание

4.3 Испытания на выдергивание

4.4 Выводы по Главе

ГЛАВА 5. Предварительно напряженный бетон с текстильной арматурой

5.1 Проектирование напряженного бетона с текстильным армированием

5.2 Изменение формы поперечного сечения ровинга при деформировании

5.3 Изменение строения предварительно напряженных армирующих ровингов в полотне

5.4 Влияние растяжения на распределение отдельных волокон внутри пропитанного армирующего ровинга

5.5 Эффективность реализации механических свойств напряженных ровингов в бетонном композите

5.6 Выводы по главе

ГЛАВА 6. Электромеханические измерения в ТАБ с использованием встроенных

датчиков на основе углеродных ровингов

6.1 Электропроводящие волокнистые материалы

6.2 Электромеханические измерения на углеродных ровингах

6.3 Электромеханические измерения на образцах бетонных композитов при растяжении

6.4 Электромеханические измерения на образцах полимерных композитов при растяжении

6.5 Статистический анализ измерений на образцах бетонных и полимерных композитов при растяжении

6.6 Измерение электрического сопротивления в углеродных ровингах в бетоне при изгибе

6.7 Практическое использование полученных результатов

6.8 Разработка панели из ТАБ с возможность мониторинга нагруженного состояния

6.9 Выводы по главе

ГЛАВА 7. Проектирование, расчет и эксплуатация текстильно-армированных

бетонных конструкций

7.1 Разработка ТАБ конструкций

7.2 Строительные конструкции из ТАБ

7.3 Разработка бетонных изделий из ТАБ

7.3.1 Создание армирующих каркасов с помощью текстильной арматуры

7.3.2 Разработка сэндвич-панели из ТАБ

7.3.3 Разработка концепции для 3-0 печати ТАБ

7.3.4 Сетка арматурная для кирпичных конструкций

7.4 Проектирование и расчет ТАБ конструкций

7.4.1 Расчет характеристик армирующего полотна

7.4.2 Расчет по допускаемым прогибам

7.5 Долговечность ТАБ

7.6 Определение расчетного срока службы ТАБ

7.7 Рекомендации по применению текстильной арматуры для бетонных композитов

7.8 Дефекты и повреждения ТАБ конструкций

7.9 Выводы по Главе

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Текстильно-армированный бетон для строительства и эксплуатации зданий и сооружений»

ВВЕДЕНИЕ

В строительных конструкциях на протяжении более чем ста лет в качестве арматуры для бетона традиционно широко используется стальная арматура. Наряду с целым рядом важных положительных свойств строительных бетонных конструкций, таких как высокая прочность и жесткость, их масса весьма велика, а применяемая стальная арматура порой ограничивает размеры и форму выпускаемых изделий. Кроме того, сталь подвержена коррозии, вызывая, таким образом, коррозию арматуры, что в свою очередь может привести к разрушению бетона. Это приводит к уменьшению эффективной площади поперечного сечения материала и, как следствие, увеличению внутренних напряжений. Одной из альтернатив применению традиционной стальной арматуры является применение волокнистых и текстильных армирующих материалов, что способствует повышению надежности и долговечности, а также существенному снижению нагрузок от собственного веса при использовании бетонных конструкций.

На современном этапе развития науки и техники появляется огромное количество новых и перспективных видов строительных материалов. Особое место занимают композиционные материалы, армированные различными анизотропными элементами в виде волокон, ровингов, нитей различного строения, текстильных полотен плоской и пространственной формы. Высокопрочные текстильные материалы широко используются в различных областях строительства, включая строительство зданий и сооружений, дорожное строительство, гидротехническое строительство и др. Если армирование короткими волокнами достаточно давно используется для изготовления конструкционных композитов в строительстве, то применение непрерывных армирующих элементов в виде текстильных армирующих каркасов только сейчас набирает популярность. При изготовлении таких материалов используются высокопрочные волокна, такие как стеклянные, углеродные, арамидные, базальтовые и др. Данные виды волокон обладают очень высокими механическими характеристиками (прочность, модуль упругости и др.), сравнимыми с теми, которыми обладают металлы, а иногда и превосходят их. Основные преимущества применения таких материалов состоят в достаточной гибкости текстильных производственных процессов и возможностей использования широкого диапазона перерабатываемого сырья.

В ряде случаев стальной арматурный каркас может быть с успехом заменен текстилем. Более того, современные тенденции в производстве конструкционных материалов, армированных текстилем, заключаются в расширении области их применения, - от второстепенных, не несущих нагрузки, элементов к первостепенным несущим конструкционным элементам. В строительных работах часто возникает необходимость создания легких конструкций, таких как арки, перекрытия входов, навесы, козырьки, карнизы и ряда

декоративных элементов - бордюров, рельефов и т.п. Конструкционные композиты на текстильной основе становятся перспективным строительным материалом, особенно подходящим для разнообразных легковесных строительных конструкций. Основная область их применения находится там, где применение стальной арматуры ограничено. Данные бетонные композиты могут изготавливаться с толщиной от 10 мм, что не всегда может быть достигнуто с использованием стандартной стальной арматуры. Более того, из-за исключительно выгодного соотношения веса и прочности, данные структуры могут быть весьма полезными при производстве тонкостенных строительных конструкций, реставрации различных архитектурных элементов, при усилении и армировании стен старых зданий, а также при изготовлении и реставрационном восстановлении различных фасадных элементов. Текстильно-армированные материалы могут быть также использованы для противостояния разрушающему воздействию влаги в бетонных настилах, парапетах, стенках, бордюрах. Основные преимущества текстильно-армированного бетона (ТАБ) состоят в следующем:

- отсутствие коррозии;

- более тонкие и легкие конструкции;

- возможность создания сложных форм за счет превосходной драпируемости;

- легкость при обращении с полотнами;

- увеличенная долговечность конструкции.

Использование текстиля в качестве арматуры для бетона является относительно новой областью исследований. Армирование бетона текстильными структурами дает множество преимуществ. Бетонные элементы могут изготавливаться достаточно тонкими, поскольку отсутствует риск образования коррозии. В дополнении к этому текстильная арматура более гибкая и драпируемая, и поэтому, форма бетонных элементов может широко варьироваться.

Степень разработанности темы. Анализируя исследования отечественных и зарубежных авторов, можно выделить работы, посвященные как усилению и реконструкции зданий и сооружений, так и непосредственному использованию ТАБ для разработки конструкций зданий и сооружений. Вместе с тем, эффекты от применения различных видов текстильной арматуры недостаточно исследованы. В рамках данной работы акцент делается на использовании текстильной арматуры для разработки элементов строительных конструкций. Перспективными являются разные направления, включающие выбор текстильной арматуры с оптимальными характеристиками, повышения эффективности армирования бетонных композитов, мониторинг нагруженных состояний.

Цель работы состояла в разработке конструкционных элементов из ТАБ с экспериментальными исследованиями особенностей строения и механического поведения

армирующих материалов, а также регулирования технологических параметров с установлением взаимосвязи между строением и свойствами.

Объекты исследования: высокопрочные стеклянные и углеродные ровинги; армирующие полотна на их основе; ТАБ и композитные бетонные изделия.

Основные задачи работы состояли в следующем:

- теоретические и экспериментальные основы технологии изготовления ТАБ с заданным комплексом свойств; оптимизация технологических процессов с целью регулирования свойств и получения требуемых характеристик бетонных композитов;

- исследование основных параметров строения армирующих полотен для ТАБ; определение взаимосвязи строения и механических свойств, параметров и механизмов образования строения плоских и пространственных комбинированных армирующих структур на основе волокнистых анизотропных элементов;

- исследование механического поведения текстильной арматуры, включая арматуру с покрытием и напряженную арматуру; установление взаимосвязи между изменением структуры бетонного композита при нагружении;

- повышение эффективности реализации механических свойств высокопрочных армирующих ровингов на различных структурных уровнях на основе измерений параметров структуры и свойств;

- разработка технических решений, связанных с измерением деформаций в бетонных композитах с использованием электропроводящих свойств углеродных ровингов; разработка универсальной измерительной системы на основе гибкого армирующего полотна в форме сетки.

Научная новизна работы:

- выполнен анализ строения и механических свойств армирующих волокнистых материалов;

- усовершенствованы технологические процессы изготовления армирующих нитей, включая крученые и оплетённые для армирования бетона, путем регулирования параметров образования структуры;

- установлены закономерности влияния процессов переработки высокопрочных армирующих нитей на текстильном оборудовании на свойства армирующих полотен и бетонных композитов на их основе;

- предложен новый универсальный подход, позволяющий оптимально реализовать механические свойства высокопрочных нитей при их переработке в армирующие полотна и бетонные композиты; установлено влияние прочности и жесткости составляющих нитей на реализацию их свойств в армирующем полотне и композите;

- разработан подход по использованию армирующих электропроводящих углеродных ровингов для определения деформаций композита в качестве универсальной измерительной системы на основе гибкого полотна в форме сетки с открытыми ячейками, включающего в свою структуру углеродные ровинги;

- экспериментально установлены особенности взаимодействия волокна и матрицы в текстильно-армированном бетоне;

- выявлены закономерности изменения структуры армирующих ровингов при предварительном нагружении и их влияние на свойства предварительно-напряженного ТАБ;

- проведена оценка долговечности конструкций зданий и сооружений из ТАБ с рекомендациями по эксплуатации.

