Тонкостенные строительные конструкции из текстильно-армированного бетона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Столяров Олег Николаевич

• Столяров Олег Николаевич
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Столяров Олег Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Особенности строения текстильно-армированного бетона и текстиль-

бетонных конструкций

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 сетки

1.3.1 Плоские текстильные сетки

1.3.1.1 Тканые сетки

1.3.1.2 Вязаные сетки

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 текстильно-армированного бетона

1.5.1 Литье

1.5.2 Ламинирование

1.5.3 Торкретирование

1.5.4 Центробежное литье

1.5.5 Экструзия

1.6 Структура текстильно-армированного бетона

1.7 Механические свойства текстильно-армированного бетона

1.7.1 Механические свойства текстильной арматуры

1.7.2 Взаимосвязь строения и механических свойств текстильно-армированного бетона

1.7.3 Влияние покрытия ровинга на механические свойства текстильно-армированного бетона

1.8 Расчет текстиль-бетонных конструкций

1.9 Функции и области применения текстиль-бетонных конструкций

1.10 Классификация текстиль-бетонных конструкций

1.11 Основы проектирования текстиль-бетонных конструкций

1.12 Разработка текстиль-бетонных конструкций

1.13 Выводы по Главе

ГЛАВА 2. Взаимосвязь параметров структуры и механических свойств текстильных

армирующих сеток

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 основовязаных армирующих сетках

2.6.1 Особенности строения основовязаного полотна

2.6.2 Влияние переплетения на механические свойства армирующей сетки

2.6.3 Статистический анализ механических свойств при растяжении

2.6.4 Измерение формы поперечного сечения ровинга в основовязаной сетке

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 сеток методом деформируемой рамки

2.8 Пространственные полотна

2.9 Влияние типа покрытия на механические свойства основовязаных армирующих сеток

2.9.1 Характеристика образцов пропитанных сеток для измерений

2.9.2 Влияние типа покрытия на механические свойства сеток

2.10 Гибридные сетки

2.11 Эффективность реализации свойств текстильной арматуры в бетонном композите

2.11.1 Изготовление образцов бетонных композитов для испытаний на изгиб

2.11.2 Влияние параметров строения полотна на свойства текстильно-армированного бетона

2.11.3 Эффективность реализации свойств ровинга в бетонном композите

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

2.11.5 Механические свойства бетонных композитов, армированных пропитанными сетками

2.12 Механизм взаимодействия волокна и матрицы в текстильно-армированном бетоне

2.12.1 Взаимодействие волокна и бетонной матрицы

2.12.2 Подготовка образцов ровингов для испытаний на выдергивание

2.12.3 Испытания на выдергивание

2.13 Выводы по Главе

ГЛАВА 3. Проектирование и расчет тонкостенных облегченных текстиль-бетонных 178 конструкций

3.1 Разработка и проектирование текстиль-бетонных конструкций

3.2 Расчет текстиль-бетонных конструкций

3.2.1 Растянутые элементы

3.2.2 Изгибаемые элементы

3.2.3 Расчет бетонного композита по модели деформационного упрочнения бетона

3.2.4 Расчет по допускаемым прогибам

3.3 Проектирование ограждающих конструкций стен зданий

3.4 Тонкостенные облегченные арочные конструкции

3.4.1 Основные направления проектированиях композиционных арочных конструкций

3.4.2 Проектирование и изготовление опытных образцов

3.4.3 Изготовление 3D-печатной формы для опалубки и образцов арочных конструкций

3.4.4. Определение механических свойств при изгибе

3.4.5 Экспериментальное изготовление арочного навеса

3.5 Сетка арматурная для кирпичных конструкций

3.6 Рекомендации по применению текстильной арматуры для бетонных композитов

3.7 Выводы по Главе

ГЛАВА 4. 3Б-печать текстиль-бетонных конструкций

4.1 3Б-печать бетона как замена традиционным строительным конструкциям

4.2 Волокнистая арматура для автоматизированной печати бетонной конструкции

4.3 Разработка несъемной опалубки для печати текстиль-бетонных конструкций

4.4 Экспериментальное изготовление прототипа напечатанной текстиль-бетонной конструкции