Теоретическая значимость работы состоит в установлении особенностей строения и их взаимосвязи с механическими свойствами ТАБ с созданием комплекса методов их измерения и проектирования. Предложена концепция технологического регулирования строения и механических свойств ТАБ. Усовершенствованы технологические приемы, позволяющие повысить эффективность реализации текстильной арматуры в бетонных композитах. Предложена концепция 30 печати с применением непрерывной текстильной арматуры.

Практическая значимость работы состоит в разработке новых технических решений для обеспечения повышение эффективности применения армирующих полотен в бетонных композитах, новом подходе к выполнению измерений механических свойств текстильной арматуры и установления их взаимосвязи с внутренним строением. Установлено, что ключевым фактором, влияющим на сцепление с бетоном, является строение текстильной арматуры. Установлена корреляция между строением армирующего ровинга и механическими характеристиками образцов бетонных композитов, позволяющая обеспечить эффективность армирования за счет оптимизации параметров армирующей структуры. Усовершенствован перспективный метод измерений механических свойств конструкционных композитов с использованием электропроводящих углеродных нитей. Разработаны и изготовлены опытные образцы ТАБ. Полученные результаты обеспечивают экономичность и эффективность проектирования и эксплуатации ТАБ.

Диссертационная работа была поддержана рядом научных грантов и выполнялась в рамках: грант Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых № МК-2160.2007.8. «Разработка технологии изготовления и исследование свойств текстильных полимерных композитов конструкционного назначения с повышенной удельной прочностью и жесткостью»; грант № 30-04/85 Санкт-Петербургского конкурса персональных грантов 2008 года для молодых ученых, молодых кандидатов наук»; «Разработка технологии изготовления вязаных армирующих полотен из высокопрочных нитей для конструкционных композитов»; грант № 26-

05/91 Санкт-Петербургского конкурса персональных грантов 2009 года для молодых ученых, молодых кандидатов наук «Разработка расчетных методов моделирования и прогнозирования механических свойств текстильных армирующих структур для конструкционных композитов»; АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2011) №2.1.2/4466 «Развитие концепции создания комбинированных и многослойных структур на основе анизотропных волокнистых элементов и разработка физических и биохимических методов оптимизации их функциональных свойств»; Немецкого научно-исследовательского сообщества (DFG), Немецкой службы академических обменов (DAAD); грант РФФИ №12-08-31113 мол_а. «Многоуровневый модельный анализ структуры и механических свойств текстильно-армированных конструкционных композитов» (2012-2013); государственное задание подведомственными Министерству образования и науки Российской Федерации высшими учебными заведениями №11.7181.2013 «Исследование взаимосвязи структуры и свойств современных текстильно-армированных полимерных композитов конструкционного назначения».

Методология и методы исследований. Методология решения поставленных задач включает рассмотрение строения ТАБ композитов на различных уровнях их иерархического строения при продвижении от одного уровня к другому. В работе используются следующие методы: испытания на растяжение ровингов, полотен, бетонных композитов; сдвиг армирующих полотен методом деформируемой рамки; поперечный и чистый изгиб бетонных композитов; устойчивость пространственных полотен; оптическая микроскопия; электромеханические измерения электропроводящих нитей и композитов.

Личный вклад автора диссертационной работы.

Все результаты диссертационной работы получены лично автором или при его непосредственном участии.

Основные положения, выносимые на защиту:

- комплекс экспериментальных методов измерений механических свойств ТАБ и его компонентов в зависимости от их строения;

- установленные закономерности влияния параметров строения армирующих полотен на механические свойства бетонных композитов;

- способ электромеханических измерений бетонных композитов с углеродными ровингами, которые одновременно выполняют армирующую функцию;

- способ изготовления армирующих структур, позволяющий обеспечить повышение и сохранение прочности дорогостоящих армирующих нитей, а также реализовать регулируемые механические свойства ТАБ;

- концепция применения текстильной арматуры при изготовлении строительных конструкций.

Степень достоверности и обоснованности результатов исследований подтверждается статистически обоснованным объемом экспериментальных исследований; использованием современных средств и методов исследования, подтвержденных сопоставлением данных прогноза с результатами экспериментов и корректным использованием математического аппарата; применением статистической обработки экспериментальных результатов на основе дисперсионного многофакторного анализа (ANOVA); использованием современного измерительного оборудования.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на Санкт-Петербургских ассамблеях молодых ученых и специалистов (г. Санкт-Петербург, 2008, 2009); Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2008 гг.); Международной конференции «Волокнистые материалы XXI век» ( Санкт-Петербург, 2005); Петербургском Текстильном коллоквиуме ( Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2009 гг.); II Международной текстильной конференции (Дрезден, Германия 2008); VII Международную конференцию «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (Санкт-Петербург, 2008); III Международной текстильной конференции (Ахен, Германия 2009); Всероссийской научно-технической конференции «Популярное бетоноведение» (Санкт-Петербург, 2009); Международной конференции «Актуальные проблемы механики - 2009» (Санкт-Петербург, 2009); Семинарах секции строительной механики и надежности конструкций имени профессора Н.К. Снитко и секции Прочности и пластичности материалов имени академика Н.Н. Давиденкова (Санкт-Петербург, Дом ученых им. М. Горького, 2012, 2016); Международном симпозиуме Технический текстиль (Москва, 2013); Международной текстильной конференции АЦГЕХ (Дрезден, Германия 2013); Международной конференции по геосинтетическим материалам (Берлин, Германия, 2014); Международной конференции по композиционным материалам «ГССМ-20» (Копенгаген, Дания, 2015); Международной конференции «Волокна нового поколения для интеллектуальных продуктов» (Ахен, Германия 2017); Международной конференции «Деформирование и разрушение композиционных материалов и конструкций» (Москва, 2016, 2018).

ГЛАВА 1. Особенности строения текстильно-армированного бетона 1.1 Конструкционные композиты в строительстве

Актуальность применения текстильных материалов для армирования строительных композитов обусловлена широкой возможностью реализации их свойств и создания принципиально новых классов конструкционных материалов [1]. Применение волокнистых, полимерных и композиционных материалов в строительстве получило широкое развитие по ряду направлений, включающие: использование высокопрочных полотен и полимерных композитов на их основе для усиления строительных конструкций внешним армированием при реконструкции зданий и сооружений [2, 3]; применение стеко-, угле- и базальто-пластиковой композитной арматуры [4, 5]; использование короткого волокна для изготовления фибробетона [6-10] и изготовление конструкций из волокнисто-армированного бетона с помощью 3-0 аддитивных технологий [11].

На сегодняшний день возможно воплощение таких идей и проектов, которые еще совсем недавно были бы невозможны с применением обычных строительных материалов. Появление новых видов технического текстиля существенно продвинуло такую отрасль производства как строительный текстиль [12, 13]. Строительный текстиль глобально может быть разделен на два направления исследования по области применения: текстиль, работающий в контакте с грунтом в различных функциях [14, 15], и текстиль, применяемый в строительстве зданий и сооружений [16, 17]. То есть текстиль, применяемый под землей, например, дороги, фундаменты, и над землей - непосредственно в самих зданиях и сооружениях. Первая из этих областей применения уже достаточно хорошо освоена и объединила целый класс материалов под названием геотекстиль или более широко - геосинтетика. Вторая область применения, связанная главным образом с армированием бетона высокопрочными текстильными полотнами, является сравнительно новой и активно начала развиваться только в последние годы. С одной стороны, можно сказать, что существует множество применений текстильных материалов в строительстве зданий и сооружений. Однако все эти применения в основном связаны не с первостепенными несущими функциями, а второстепенными, например, ограждающие сетки, отделка фасадов, интерьеры и т.п. Применение текстильных материалов в наземном строительстве для армирования конструкционных элементов на сегодняшний день не так распространено. В основном такой тип инновационных материалов используется в строительстве уникальных зданий и сооружений. Ограничение распространения таких технологий в массовом строительстве связано с недостатком сведений о свойствах таких материалов и конструкций, что затрудняет проведение расчетов строительных конструкций на их основе и их утверждение. Кроме того, широкое

разнообразие текстильных материалов требует детального изучения их свойств для оптимального использования при армировании строительных конструкций.

Перспективные строительные конструкционные материалы призваны противостоять новым вызовам в развитии городов и обустройстве окружающей среды с учетом быстрого роста населения планеты, повышения требований к качеству жизни и изменяющихся климатических условий. Применение инновационных конструкционных материалов позволяет не только защитить городское развитие от возможных разрушительных природных воздействий, но и существенно снизить, например, выбросы углекислого газа за счет снижения потребления строительных материалов, уменьшении затрат на их доставку, оптимизации технологии возведения зданий и сооружений при их неизменных характеристиках.

Важность внедрения новых типов материалов от железобетона до композитов обусловлена непрерывным развитием человеческого общества. При развитии городского строительства и обустройства жизненной территории человечество в разные времена всегда стремилось использовать новейшие достижения в области разработки передовых материалов, проектирования конструкций и технологии строительства. Все эти направления были всегда взаимосвязаны и ни одно из них не могло продвигаться вперед без учета особенностей развития других направлений. Постепенно переходя от трудоемкой переработки естественных строительных материалов (камень) к материалам, созданных человеческими руками, происходили существенные прорывы.

Одним из таких прорывов может являться появление в XIX веке железобетона, позволившее существенно расширить возможности строительства и возведение принципиально новых зданий и сооружений, реализация которых была невозможно до этого. Кроме того, это дало ощутимый толчок в развитии городской жизни и экономики. Железобетон был экономичным, прочным, долговечным, обладал высокой химической и биологической стойкостью. Все это и определило его доминирование в строительстве в XX-ом веке. Железобетон стал не только одним из самых распространённых материалов, но и предопределил развитие новых направлений в строительстве и архитектуре [18].

Композиционные материалы широко используются практически во всех отраслях промышленности [19-22]. Наиболее типичным примером композита, используемого в строительстве, является упомянутый выше железобетон, в котором соединяются стальная арматура и бетонная матрица. Кроме того, на протяжении последних 50 лет на рынке присутствует фибробетон или волокнисто-армированный бетон, где в качестве арматуры применяется стальная фибра (короткие волокна) или волокна другого происхождения как натуральные, так и химические. Добавление волокна в бетон обеспечивает сравнительно малые финансовые затраты, при этом наблюдается улучшение таких свойств, как трещиностойкость,

ударостойкость, истираемость, что обуславливает также увеличение остаточной прочности конструкций. Также повышается долговечность бетона, что способствует глобальному снижению его производства и, как следствие, уменьшению количества вредных выбросов при его изготовлении. Использование фибробетонов с различными характеристиками ведет к интенсификации процессов, повышению качества и снижению ресурсопотребления при строительстве новых, реконструкции и реставрации существующих объектов. Текстильно-армированный бетон представляет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с железобетоном и фибробетон.

Структуру композита создают в соответствии с заранее определенной ориентацией в плоскости или пространстве и объемной долей волокон. Отличительной особенностью бетонных композитов является невысокая степень армирования, например, при сравнении с полимерными композитами. Заданная объемная доля волокон определяется как [23]:

V = (1.1)

' V

где Vy - объем нитей;

Vc - общий объем композита.

Объемная доля волокон в конкретной структуре зависит от переплетения нитей в материале. Объемная доля волокна в композиционном материале всецело влияет на его механические свойства. Теоретически максимальная объемная доля волокон в однонаправленном композите может составлять 90%. Однако на практике она максимально достигает 70% из-за особенностей производственного процесса, а обычно находится в пределах 50-60% [24]. В композитах, армированных коротким волокном объемная доля волокон значительно меньше. В фибробетонном композите процент объема от всего бетона считается низким при значениях менее 1%, умеренным - при 1-2%, высоким - более 2%, аналогичное процентное соотношение имеет и ТАБ.

На рисунке 1.1 показано сравнение традиционной стальной арматуры (рисунок 1.1а) с перспективной текстильной арматурой (рисунок 1.1б). Стальная арматура представляет собой однородный стержень, обладающий большой жесткостью. В то время как волокнистая арматура состоит из нескольких тысяч или даже несколько десятков тысяч филаментов и является достаточно податливой. Последний факт виден из рисунка 1.1б, где армирующее полотно из стеклянных ровингов деформировано, чтобы показать возможности такой структуры к созданию сложных форм армирующих каркасов. На первый взгляд может показаться, что нет ничего общего между двумя этими типами армирующих структур. Однако основным фактором,

обеспечивающим возможность использования армирующих ровингов, являются их высокие механические характеристики. По значениям предела прочности на растяжение и модуля упругости данные ровинги обладают схожими со сталью характеристиками. Недостатком является их способность воспринимать нагрузку только в одном осевом направлении. В то время как одним из основных преимуществ является высокая коррозионная стойкость. При детальном рассмотрении фотографии на рисунке 1.1а легко заметить свойственную для стальной арматуры коррозию.

б

Рисунок 1.1 - Сравнение стальной и текстильной арматуры

Однако, наряду с рядом несомненных достоинств существует и ряд проблем. Главным образом, связанных с негативным воздействием на окружающую среду вследствие большого количества выбросов (жидких, твердых и газообразных) в окружающую среду. Все это влияет на экологию и, как следствие, на климатические изменения. Для решение данной проблемы существует два варианта. Первое включает использование современного оборудования для очистки отходов цементного производства, т.е. снижения их выбросов в окружающую среду. Второе направление включает оптимизацию применения материалов и строительных конструкций с целью снижения потребления бетона, не исключая первого направления.

Уменьшение потребление бетона при сохранении необходимых характеристик прочности и увеличении долговечности может быть достигнуто за счет:

- защиты элементов конструкций полимерными покрытиями;

- усилением композиционными полотнами;

- применение принципиально новых видов бетонных композитов;

- замена бетонных элементов альтернативными материалами.

Положительные результаты применения таких материалов заключаются в следующем:

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Столяров Олег Николаевич, 2020 год

Источник тока

Рисунок 6.2 - Электрическая цепь для измерения сопротивления углеродного ровинга

Электромеханическое поведение углеродных ровингов при растяжении изучалось по диаграммам растяжения. На рисунке 6.3 приведены результаты испытаний углеродного ровинга на растяжение до разрыва с одновременным измерением электрического сопротивления. Изменение электрического сопротивления представлено как функция деформации растяжения и показано в виде штриховой линии. Как видно из полученной кривой, на ее начальном участке удлинение строго линейно и пропорционально возрастает до величины 1,2-1,3% относительной деформации. Затем, как видно из кривой растяжения, начинает происходить разрушение отдельных филаментов ровинга, что приводит к резкому увеличению электрического сопротивления. Высокий модуль упругости углеродной нити, практически сравнимый с модулем упругости стали, делает возможным проведение измерений на особо жестких образцах и конструкционных элементах.

3000

03

С

8

К

о *

к

н

у

сз о.

В

Он

с

<и к

X

<ц

«

п. с

ев

X

2000

1000

0

-Мехаш напря — — Электр сопрот 1ЧССКОС жсние ^ ическое ивление/ 1 1 \! 1 \ / А / / / 1 1 1 1 1 1

/ 3 |\ / 1 \ / У 1 \ \ V 1 1 1

/ ^ А - - С 1 у \ Л \ ' \ / / ** \

0

0,4 0,8 1,2 Удлинение, %

1,6

0

2,0

Ю 2 О

о я я

О)

ч

со

к

н

с

о.

с

о

о

<и

о «

о о У

я о. н а

о ц

Г)

1 - ровинг УР1; 2 - ровинг УР2; 3 - ровинг УР3 Рисунок 6.3 - Зависимость изменения электрического сопротивления от напряжения при

растяжении углеродных ровингов

Из диаграмм растяжения определяли основные механические характеристики при растяжении (включая прочность на растяжение, модуль упругости и деформация при разрушении) углеродных ровингов. Коэффициент чувствительности определялся как отношение изменения электрического сопротивления в линейной области к изменению (приращению) деформации. В таблице 6.1 перечислены измеренные данные углеродного ровинга. Как видно из показателей, коэффициент чувствительности находится в диапазоне от 1,31 до 1,77. Следует отметить, что обычный диапазон для тензодатчика зависит от материала фольги, а его значение находится в пределах кч = 2 ^ 4. То есть в нашем случае мы имеем очень близкий коэффициент чувствительности. Образцы УР1 и УР2 обеспечивают лучшую прочность на разрыв по сравнению с образцом УР3. Образец УР2 показал максимальную прочность на разрыв и максимальную жесткость при растяжении. Оценка этих ровингов для эксперимента явно интересна, потому что их механические свойства при растяжении заметно отличаются. Коэффициент для образца УР2 составил около 1,77. Образцы УР1 и УР3 показали еще более низкий коэффициент чувствительности. Значения УР1 и УР3 были ниже на 23,7 и 25,9% соответственно по сравнению с показателем УР2. Анализируя результаты, можно сделать вывод, что выбор углеродного ровинга влияет на значение коэффициента чувствительности к деформации. В некоторых случаях модуль упругости углеродных волокон (образцы УР2 и УР3)

превышает модуль упругости стали (~ 200 ГПа) и достигает значений порядка нескольких сотен ГПа.

Таблица 6.1 - Электромеханические свойства исследуемых углеродных ровингов

Образец Прочность при растяжении, МПа Модуль упругости, ГПа Удлинение при максимальной нагрузке, % Коэффициент чувствительности

УР1 2093,0±73,4 173±4,3 1,5±0,03 1,35±0,22

УР2 2444,4±29,7 412,1±16,5 0,7±0,08 1,77±0,56

УР3 1412,9±142,6 241,4±6,0 0,7±0,10 1,31±0,11

6.3 Электромеханические измерения на образцах бетонных композитов при растяжении

Измерения на образцах конструкционных материалов с интегрированными в их структуру углеродными ровингами были произведены аналогично способу, примененному для измерения одиночных ровингов. Основная сложность при определение электромеханических свойств при растяжении является процесс подготовки и испытаний образцов. В п. 1.7.2 были приведены параметры испытания на растяжения образцов бетона прямоугольного сечения. В [315] даются рекомендации по определению механических свойств при растяжении образцов бетона с текстильной арматурой, расположенной параллельно направлению приложения нагрузки. Форма образца должны иметь отношение длины к ширине, равное 5 к 1. При этом минимальная длина составляет 500 мм, а минимальная ширина в измеряемой области - 60 мм. Толщина образца равна 6 мм. База измерений равна 200 мм. Образцы могут быть как вырезаны из готовой плиты, так и подготовлены отдельно. Для исключения повреждения бетоны образцы по концам закладываются резиновыми прокладками. На рисунке 6.4 показаны этапы подготовки и испытание прямоугольного образца ТАБ на растяжение с одновременным измерением электрического сопротивления в текстильной арматуре. Первоначально вырезаются образцы в форме полосок размером 500 на 60 мм, при этом в каждом образце содержится одинаковое количество ровингов в поперечном сечении. Затем один из углеродных ровингов клеммой соединяется с электрическими проводами как показано на рисунке 6.4а. Далее полоски арматуры укладываются в отдельные ячейки силиконовой формы и заполняются бетонной смесью как показано на рисунке 6.4б. Готовый образец показан на рисунке 6.4в, а процесс испытания на рисунке 6.4г.