4.5 Разработка печати стеновой конструкции с одновременным введением непрерывного текстильного армирования

4.6 Испытание на изгиб напечатанной конструкции из текстильно-армированного бетона

4.7 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 сетке

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. Мониторинг технического состояния и долговечность текстиль-бетонных

конструкций

6.1 Дефекты и повреждения текстиль-бетонных конструкций

6.2 Электромеханические измерения в текстиль-бетонных конструкциях с использованием встроенных датчиков на основе углеродных ровингов

6.2.1 Электромеханические измерения на углеродных ровингах

6.2.2 Электромеханические измерения на образцах бетонных композитов при растяжении

6.2.3 Электромеханические измерения на образцах полимерных композитов при растяжении

6.2.4 Измерение электрического сопротивления в углеродных ровингах в бетоне при изгибе

6.2.5 Практическое использование полученных результатов

6.2.6 Разработка текстиль-бетонных конструкций с возможность мониторинга нагруженного состояния

6.3 Долговечность текстиль-бетонных конструкций

6.4 Определение расчетного срока службы текстиль-бетонных конструкций

6.5 Выводы по Главе

Заключение

Список условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тонкостенные строительные конструкции из текстильно-армированного бетона»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. 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 (сеток) 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. Текстильно-армированный бетон (ТАБ) представляет собой сочетание текстильных армирующих сеток и мелкозернистого бетона. Строительные конструкции из текстильно-армированного бетона являются разновидностью армоцементных конструкций. Основное отличие состоит в специфике их изготовления. Основные преимущества ТАБ состоят в следующем:

- отсутствие коррозии;

- более тонкие и легкие конструкции;

- возможность создания сложных форм за счет превосходной драпируемости;

- легкость при обращении с сетками;

- увеличенная долговечность конструкции.

Применение текстильной арматуры для бетонный конструкций является новым направлением 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.

Проблемам исследования и разработки строительных материалов, изделий и конструкций из волокнистых, полимерных и композиционных материалов посвящены работы отечественных (А.М. Баранкова, И.В. Бессонов, А.Г. Булгаков, Георгиев С.В., Жуков А.Д., С.В. Клюев, Д.Р. Маилян, В.С. Лесовик, С.Е. Лисичкин, Г.Э. Окольникова, Д.Ю. Попов, Ю.В. Пухаренко, О.Д. Рубин, К.В. Талантова, В.М. Шальнев, Л.А. Шарипова И.А. и других ученых) и зарубежных ученых (A. Banholzer, A. Bentur, W. Brameshuber, R. Chudoba, M. Dolatabadi, J. Hartig, J. Hegger, Y. Goldfeld, T. Gries, M. Krueger, B. Mobasher, A. Naaman, A. Peled, A. Roye, M. Raupach, T. Quadflieg, A. Scholzen, H. Schneider, T. Triantafillou, M. Tsesarsky, S. Voss и других ученых).

Цель работы состоит в создании методологического комплекса по исследованию, проектированию, изготовлению и расчету строительных конструкций из ТАБ с комплексными экспериментальными исследованиями особенностей строения и механических свойств армирующих материалов.

Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- разработка методологии проектирования и расчета тонкостенных строительных конструкций из ТАБ. Создание классификации строительных конструкций из ТАБ;

- разработка комплекса методов оценки механических свойств текстильной арматуры и бетонных композитов, с учетом особенностей их строения. Проведение исследований механических свойств арматуры и бетона, установление взаимосвязи между изменением структуры бетонного композита при нагружении;

- создание прототипов строительных конструкций из ТАБ. Опытное изготовление элементов тонкостенных строительных конструкций;

- разработка методов диагностики и мониторинга напряженно-деформированного состояния строительных конструкций из ТАБ;

- разработка рекомендаций и требований к проектированию строительных конструкций из ТАБ, проекту нормативного документа по текстиль-бетонным конструкциям.

Объект исследования: строительные конструкции из ТАБ.

Предмет исследования: методы проектирования строительных конструкций из ТАБ.