Рисунок 6.4 - Подготовка и испытание прямоугольного образца ТАБ на растяжение с одновременным измерением электрического сопротивления в текстильной арматуре

На рисунке 6.5 показаны диаграммы растяжения образцов ТАБ прямоугольного сечения, армированных основовязаным полотном переплетения цепочка. Основная проблема связана с большим разбросом данным. Кроме того, выяснилось, что присутствие клеммы на углеродном ровинге дает существенный вклад в механические характеристики при растяжении образцов. Дополнительно были подготовлены образцы без электрического контактирования, которые показали более высокие прочностные характеристики (в 4-5 раза выше). Поэтому можно сделать вывод, что данный способ испытания на растяжение образцов ТАБ не совсем подходит для электромеханических испытаний, т.к. клемма с подведенными электрическими проводами выступает в роли концентратора. Как альтернативу можно было бы рассмотреть вывод текстильной арматуры за пределы прямоугольной формы образца, т.е. более 500 мм. Однако в этом случае мы сталкиваемся с затруднениями при установке электрических контактов из-за стальных пластин, которые обжимают образец ТАБ по концам.

0 Н-'-1-'-1-'-1-'-

0,0 0,4 0,8 1,2 1,6

8,%

Рисунок 6.5 - Диаграммы растяжения образцов ТАБ, армированных основовязаным полотном

переплетением цепочка

Для того чтобы исключить влияние внутреннего концентратора в образце был предложен другой универсальный способ подготовки образцов на растяжения. На рисунке 6.6а представлен процесс изготовления образцов композитного бетона для измерения электрического сопротивления в образце бетона при растяжении. Перед укладкой в форму и заполнением бетоном по концам образцов были вставлены два деревянных бруска с двумя парами саморезов различной длины. Такое закрепление обеспечивает надежную фиксацию образцов после схватывания бетона. Образец углеродного ровинга, извлеченный из полотен переплетениями трико и цепочка, пропускался через два просверленных отверстия и располагался в середине образца. Процесс испытания на растяжения представлен на рисунке 6.6б. Деревянные части подготовленных образцов фиксировались в зажимах, а бетонная часть полностью была рабочей зажимной длиной. Затем концы углеродного ровинга выводились на измерительное устройство через соединительные электрические провода. Для того чтобы выявить влияние формы углеродного ровинга в полотне на электромеханические измерения были подготовлены две серии образцов полотен с переплетением трико и цепочка, рассмотренных в главах 2 и 3.

б

Рисунок 6.6 - Измерение электромеханических свойств бетона при растяжении со встроенным

датчиком в форме углеродного ровинга

На рисунке 6.7 представлены результаты измерений на растяжение бетонного образца с одновременным измерением электрического сопротивления ровинга внутри него. Электромеханическое поведение ровинга в данном эксперименте аналогично предыдущим испытаниям одиночных ровингов на растяжение. Электрическое сопротивление (штриховая кривая) увеличивается вместе с увеличением механического напряжения (сплошная линия) в бетонном образце. При этом как кривую механического напряжения, так и кривую электрического сопротивления можно условно разделить на два участка. Первый участок с

деформацией примерно до 0,2% представляет собой линейный участок, соответствующий закону Гука. На втором же участке происходит некоторое отклонение от линейности. Кривая становится несколько пологой, модуль упругости уменьшается. В определенный момент происходит разрушение образца. При этом кривая электрического сопротивления примерно повторяет кривую растягивающего напряжения. Первый участок также соответствует прямой пропорциональности, что может быть использовано для определения напряжения растяжения при соответствующем электрическом отклике. На втором же участке кривая электрического сопротивления также становится пологой, и точка перегиба примерно соответствует точке перегиба на диаграмме растяжения.

(Я

С

к К ЕЕ <и

(X

н о сЗ С_

К О.

с

<и 5 ЕЕ

<и *

к

о,

с

<3

X

г 4-

0

-Механическое напряжение — — Электрическое сопротивление У

**

/ х ** О»

0,1 0,2 0,3

Удлинение, %

0,010

0,008 о

о о

0,006 g <D

cr s

0,004

и

<L>

n

0,002 П

0,000

0,4

<D

s я

<L>

к

со к

H

с

cu

с

o

o

Рисунок 6.7 - Зависимость изменения электрического сопротивления от напряжения при

растяжении для бетонного композита

6.4 Электромеханические измерения на образцах полимерных композитов при

растяжении

Для того чтобы подтвердить работоспособность углеродного ровинга в качестве тензодатчика были проведены аналогичные эксперименты на образцах полимерных композитов. Стекловолокно/эпоксидные композиты были изготовлены методом вакуумного литья под давлением. Все образцы являются составными: содержат шесть слоев безизгибного стеклополотна и один слой основовязаного полотна с углеродным ровингом УР1 в середине. Эпоксидная смола и отвердитель смешивались в соотношении 100/40 по массе. Объемная доля стекловолокнистых образцов составляла 42%. Полученный ламинат был разрезан на образцы

шириной в 20 мм в соответствии со стандартом ISO 527-5. Готовый для измерений образец представлен на рисунке 6.8а, а процесс измерения показан на рисунке 6.8б.

б

Рисунок 6.8 - Измерение электромеханических свойств стеклопластикового композита

Результаты электромеханических измерений представлены на рисунке 6.9. Для сравнения кривая деформирования приведена в начальной зоне до 0,5%. Электромеханический отклик ровинга в полимерном композите в начальной зоне деформирования является достаточно схожим с кривой деформирования бетонного композита. До деформации 0,2-0,25% наблюдается линейная зависимость в электрическом сопротивлении. Затем идет резкий рост электрического сопротивления, видимо вызванный разрушением отдельных филаментов ровинга. Допустимая

деформация стеклянного полотна, которая является основным компонентом композита, значительно выше по сравнению с углеродными ровингами датчика в композите.

03

С 100

я 80

<и

Я

л

60

о. 40

<и

Й 20

л

0

1 1 1 -Механическое напряжение - — — Электрическо» сопротивление 1 .

/

/ / V

у у*

1 1 ■

0,020

0,016

О

9 О

0,012 «

<и

<и оз

0,008 « £

а> Г)

0,004

о

0,000

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Удлинение, %

Рисунок 6.9 - Зависимость изменения электрического сопротивления от напряжения при растяжении для стеклопластикового композита

6.5 Статистический анализ измерений на образцах бетонных и полимерных композитов

при растяжении

Полученные значения коэффициента чувствительности для трех видов углеродных ровингов с измерениями в одиночном состоянии и бетоне приведены в таблице 6.2. Для того чтобы выявить расхождения между полученными парами значений был проведен сравнительный анализ по критерию Стьюдента при уровне значимости 0,05. Полученные значения величины Р лежат в диапазоне от 0,128 до 0,347, что больше 0,05. Это свидетельствует об отсутствии статистических различий между средними значениями выборок.

Для того чтобы подтвердить воспроизводимость измерений углеродного ровинга в начальной зоне деформирования, все три начальных участка электрического сопротивления для измерений в отдельном ровинге УР1, полимерном композите и бетоне были построены на одном графике как показано на рисунке 6.10. Видно, что при применении углеродного ровинга в качестве тензодатчика наблюдается удовлетворительное воспроизведение результатов измерений примерно до уровня 0,2% удлинения, что в принципе покрывает необходимый рабочий диапазон измерения деформации. Наблюдается лишь небольшое расхождение между кривыми, зависящее как от вида применения ровинга (в полимерном композите или бетоне), так

и от вида переплетения ровинга в основовязаном полотне. Как было показано в главах 2 и 3 внутренняя форма поперечного сечения ровинга оказывает существенное влияние как на механические характеристики самого ровинга, так и на свойства вырабатываемых из него армирующих полотен и композитов на их основе. Для того чтобы выявить значимость расхождения между результатами измерений, они были построены на рисунке 6.11. Штриховая линия показывает среднее значение результатов, прямоугольник - стандартное отклонение.

Таблица 6.2 - Средние значения и коэффициент чувствительности для углеродных ровингов и бетона

Образец Измерение Коэффициент чувствительности Величина Р

УР1 ровинг 1,35±0,22 0,347

бетон 1,50±0,33

УР2 ровинг 1,77±0,56 0,334

бетон 1,42±0,20

УР3 ровинг 1,31±0,11 0,128

бетон 1,55±0,41

0,010

<и О и: о

<L>

сг S

сх

и «

(D

ч о

0,008

О О

<d 0,006 s

X

<и

§ 0,004 -б н о

^0,002

О о

0,000

-Углер - Ровиь - РОВЮ одный ровинг г в бетоне г в стеклопластике

/ ^ / ^--- / ^^

0,0 0,1 0,2 0,3

Удлинение, %

0,4

0.5

Рисунок 6.10 - Зависимость изменения электрического сопротивления от напряжения при

растяжении для трех видов испытаний

3,0

2,0

1,0

0.0

К

н о о

X л

п

(и н к

РЗ

н о СО

ЕГ

о

со И

«¿3,0 н

X

§2,0 К

-е-

81,о

о

Т

ровинг

полимер

а

бетон

1 1 1

1 — — — -

бетон

ровинг полимер б

Рисунок 6.11 - Коэффициент чувствительности для образцов с переплетением трико (а) и

цепочка(б)

Для того чтобы выявить различия между выборками, был проведен многофакторный анализ, который не выявил статистически значимых различий. В таблице 6.3 приведены результаты многофакторного статистического анализа ЛКОУЛ для двух основных факторов, проанализированных в этой работе: «вид переплетения» и «измерение» (полимер или бетон). Значение величины Р для вида переплетения и объекта измерения составляет 0,12195 и 0,91926 соответственно, что более 0,05. Различия в коэффициенте чувствительности двух типов переплетений и объекта измерения статистически незначимы. Это подтверждает, что влияние структуры полотна и формы ровинга на коэффициент чувствительности отсутствует. Полученные данные свидетельствуют о воспроизводимости измерений на углеродных ровингах в различных видах конструкционных материалов.

Таблица 6.3 - Результаты многофакторного статистического анализа ANOVA

Источник Степени Сумма Средний Б Р

свободы квадратов квадрат (значимость)

Коэффициент чувствительности

Измерение 1 0,17878 0,17878 2,54976 0,12195

Вид переплетения 2 0,01184 0,00592 0,08445 0,91926

Ошибка 27 1,89318 0,07012

Итог 30 2,08495

6.6 Измерение электрического сопротивления в углеродных ровингах в бетоне при изгибе

На рисунке 6.12 представлен процесс измерения на образцах бетона с сетчатым армирующим углеродным полотном. К концам углеродных ровингов аналогично, как и при испытании ровингов на растяжении, были присоединены электрические провода, которые выводились на измерительное устройство. При испытании на чистый изгиб измерения производилось с помощью измерений на ровингах расположенных в растянутой области образца.

Рисунок 6.12 - Измерение электромеханических свойств бетонных композитов при изгибе

На рисунке 6.13 приведены результаты испытаний бетона на чистый изгиб с одновременной интеграцией основовязаного полотна с углеродным ровингом в качестве датчика.

К сожалению, в данном случае не удается исключить эффект влияния армирования полотном на результаты из-за малых размеров исследуемых балок. Кроме того, характер поведения при изгибе существенно различался для двух исследуемых образцов. Принципиально можно выделить следующее. Для образца с переплетением трико (рисунок 6.13а) наблюдается возрастание электрического сопротивления на протяжении всей деформации с практически линейной зависимостью. В противоположность этому для образца переплетения цепочка (рисунок 6.13 б) наблюдается сначала незначительное увеличение сопротивления близкое к линейной зависимости, а затем оно резко возрастает. При этом максимальный пик соответствует пику разрушения самого бетонного композита. Далее следует резкое падение сопротивления с одновременным падением нагрузки. Такое различие в деформационном поведении можно объяснить разным характером разрушения образцов, как показано на рисунке 3.4.

2 3 Прогиб, мм

Рисунок 6.13 - Разница в поведении электрического сопротивления для образцов бетона: (а)

переплетение трико, (б) переплетение цепочка

В случае образца с переплетением трико наблюдалось образование нескольких трещин, и, следовательно, армирующие углеродные ровинги несут нагрузку и сохраняют целостность материала. В случае образцов с переплетением цепочка наблюдалась только одна трещина, соответствующая максимальному напряжению. Несколько трещин приводят к более равномерному распределению напряжений, в то время как одиночная трещина создает концентрацию напряжений. Такое механическое поведение коррелируется с электрическим сигналом. Электрический отклик углеродного ровинга всегда максимален в наиболее напряженных частях. Если ровинг напряжен только частично, то ненапряженные области служат проводящим путем и не влияют на электромеханические измерения. В случае переплетения трико вполне вероятно, что армирующее полотно равномерно деформировалось во время испытания, что привело к соответствующему увеличению электрического сопротивления. В случае переплетения цепочка напряжение концентрируется на момент разрушения в середине образца. Величина повышения электрического сопротивления вблизи максимальной нагрузки выходит из линейной зависимости. Деформация углеродного ровинга способствует повышению электрического сопротивления вследствие его разрушения, связанного с разрушением и выдергиванием отдельных филаментов. Разный отклик одного и того же ровинга в различных образцах указывает на необходимость регулирования производственных параметров для композитов и влияния использования параметров углеродных ровингов в качестве встроенных датчиков.

6.7 Практическое использование полученных результатов

На практике полученные результаты могут быть использованы несколькими способами, как показано на рисунке 6.14. График состоит из трех частей. В качестве калибровочной кривой используется первая часть, которая представляет собой кривую электрического сопротивления углеродного ровинга в зависимости от деформации растяжения. Например, мы определяем уровень деформации при относительном электрическом сопротивлении 0,18%, соответствующем относительному электрическому сопротивлению 0,002 Ом/Ом. Вторая часть графика показывает аналогичную кривую для ровинга, измеренную непосредственно в бетоне. Существует точка при заданной деформации, при которой первая и вторая кривые эквивалентны, как указано пунктирной линией и серой точкой. На третьей кривой напряжений, которая неразрывно связана со второй, мы определяем соответствующий уровень напряжения, соответствующий этому электрическому сопротивлению. Кроме того, проблема может быть решена путем контроля электрического сопротивления и проверки того, что оно не превышает максимально допустимое напряжение по аналогии с условием прочности.

Рисунок 6.14 - Пример практического применения электромеханических измерений в

углеродном ровинге и бетоне

6.8 Разработка панели из ТАБ с возможность мониторинга нагруженного состояния

На рисунке 6.15 представлены этапы изготовления тонкостенной панели с возможностью мониторинга нагруженного состояния. Панель изготовлена с помощью литья бетона с последовательной укладкой армирующих слоёв. Вначале изготавливается специальная форма как показано на рисунке 6.15а. Формы производится из ДСП. Внутренняя поверхность подвергается обработки разделителем на водной основе для того чтобы обеспечить извлечение изделия без механических повреждений. Далее подготавливается смесь мелкозернистого бетона. В данном случае была использована смесь по таблице 3.1 Первым слоем производится укладка

бетонной смеси на необходимую глубину. На этом же этапе монтируется электропроводящий углеродный ровинг в виде петель, имитирующий строение тензометрического датчика. Монтаж осуществляется в центральной части панели. Монтаж углеродного ровинга производится с помощью специальной разметки ограничителями, вокруг которых обвивается ровинг (рисунок 6.15б). Количество петель может варьироваться в зависимости от ширины изготавливаемой панели. Далее производится укладка еще одного слоя бетона на небольшую глубину, чтобы покрыть установленный тензодатчик, как показано на рисунке 6.15в. Далее устанавливают армирующее полотно и вновь укладывают бетонную смесь как показано на рисунках 6.15г и 6.15д соответственно. В этом случае основным несущим компонентом служит полотно, а не углеродный ровинг, выложенный петлями. Однако, при необходимости, отдельные углеродные ровинги в полотне также могут использоваться для мониторинга нагруженного состояния. Например, в ходе выхода из строя основной измерительной системы. Полотно состоит из углеродных и ЩС стеклянных ровингов. В направлении действия приложения нагрузки располагаются более прочные углеродные ровинги. В перпендикулярном направлении используются ЩС стеклянные ровинги, обеспечивающие целостность структуры полотна. Твердение бетона осуществляется в нормальном температурном режиме, как правило в течении 24-48 ч. На рис. 6.15е показана готовая тонкостенная плита с текстильным армированием. Данная панель может быть изготовлена любого размера. Основным ограничением является размеры армирующего полотна, а именно ширина полотна. Она находится в пределах ширины игольницы основовязальной машины и по размеру может достигать до 4,5 м. Длина полотна ограничена только возможностью намотки в рулон и составляет от нескольких десятков до нескольких сотен метров.

Статическое нагружение изготовленной панели показало стабильный отклик встроенных углеродных ровингов на приложенное воздействие. Увеличенная длина встроенная углеродного ровинга позволяет значительно повысить чувствительность сигнала. Как было сказано выше, в дополнении к электромеханическим измерениям на углеродном ровинге, выложенным в форме петель, измерения также могут проводиться на любом из углеродных ровингов в структуре армирующего полотна.

Подобные системы могут использоваться для мониторинга нагруженного состояния строительных конструкций зданий и сооружений. Еще одним аспектом применение такой системы может служить пример усиления существующих конструкций, где подобное полотно может внедряться в качестве арматуры. Тогда одновременно с функцией усиления возможно получать информацию о текущем состоянии конструкции. В последнем случае это представляется не менее актуальным и востребованным, чем при изготовлении новых конструкций.