Научная новизна работы:

- разработана комплексная методология проектирования строительных конструкций из ТАБ с учетом параметров бетонных композитов и характеристиками системы «бетона -текстильная арматура»;

- предложен комплекс методов по определению параметров текстильной арматуры и бетонных композитов, позволяющий произвести оптимальный выбор армирующего материала,

обеспечивающий необходимую прочность конструкции при минимальном расходовании арматуры и бетона;

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена несущая способность облегченных конструкций из ТАБ по сравнению со стандартными железобетонными аналогами. Определены параметры целесообразного использования высокопрочной текстильной арматуры;

- разработана концепция предварительно-напряженных строительных конструкций из ТАБ; выявлены закономерности изменения структуры текстильной арматуры при предварительном нагружении и их влияние на свойства элементов бетонных конструкций;

- разработана методология по использованию армирующих электропроводящих углеродных ровингов для определения деформаций строительных конструкций из ТАБ в качестве универсальной измерительной системы;

- предложен способ возведения 3D печатных бетонных конструкций с использованием непрерывной текстильной арматуры; разработан экспериментальный стенд с опытными прототипами напечатанных ТАБ конструкций;

- проведена оценка долговечности конструкций из ТАБ, выявлены наиболее типовые дефекты и повреждения ТАБ конструкций, разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке новой методологии к проектированию строительных конструкций из ТАБ, с учетом новой концепции технологического регулирования строения и механических свойств. Усовершенствованы технологические приемы, позволяющие повысить эффективность реализации текстильной арматуры, в т.ч. предварительно напряженной, в ТАБ. Предложена концепция 3D печати конструкций с применением непрерывной текстильной арматуры.

Практическая значимость работы. Внедрение в практику проектирования, обеспечение технологичности изготовления и реализации конструктивных решений строительных конструкций различных видов из ТАБ, обладающих более высокими материалоемкими показателями. Определение рациональных областей применения, технико-экономического обоснования конструкций из ТАБ, позволяющих дополнительно обеспечить существенное снижение материалоемкости бетона. Разработаны и экспериментально изготовлены конструкции тонкостенных арочных покрытий из ТАБ, прототип печатной бетонной конструкции с текстильным армированием. Усовершенствован перспективный метод измерений механических свойств конструкционных композитов с использованием электропроводящих углеродных нитей. Разработаны методологические основы для нормативного документа по строительным конструкциям из ТАБ.

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

Личный вклад автора диссертационной работы.

Все результаты диссертационной работы получены лично автором или при его непосредственном участии. Все опубликованные научные работы, выполненные в соавторстве, приведены в Списке опубликованных работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- классификация строительных конструкций из текстильно-армированного бетона;

- алгоритм проектирования и расчета строительных конструкций из ТАБ на основе экспериментального определения физико-механических характеристик текстильной арматуры и бетона;

- методика экспериментального определения физико-механических характеристик текстильной арматуры и бетона;

- метод расчетно-экспериментального обоснования предварительно-напряженных строительных конструкций из ТАБ;

- метод мониторинга напряженно-деформированного состояния в ТАБ конструкциях с возможностью локализации;

- концепция применения текстильной арматуры при аддитивном (3D) изготовлении строительных конструкций;

- рекомендации по созданию перспективных элементов тонкостенных бетонных покрытий как основа проекта свода правил.

Степень достоверности и обоснованности результатов Степень достоверности и обоснованности результатов исследований подтверждается статистически обоснованным объемом экспериментальных исследований; использованием современных средств и методов исследования; разработкой экспериментальных стендов для изготовления опытных образцов; 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 Международной конференции «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 АиТЕХ (Дрезден, Германия 2013); Международной конференции по композиционным материалам «ICCM-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); Междисциплинарном научном семинаре «КОМПОЗИТЫ: технологии создания, исследование и оптимизация свойств, моделирование, применение» (Москва, 2022); VI Международной научно-практической конференции «Современные строительные материалы и технологии» (Калининград, 2023); Всероссийской конференции «Неделя науки ИСИ» (Санкт-Петербург, 2021-2023).