Д е

Рисунок 6.15 - Технологический процесс изготовления тонкостенной панели с возможностью

мониторинга нагруженного состояния

6.9 Выводы по главе 6

В данной главе описаны возможности применения типовых углеродных ровингов, используемых для армирования конструкционных композитов, для измерения механических напряжений и деформаций в полимерном композите и бетоне. Исследовано электрическое

сопротивление и характеристики электропроводящих углеродных ровингов с различными механическими характеристиками. Возможность использования углеродных ровингов в качестве тензометрических датчиков продемонстрирована посредством измерений при испытаниях на растяжение и чистый изгиб. При измерении деформации растяжения углеродных ровингов установлено, что ее величина связана с электрическим сопротивлением посредством коэффициента чувствительности. Величина коэффициента чувствительности близка к той, которой обладают металлические материалы. Такое электромеханическое поведение делает углеродные ровинги хорошо подходящими для использования в качестве датчиков деформации конструкционных элементов. Проведенные исследования показали хорошую корреляцию между кривой электрического сопротивления-деформации углеродного ровинга и измерениями в бетонных и полимерных композитах при испытаниях на растяжение. Статистический анализ результатов измерений показал, что нет различия в коэффициенте чувствительности при испытании его в разных конструкционных материалах. Экспериментальные результаты также показали, что вид переплетения основовязаного полотна оказывает значительное влияние на поведение при изгибе и силу электрического сигнала в композите.

Использование электропроводящих углеродных ровингов для измерений деформации создает новые возможности для мониторинга нагруженных состояний материалов и конструкций. Использование углеродных нитей в качестве датчиков деформаций может стать весьма востребованным в ближайшей перспективе. Основной причиной этого будет являться относительная дешевизна данных нитей по сравнению с обычными тензометрическими датчиками и высокий коэффициент чувствительности, близкий к металлам по значениям.

В заключении главы описан технологический процесс изготовления тонкостенной панели с возможностью мониторинга нагруженного состояния.

ГЛАВА 7. Проектирование, расчет и эксплуатация текстильно-армированных бетонных

конструкций 7.1 Разработка ТАБ конструкций

Для повсеместного внедрения строительных конструкций из ТАБ необходимо разработать системный подход, который позволил бы наиболее рационально реализовывать потенциальные возможности и преимущества текстильного армирования в бетонном композите. На практике такой подход должен включать в себя этапы, касающиеся:

- проектирования;

- расчета;

- изготовления;

- эксплуатации.

И здесь есть свои особые нюансы по сравнению с обычными ЖБ конструкциями. Ниже мы рассмотрим основные этапы разработки ТАБ конструкций.

Проектирование ТАБ конструкций включает в себя не только проектирование конструктивных элементов различной формы, но также правильный выбор исходных армирующих материалов для изготовления текстильной арматуры. Основным критерием здесь также может служить стоимость исходных армирующих ровингов. Стеклянные ровинги гораздо дешевле по сравнению с углеродными ровингами. В то же время их механические характеристики несколько ниже, чем у углеродных. Поэтому при проектировании элемента конструкции из ТАБ необходимо четко определить задачи, которые будут решаться. Если речь идет о создании тонкого облегченного перекрытия, то тогда определенно должно быть задействовано углеродное волокно. В то же время если идет речь об изготовления фасадных панелей, то здесь запросто можно ограничиться применением более дешевого стеклянного волокна. Также немаловажным является выбор структуры армирующего полотна, поскольку форма ячейки определяет процесс изготовления бетонного изделия. Структура армирующего полотна также влияет на выбор способа изготовления, т.к. может ограничивать геометрическую форму конструкционных элементов. Так, например, если необходимо обеспечить несущую способность конструкционного элемента, то потребуется выкладка достаточно большого количества слоев текстильной арматуры. В этом случае единственным решением будет ламинирование. При изготовлении изделий сложной формы приоритетным способом будет литье, но при этом понизиться количество армирующих слоев. Обусловлено это необходимостью обеспечения проницаемости бетонного раствора через слои текстильной арматуры.

Следующим этапом является расчет конструкции из ТАБ. Здесь основными критериями выступают механические характеристики ТАБ, коэффициент запаса, долговечность. По сути

здесь мы пользуемся хорошо известными методиками расчета бетонных конструкций. Однако на данный момент здесь могут возникать определенные сложности, поскольку еще нет четкой базы данных по характеристикам ТАБ и все реализованные на сегодняшний день проекты являются по сути уникальными зданиями и сооружениями. Поэтому здесь необходима разработка универсального подхода по определению допускаемых механических характеристик материала. Еще одним аспектом, связанным с расчетом ТАБ конструкций, является долговечность элементов конструкций. Как неоднократно было отмечены ранее неоспоримым преимуществом текстильного армирования является отсутствие коррозии по сравнению со стальной арматурой. Однако определенные процессы ухудшения механических свойств армирующих ровингов все равно имеют место. И даже, если коррозия не является основополагающим фактором при деградации ТАБ конструкции, то, например, механические повреждения текстильной арматуры и другие факторы, влияющие на долговечность необходимо учитывать при расчетах.

Изготовление ТАБ конструкций также сопряжено с рядом нюансов. На первый взгляд кажется, что выбор структуры армирующего полотна неразрывно связан с методом изготовления композита. Однако здесь также следует рассмотреть варианты, связанные с типом покрытия полотна и введением определенных добавок, позволяющих улучшить механические характеристики. Здесь все неразрывно связно с этапом проектирования армирующего каркаса в отличии от изготовления обычных ЖБИ изделий. Важными являются также вопросы, связанные с правильным подбором компонентов бетонной смеси для обеспечения проникновения последней внутрь структуры текстильного армирования. И, наконец, необходима разработка рекомендаций по применению текстильной арматуры для армирования бетонных композитов.

Эксплуатация конструкций из ТАБ обусловлена несколькими важными аспектами. Во-первых, ввиду того что такие конструкции являются инновационными, то на данный момент накоплен незначительный опыт по их эксплуатации. Во-вторых, имеется возможность мониторинга нагруженного состояния таких конструкций за счет использования тех же самых армирующих углеродных ровингов как было показано в Главе 6. Необходима разработка правил по обследованию таких конструкций, классификация типовых дефектов и повреждений и способов их устранения. Безусловно эти вопросы требуют накопления сведений и определенного времени на реализацию.

На рисунке 7.1 обобщены основные направления производства ТАБ. В представленной технологической цепочки показаны основные этапы и преимущества ТАБ. На начально этапе происходит выбор сырья. При этом могут быть использованы как готовые армирующие ровинги, так и модифицированные или гибридные нити со специальными свойствами в зависимости от решаемой задачи. Далее двигаясь по часовой стрелке по кругу попадаем на этап проектирования и выработки армирующего полотна. Гибкость текстильного производства позволяет выработать

практически любой продукт с необходимым количеством усилительных нитей на единицу ширины полотна, соотношением этих нитей в продольном и поперечном направлениях, а также с заданным размером ячейки. Двигаясь дальше мы попадаем на этап формования изделий. Здесь необходимый армирующий каркас может быть составлен из нескольких плоских полотен, или из единого трехмерного пространственного полотна. При изготовлении изделий также могут применяться другие материалы, например, добавление короткого волокна в бетонную матрицу для повышения механических характеристик. Завершающим этапом является возможность реализации разных технических решений в конструкциях зданий и сооружении.

Рисунок 7.1 - Основные направления производства ТАБ

7.2 Строительные конструкции из ТАБ

Разработка строительной конструкции с применением текстильного армирования может быть реализована разными способами. На рисунке 7.2 показаны примеры возможной реализации строительных конструкций из ТАБ. В основе предлагаемой технологической цепочки лежат два

возможных варианта реализации. На начальном этапе каждого из вариантов лежит выбор исходного сырья (ровинг или гибридная нить), которое будет определять в большей степени свойства ТАБ элемента конструкции. Далее продвигаясь по предложенной цепочке, мы переходим на следующий иерархический уровень строения - полотно. Здесь, помимо разработки необходимой структуры полотна, можно выполнить определенную модификацию армирующей структуры за счет придания специальных свойств. Сюда может входить покрытие полотна полимером, добавление частиц кварцевого песка для улучшения сцепления или наномодификация.

Рисунок 7.2 - Схематичное представление о возможности реализации строительных

конструкций из ТАБ

После того как армирующая структура готова имеются два принципиально разных подхода для реализации ТАБ. В первом подходе реализуется изготовление готовых изделий по примеру ЖБИ. Далее идет доставка данных изделий на строительную площадку. Это классический вариант реализации бетонных изделий и на данный момент он уже реализован в настоящем в нескольких коммерческих примерах. Второй подход состоит в использовании текстильной арматуры для 3Б печати бетонных конструкций. То есть в предлагаемой концепции мы избегаем одного промежуточного шага - изготовления изделия. Вместо этого армирующее полотно доставляется на строительную площадку и при помощи экструдера, а также устройства для придания формы и укладки полотна, происходит изготовление конструкции. На сегодняшний день уже на практике реализованы строительные 3Б принтеры, позволяющие печатать с применением коротких волокон [316]. Перспективным дополнением к таким принтерам будет

раскладчик текстильной арматуры, который, например, из узкого полотна на месте будет образовывать пространственную форму для последующего обеспечения горизонтального и вертикального армирования. После чего происходит наслоение бетонной смеси.

7.3 Разработка бетонных изделий из ТАБ 7.3.1 Создание армирующих каркасов с помощью текстильной арматуры

Возможности использования текстильной арматуры для создания армирующих каркасов практически не ограничены. Можно создавать как жесткие многонаправленные каркасы для ответственных применений, так и каркасы со сложной формой строения. Здесь основным ограничением будет только жесткость вырабатываемых полотен, которая зависит от линейной плотности вырабатываемых нитей, типа переплетения и полимерного покрытия. Для создания особо сложных форм армирующих каркасов целесообразно использовать ровинги с меньшей линейной плотностью и драпируемые текстильные структуры, например, основовязаное полотно с переплетением цепочка. При этом полотно может использоваться как с покрытием, так и без покрытия. При использовании исходного полотна имеется возможность создать необходимое прилегание к объекту, например, в случае ремонта или реставрации элемента конструкции. Форма создаваемого каркаса в принципе ничем не ограничена.

На рисунке 7.3 представлены примеры использования основовязаного полотна с переплетением цепочка, изготовленного из ЩС стеклянных ровингов. На рисунке 7.3а представлены возможности драпируемости такого полотна при облегании сферической поверхности. Видно, что армирующее полотно прилегает практически вплотную. При этом несколько искажается форма внутренней ячейки полотна за счет свободного поворота армирующих ровингов в узлах соединения. Облегание тем же самым полотном формы переменного сечения показано на рисунке 7.3б. Возможно создавать любые переходы на поверхности. Аналогичным образом можно создать облегание сложных угловых поверхностей как показано на рисунке 7.3в.

Приведенные примеры армирующих каркасов являются по сути уникальными и предназначены прежде всего для изготовления различных архитектурных элементов или усиления существующих конструкций. Ниже мы сфокусируемся на разработке бетонных изделий массового производства.

в

Рисунок 7.3 - Примеры создания армирующих каркасов сложной формы для конструкций из

ТАБ

7.3.2 Разработка сэндвич-панели из ТАБ

Сэндвич-панели являются одним из востребованных строительных материалов, так как позволяют обеспечить экономичность, например, в качестве ограждающих конструкций при строительстве быстровозводимых зданий. Сэндвич-панели имеют, как правило, трехслойную структуру, включающую два наружных жестких слоя и слой утеплителя между ними. В качестве наружного слоя сэндвич-панели могут использоваться различные материалы, например, бетон, металл, пластмасса, древесноволокнистые панели. Альтернативой наружных элементов становится ТАБ, как было показано в п.1.7. Причина использования ТАБ в стеновых панелях обусловлена возможностью создания более легкой конструкции по сравнении с традиционным ЖБ за счет снижения минимального защитного слоя бетона. В данной работы была изготовлена сэндвич-панель толщиной в 44 мм, состоящая из двух слоев бетона толщиной в 12 мм с

текстильным армированием и слоя пенополистирольного утеплителя толщиной 20 мм. На рисунке 7.4 представлена разрабатываемая сэндвич-панель.

б

Рисунок 7.4 - Конструкция сэндвич-панели из ТАБ

а

Технологии изготовления включает в себя несколько этапов. На первом этапе изготавливается специальная форма, позволяющая обеспечить последовательную укладку слоев панели. Смесь мелкозернистого бетона была подготовлена в соответствии с составом таблицы 3.1. Первым слоем производится укладка бетонной смеси на глубину в 5 мм. Далее устанавливают армирующее полотно с небольшим предварительным натяжениям, чтобы исключить непрямолинейность арматуры в готовом композите. По периметру полотно фиксируется прижимными планками высотой 5 мм, которые далее ограничивают вытекание бетонной смеси. После чего вновь укладывают бетонную смесь на высоту в 5 мм. В результате чего достигается толщина нижнего наружного слоя в 12 мм с учетом толщины полотна. Далее производится установка теплоизолирующего материала. В данной панели использовался пенополистирол толщиной в 20 мм и удельной плотностью в 25 кг/м3. Для обеспечения

сцепления теплоизоляционной плиты может быть использован клеевой состав или механическое сцепление. В последнем случае в теплоизоляционной плите нарезаются пазы прямоугольной формы, например, через каждые 5 см. Бетон заполняя пространство пазов обеспечивает механическое сцепление с плитой. Далее устанавливается рамка формы для обеспечения литья бетона на высоту в 5 мм. После чего опять производится укладка бетонной смеси. Устанавливается текстильная арматура в наружный слой панели и окончательно укладывается верхний слой бетона. Твердение бетона осуществляется в нормальном температурном режиме. На рисунке 7.5 показана готовая сэндвич-панель. Общий вид изготовленной сэндвич-панели показан на рисунке 7.5а, вид спереди показан на рисунке 7.5б. Готовые панели могут производится различных размеров.

б

Рисунок 7.5 - Сэндвич-панель

7.3.3 Разработка концепции для 3-Б печати ТАБ

Помимо использования текстильной арматуры для изготовления композитных бетонных изделий также возможна печать с помощью бетонных экструдеров. В настоящий момент для усиления бетонных матриц напечатанных трехмерных конструкций используются различные короткие наполнители, включая волокна. Использование текстильной арматуры стало бы прорывным шагом в этом направлении. Арматура может сматываться с рулона и подаваться непосредственно в зону экструдера. Основная сложность реализации такой идеи состоит в придании необходимой формы армирующему каркасу. На рисунках 7.6а и б представлен

прототип 3D армирующего каркаса для печати бетоном. Данный армирующий каркас разделен на три части. Боковые части предназначены для заполнения бетонным раствором в то время как средняя часть остается пустой. Такая форма, например, может быть получена путем создания и покрытия такого каркаса полимерными смолами. После отверждения которых он приобретет фиксированную жесткую форму. Однако сложность будет состоять в доставке такого полуфабриката на строительную площадку. Возможна поставка в брикетах, но их длина будет ограничена и в дополнении к этому не будет обеспечена непрерывность конструкции. Другим вариантом является использование полотна в рулоне. В этом случае полотно будет сматываться с паковки и поступать в направляющее устройство в котором ему будет придаваться нужная форма. Затем сформованный каркас подается в экструдер и боковые части заполняются быстротвердеющей бетонной смесью. Печать производится по заданной программе слоями. Ширина армирующего полотна может легко подбираться в зависимости от ширины готовой стеновой конструкции.

Рисунок 7.6 - Прототип 3D печатной ТАБ конструкции

На рисунках 7. 6в и г представлен прототип готовой конструкции. Боковые части образованного армирующего каркаса заполнены бетоном в то время как средняя часть оставлена пустой. Для создания прототипа конструкции использовалось основовязаное полотно с переплетением цепочка с открытыми внутренними ячейками. Драпируемость этого полотна обеспечивает свободное образование любой сложной формы. Основным препятствием печати таких конструкций может явиться проникновение бетонного раствора в пустоты средней части. В то же время использования других переплетений с более плотными ячейками будет ограничивать формообразование конструкции. Поэтому остановившись на варианте полотна с открытыми ячейками необходимо исключить нежелательное проникновение бетона. При изготовлении прототипа этого удалось достичь как видно на представленных рисунках.

7.3.4 Сетка арматурная для кирпичных конструкций

Разработанные армирующие структуры могут быть также использованы в производства армокаменных конструкций, а именно кирпичных стеновых конструкций. При возведении многоэтажных зданий из кирпича для усиления каменных конструкций производится армирование кирпичной кладки, например, с сетчатым расположением арматурного полотна в горизонтальных швах кладки или с расположением арматуры снаружи под слоем цементного раствора [317]. Здесь традиционно применяются арматурные стальные сетки кругового сечения, состоящие из соединенных между собой и пересекающихся под прямым углом продольных и поперечных усилительных элементов, образующих квадратные ячейки с размерами сторон от 3^3 до 10^10 см с шагом 0,5 см. Минимальная величина размеров ячейки металлической сетки не превышает 3x3 см, что не ограничивает кирпичную кладку от сквозного попадания раствора в пустоты кирпича. Применение текстильной армирующей сетки позволяет устранить эти недостатки с одновременным обеспечением необходимых механических характеристик с уменьшением трещинообразования.

Поставленная задача достигается тем, что в горизонтальные швы кладки во время ее возведения укладывается сетка арматурная, состоящая из соединенных между собой и пересекающихся под прямым углом продольных и поперечных усилительных элементов, образующих квадратные ячейки, отличающаяся тем, что продольные и поперечные усилительные элементы выполнены из высокопрочных нитей, с прочностью не менее 1000 МПа, соединенных между собой, в узлах пересечения усилительных элементов, основовязальным способом, например, из полиэфирной нити, образующей внутри каждой квадратной ячейки сетки арматурной дополнительную сетку. На разработанную структур из ЩС стеклянных ровингов получен патент на изобретение РФ [318].

7.4 Проектирование и расчет ТАБ конструкций 7.4.1 Расчет характеристик армирующего полотна

Проектирование и расчет ТАБ конструкций необходимо начинать с рационального выбора текстильной арматуры. Выше кратко было сказано, что при выборе исходных армирующих ровингов надо опираться на конечную область применения текстильной арматуры. Кроме того, надо принимать во внимание различие свойств тех же углеродных и стеклянных волокон в зависимости от формы строения и процесса переработки. Так углеродное волокно (филамент) имеет прочность 4000 МПа, в пропитанном эпоксидной смоле ровинге - 3000 МПа, в стирол-бутадиентной пропитке 2000 МПа, а в сходном не пропитанном виде только 1500 МПа. Аналогичные характеристики для стеклянного волокна (филамента) равны 3000 МПа, пропитанный эпоксидной смолой ровинг 1300-1400 МПа и не пропитанный - 700-900 МПа. Модуль упругости также снижается, но ненамного и весьма близок к значениям волокна [156, 157]. Как правило, снижения модуля упругости составляет не более 10%.