ГЛАВА 1. Особенности строения текстильно-армированного бетона и текстиль-бетонных

конструкций

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. Облегченные тонкостенные бетонные композитные конструкции - армоцементные конструкции появились еще в 1940-1950-х годах [1]. Тонкие стальные сетки, в т.ч. и тканые, использовались в сочетании с мелкозернистым бетоном для изготовления уникальных облегченных тонкостенных конструкций покрытий. Однако опасность коррозии арматуры особо тонких стальных сеток привнесла сложности в активное продвижение таких конструкций. Кроме этого, одним из недостатков было уработка проволоки в тканых стальных сетках. При растяжении которых сначала происходило их распрямление. Это сказывалось как на более низких механических характеристиках, так и на появлении трещин. Сегодня с появлением новых видов армирующих материалов в строительстве открываются новые возможности для изготовления уникальных тонкостенных конструкций без необходимости в специальной защите арматуры.

На сегодняшний день применение волокнистых, полимерных и композиционных материалов в строительных конструкциях 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 короткого волокна для изготовления фибробетона [4]; текстиль-бетонные конструкции [5-10] и изготовление бетонных конструкций с помощью 3-0 аддитивных технологий [1 1].

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 сетками, 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 ХХ-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 (ВАБ), где в качестве арматуры применяется стальная фибра (короткие волокна) или волокна другого происхождения как натуральные, так и химические. Добавление волокна в бетон обеспечивает сравнительно высокую экономию, при этом улучшаются такие свойства, как трещиностойкость, истираемость стойкость к ударным воздействиям, 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 ВАБ с различными характеристиками ведет к улучшению процессов, улучшению свойств и снижению потребляемых ресурсов при возведении новых, а также реконструкции и реставрации уже возведенных объектов. Текстильно-армированный бетон представляет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с железобетоном и фибробетоном.

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)

где V/ - объем волокон в композите;

Ус - 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 армирующая сетка из стеклянных ровингов деформирована, 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 их высокая коррозионная стойкость. При детальном рассмотрении фотографии на рисунке 1.1а легко заметить, свойственную для стальной арматуры, коррозию.

а 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 увеличения долговечности может быть достигнуто за счет:

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Столяров Олег Николаевич, 2024 год

Источник тока

Рисунок 6.4 - Электрическая цепь для измерения сопротивления углеродного ровинга

Электромеханическое поведение углеродных ровингов при растяжении изучалось по диаграммам растяжения. На рисунке 6.5 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

(Я

с

к к

¡3 2000 *

к н о се С-

к

= 1000 а> К

Я

<и |

к О. с

св

X

1 -Механическое напряжение — — Электрическое 1.1.1 1 / 2 1 / / -I—1- / /

сопротивление \ \ ' Л / 1

з'\ У х ' \ г \

Дм '

^ ' ' А \ л УД-"" 1 '1 1 1 \

о

0,4

0,8 1,2 Удлинение, %

1,6

10

0

2,0

О ^

О

аГ х

X

<и

ч -

к

го а. с

о и О

о

X о о т я а. н

Ьй о

ч

1 - ровинг УР1; 2 - ровинг УР2; 3 - ровинг УР3 Рисунок 6.5 - 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 деформацию 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

6.2.2 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 [362] даются рекомендации по определению механических свойств при растяжении образцов бетона с текстильной арматурой, расположенной параллельно направлению приложения нагрузки. Форма образца должна 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. 6 показаны этапы подготовки и испытания 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. 6а. Далее полоски арматуры укладываются в отдельные ячейки силиконовой формы и заполняются бетонной смесью как показано на рисунке 6. 6б. Готовый образец показан на рисунке 6. 6в, а процесс испытания на рисунке 6. 6г.

Рисунок 6.6 - Подготовка и испытание прямоугольного образца ТАБ на растяжение с одновременным измерением электрического сопротивления в текстильной арматуре

На рисунке 6.7 показаны диаграммы растяжения образцов ТАБ прямоугольного сечения, армированных основовязаной сеткой с переплетением 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.

8,%

Рисунок 6.7 - Диаграммы растяжения образцов ТАБ, армированных основовязаной сеткой с

переплетением цепочка

Для того чтобы исключить влияние внутреннего концентратора в образце был предложен другой универсальный способ подготовки образцов на растяжения. На рисунке 6.8а 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 сеток переплетениями трико и цепочка, пропускался через два просверленных отверстия и располагался в середине образца. Процесс испытания на растяжение представлен на рисунке 6.8б. 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 сетке на электромеханические измерения были подготовлены две серии образцов сеток с переплетением трико и цепочка, рассмотренных в Главе 2.