При проектировании ТАБ конструкции надо принимать во внимание [156]:

- технологию изготовления;

- характеристики армирующего полотна;

- свойства матрицы;

- геометрию конструкции.

Здесь все четыре фактора в той или иной степени неразрывно связаны с друг с другом. Технология изготовления неразрывно связано с характеристиками армирующего полотна. Здесь главным критерием является размер внутренней ячейки полотна, который предопределяет выбор процесса, например, литье или ламинирование. Первые два фактора также определяют геометрическую форму конструкции. Поскольку более плотные и тяжелые полотна существенно ограничивают возможности придания сложной формы изделию. В меньшей степени из всех указанных факторов оказывает влияние свойства матрицы. Практически во всех реализуемых проектах они примерно схожи. Главным критерием является максимальный размер зерна и подвижность бетонной смеси. Максимальный размер частиц песка не превышает 2-4 мм и должен соотносится с размером внутренней ячейки полотна. Данное условие выполняется и в отличии от армогрунтовых конструкций в дорожном строительстве имеет место другой механизм взаимодействия. В Главе 4 также было показано, что матрица все же имеет влияние на силу сцепления с текстильной арматурой.

Характеристики текстильного армирования [156] включают:

- прочность арматуры зависит не только от волокнистого сырья, но и от покрытия;

- драпируемость: покрытое полотно позволяет изготавливать конструкционные профили, без покрытия - поверхности с большой кривизной.

Здесь также стоило бы еще добавить:

- размер внутренней ячейки армирующего полотна;

- размерность структуры полотна - плоское или пространственное.

Предполагается разработка в будущем сортамента подобно тому, который есть для

железобетона сказано в работе [156]. Это было бы оптимальным для выбора армирующей структуры. На наш взгляд такой документ должен содержать описание основных видов, размеров и свойств текстильной арматуры. Сортамент должен включать:

- вид армирующего полотна (плоское, пространственное)

- форма строения внутренней ячейки армирующего полотна (квадратная или прямоугольная);

- размер ячейки, мм;

- количество ровингов в продольном направлении на 1 м (Кш);

- количество ровингов в поперечном направлении на 1 м (N0);

- вид армирующего ровинга (ЩС стеклянный, углеродный, арамидный, гибридный и

т.д.);

- поверхностная плотность полотна, г/м2;

- толщина при давлении 20 кПа.

Разберем указанные характеристики более подробно.

Вид армирующего полотна определяется строением полотна. Оно может быть либо плоское (2Б), либо пространственное (3Б). Под разную технологию производства может использоваться как плоское, так и пространственное полотно.

Форма строения внутренней ячейки армирующего полотна зависит от типа переплетения используемого при выработке полотна и количества усилительных нитей по горизонтали и вертикали. Количество усилительных нитей на единицу длины по двум направлениям определяет форму строения внутренней ячейки. В зависимости от их соотношения форма может быть либо квадратная, либо прямоугольная как показано на рисунках 7.7а и 7.7б соответственно. Кроме того, форма строения внутренней ячейки может быть слегка видоизменена за счет наличия дополнительной сетки из провязывающих нитей как показано на рисунке 7. 7в. Это обусловлено технологическим процессом изготовления, например, переплетение трико и обеспечивает расплющенную форму основных армирующих ровингов. Выбор формы ячейки может влиять на технологию производства ТАБ. Также следует отметить что существуют армирующие полотна с ячейкой треугольной формы. Такая форма образуется за счет прокладываемых под

определенным углом (например, +/- 45о) дополнительных систем нитей. Однако такое полотно достаточно плотное, слабопроницаемое для неорганической матрицы и используются исключительно для армирования ответственных полимерных композитов и в ценовом вопросе не конкурентоспособно в строительных композитах.

а б в

Рисунок 7.7 - Форма строения внутренней ячейки армирующего полотна

Размер ячейки измеряется в мм. Определяется для ячейки квадратной формы как «А», для ячейки прямоугольной формы как «А» и «Б». Например, для ячейки размером 6 на 6 мм будет А=6 мм, а для ячейки размером 6 на 10 мм будет А=6 мм, Б=10 мм.

Количество ровингов на 1 м ^т и N0 определяется подсчётом количества ровингов в продольном и поперечном направлениях. Под продольным направлением понимается машинное направление или направление выработки полотна.

Вид армирующего ровинга определяется исходным волокнистым сырьем. Это может быть ЩС стеклянный ровинг, углеродный ровинг или другой, как правило, высокопрочный вид ровинга. Хотя другие синтетические полимеры также могут использоваться как было показано ранее в ряде работ. Также могут использоваться гибридные нити, состоящие из армирующего высокопрочного ровинга, выполняющего первостепенную несущую функцию, и дополнительных нитей, например, низкомодульных синтетических.

Поверхностная плотность полотна определяет вес одного квадратного метра полотна. Имеет размерность г/м2 и может достигать значений от нескольких сот до нескольких тысяч г/м2. Данная характеристика позволяет оценить производителю изделий ТАБ материалоёмкость текстильной арматуры. Излишне плотное полотно скажется на массе готовых рулонов и затруднит их транспортировку и использование.

Толщина армирующего полотна является величиной, сильно зависящей от величины приложенного давления. Поэтому рекомендуется определять при давлении в 20 кПа, либо при

другом давлении по согласованию сторон. Давление в 20 кПа обеспечивает устранение всех зазоров в полотне и при дальнейшем увеличении давления значение толщины выходит на плато из-за жесткости составляющих полотно ровингов. Толщина полотна необходима для оценки применения возможного количества слоев, например, при ламинировании.

Приведенные характеристик определяют основные виды и размеры армирующих полотен. Механические характеристики текстильной арматуры не могут являться предметом включения в сортамент, т.к. сильно зависят от свойств исходного сырья, используемого технологического оборудования, уровня технологического процесса переработки и квалификации технического персонала. Однако при поставке текстильной арматуры можно добавлять спецификацию, включающие основные характеристик:

- вес рулона полотна;

- ширина и длина рулона;

- прочность на растяжение в продольном/поперечном направлении, кН/м или МПа;

- модуль упругости в продольном/поперечном направлении, кН/м или МПа;

- удлинение при максимальной нагрузки продольном/поперечном направлении;

- коэффициент чувствительности для углеродного ровинга (при необходимости). Расчет прочности на растяжение производится по формулам (1.4) или (1.5). В таблице 7.1

представлен пример предлагаемого сортамента текстильной арматуры для бетона.

Таблица 7.1 - Сортамент текстильной арматуры для бетона

№ вид полотна А, мм Б, мм Нш N0 вид ровинга р, г/м2 1 мм

1 2Б 6,5 6,5 125 120 ЩС 620 -

2 2Б 4,2 4,2 125 120 У 510 -

3 3Б

Проектирование армирующего полотна осуществляется по следующему методу, который устанавливает способ расчета для различных высокопрочных ровингов. Исходные данные для расчета включают размеры ячейки А и Б в мм, форму строения внутренней ячейки армирующего полотна, необходимую прочность на растяжение полотна. В качестве основы для расчета берется структура с переплетением цепочка.

Сначала производится расчет количества ровингов в продольном и поперечном направлениях по формулам (7.1) и (7.2)

=-Ш~ (7.1)

А + А\Ц

= (7.2)

Б + Б^

где Ш - ширина полотна, м;

А и Б - размеры ячейки, мм;

А1 и Б1 - ширина ровинга для переплетения цепочка;

П - коэффициент, учитывающий вид переплетения полотна (принимается п=1 для переплетения цепочка и п=2,6 для переплетения трико и сукно).

Прочность ровинга в армирующем полотне для продольного и поперечного направления определяется по формуле (7.3)

ар =ап * (7.3)

где ар - прочность армирующего ровинга, МПа;

Опол - прочность армирующего полотна, МПа;

X - фактор эффективности реализации прочностных свойств (принимается Я=0,8 для переплетения трико и сукно и Я=0,7 для переплетения цепочка).

7.4.2 Расчет по допускаемым прогибам

С целью ограничения искажения формы конструкции необходимо производить расчеты по допускаемым прогибам. Для этих целей определяются величины наибольших прогибов. Величина наибольшего прогиба в ТАБ конструкциях имеет некоторые особенности при определении, например, при сравнении с ж/б конструкциями. В последних помимо технологических и конструктивных требований, устанавливаются эстетические требования к прогибам элементов ж/б конструкций, т.е. впечатление людей о пригодности конструкции [267]. Работы по определению наибольших допускаемых прогибов в ТАБ конструкциях сильно ограничены. В [177] допускаемые прогибы для ТАБ устанавливаются 1/300 - 1/250 доля пролета и 1/200 для консоли.

По данным испытаний разработанных образцов (рисунок 3.4) были определены максимальные значения прогибов, соответствующие пределу пропорциональности или образованию первой трещины. Результаты представлены в таблице 7. 2.

Таблица 7.2 - Величины наибольших прогибов при изгибе образцов бетонных композитов

Тип ровинга Трико Сукно Цепочка

СР 1/300 1/300 1/360

УР1 1/300 1/300 1/370