Рисунок 6.8 - Измерение электромеханических свойств бетона при растяжении со встроенным

датчиком в форме углеродного ровинга

На рисунке 6.9 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

я 4Н к

X

V *

-

н о я а.

s 2Н а. с

<и

5 1 X 1

<и

i

я X

- Механическое напряжение — — Электрическое сопротивление У

/ ,—1

0,010

0,008 о

<Ц «i

9 О

0,006 g ЕГ

к

0,004 |В" и а> к

0,002 °

<и 5 Я о |=: ез s

н с

С-

с

о о

0,1 0,2 0,3

Удлинение, %

0,000 0,4

Рисунок 6.9 - Зависимость изменения электрического сопротивления от напряжения при

растяжении для бетонного композита

6.2.3 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 безизгибной стеклосетки и один слой основовязаного сетки 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. Готовый для измерений образец представлен на рисунке 6.10а, а процесс измерения показан на рисунке 6.10б.

б

Рисунок 6.10 - Измерение электромеханических свойств стеклопластикового композита

Результаты электромеханических измерений представлены на рисунке 6.11. 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 стеклянной сетки, которая является основным компонентом композита, значительно выше по сравнению с углеродными ровингами датчика в композите.

С 100

к к в

и *

к

I-

о

03

о.

С.

с

1) к

5 «

о. =

сг

ЭС

80

60-

40

20-

-Механическое напряжение — — Электрическо сопротивление

/

/ ~ / /

у

—• **

0,020

0,016

0,012

0,008

с.

н

Ьй

г» и

0,004

2 О

О

о

X <и

ч

са к н с с. с о о

0,0

0,1

0,4

0,000

0,5

0,2 0,3 Удлинение, %

Рисунок 6.11 - Зависимость изменения электрического сопротивления от напряжения при

растяжении для стеклопластикового композита

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 основовязаной сетке. Как было показано в Главе 2 внутренняя форма поперечного сечения ровинга оказывает существенное влияние как на механические характеристики самого ровинга, так и на свойства вырабатываемых из него армирующих сеток и композитов на их основе. Для того чтобы выявить значимость расхождения между результатами измерений, они были построены на рисунке 6.12. 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

<и

о «

о <L> у

5

о, н ьг о

е:

6

Рисунок 6.12

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 (рисунок 6.13). Это подтверждает, что влияние структуры сетки и формы ровинга на коэффициент чувствительности отсутствует. Полученные данные свидетельствуют о воспроизводимости измерений на углеродных ровингах

в различных видах конструкционных материалов.

Удлинение, %

Зависимость изменения электрического сопротивления от напряжения при растяжении для трех видов испытаний

полимер б

Рисунок 6.13 - Коэффициент чувствительности для образцов с переплетением трико (а) и

цепочка (б)

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

6.2.4 Измерение электрического сопротивления в углеродных ровингах в бетоне при

изгибе

На рисунке 6.14 представлен процесс измерения на образцах бетона с армирующей углеродной сеткой. 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 6.14 - Измерение электромеханических свойств бетонных композитов при изгибе

На рисунке 6.15 приведены результаты испытаний бетона на чистый изгиб с одновременной интеграцией основовязаной сетки с углеродным ровингом в качестве датчика. К сожалению, в данном случае не удается исключить эффект влияния армирования сеткой 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 6.15а) наблюдается возрастание электрического сопротивления на протяжении всей деформации с практически линейной зависимостью. В противоположность этому для образца переплетения цепочка (рисунок 6.15 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 2.38.

Прогиб, мм

Рисунок 6.15 - 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 армирующая сетка 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.

6.2.5 Практическое использование полученных результатов

На практике полученные результаты могут быть использованы несколькими способами, как показано на рисунке 6.16.

Рисунок 6.16 - Пример практического применения электромеханических измерений в

углеродном ровинге и бетоне

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.

6.2.6 Разработка текстиль-бетонных конструкций с возможность мониторинга

нагруженного состояния

На рисунке 6.17 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 6.17а. 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 2.15. 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 6.17б). 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 6.17в. Далее устанавливают армирующая сетка и вновь укладывают бетонную смесь как показано на рисунках 6.17г и 6.17д соответственно. В этом случае основным несущим компонентом служит сетка, а не углеродный ровинг, выложенный петлями. Однако, при необходимости, отдельные углеродные ровинги в сетке также могут использоваться для мониторинга нагруженного состояния. Например, в ходе

выхода из строя основной измерительной системы. Сетка 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 сетки. Твердение бетона осуществляется в нормальном температурном режиме, как правило, в течение 24-48 ч. На рис. 6.17е показана готовая тонкостенная плита с текстильным армированием. Данная панель может быть изготовлена любого размера. Основным ограничением является размеры армирующей сетки, а именно ширина сетки. Она находится в пределах ширины игольницы основовязальной машины и по размеру может достигать до 4,5 м. Длина сетки ограничена только возможностью намотки в рулон и составляет от нескольких десятков до нескольких сотен метров.

Д е

Рисунок 6.17 - Технологический процесс изготовления тонкостенной панели с возможностью

мониторинга нагруженного состояния

Статическое нагружение изготовленной панели показало стабильный отклик встроенных углеродных ровингов на приложенное воздействие. Увеличенная длина встроенного 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 армирующей сетки.

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 подобная сетка 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.

На рисунке 6.18 представлена изготовленная цилиндрическая конструкция из текстильно-армированного бетона с возможностью не только мониторинга нагруженного состояния, но и утечек воды. Данное конструктивное решение включает в себя сердечник, который применяется опционально и может быть использован, например в трубах для транспортирования жидкостей. Вокруг сердечника располагается цилиндрическая бетонная оболочка, армированная гибридной сеткой из стеклянных и углеродных ровингов. Изготовление осуществлялось послойной навивкой армирующей сетки на сердечник с последующим литьем бетона. Перспективным представляется способ изготовления в центрифуге. Такая армирующая система позволяет обеспечить усиление цилиндрической тонкостенной бетонной конструкции наряду с возможностью мониторинга нагруженного состояния. Кроме того, помимо мониторинга нагруженного состояния используемые углеродные ровинги является чувствительными к изменению влажности. В данном случае такую конструкцию можно использовать для контроля наличие утечек жидкостей, хранящихся в цилиндрических тонкостенных бетонных резервуарах и жидкостей, транспортируемых в трубопроводах.

Рисунок 6.18 - Цилиндрическая бетонная оболочка для хранения и транспортирования

жидкостей

6.3 Долговечность текстиль-бетонных конструкций

При строительстве передовых и уникальных сооружений уже трудно обойтись без применения инновационных строительных материалов, таких как ВАБ или ТАБ. Как было отмечено выше к основным преимуществам ТАБ следует отнести высокие механические характеристики, универсальность и экономичность. Однако данные материалы обладают и недостатками. Например, из-за чувствительности к механическим и физико-химическим воздействиям снижается проектная прочность конструкций из ТАБ. Для оценки долговечности ТАБ, т.е. способности сохранять эксплуатационные свойства в течение длительного времени, необходимо разработка соответствующих методов оценки. На долговечность ТАБ влияют многочисленные факторы, определяющие ухудшение их свойств. Факторы можно разделить на две группы: механические и физико-химические. К механическим относятся: повреждения хрупких армирующих ровингов и сеток при изготовлении, ползучесть текстильной арматуры, ползучесть матрицы, абразивный износ и др. К физико-химическим относятся действие агрессивных сред, перепады температуры и др.

Основным компонентом щелочестойких стеклянных волокон, влияющим на долговечность, является добавка циркония в размере 15-20% по массе. Данная добавка улучшает долговечность стекловолокон в щелочной среде, но полностью не решает проблемы. Углеродные волокна не подвержены старению при обычных условиях. Необходимо оптимально использовать свойства ТАБ, чтобы не допустить перерасход бетона для создания защитного слоя. В данном

аспекте адекватная оценка долговечности позволяет выработать оптимальные размеры конструкции. В работе [363] определены области учета долговечности ТАБ конструкций:

- долговечность ТАБ матрицы;

- долговечность ровингов и полимерных покрытий;

- долговечность сцепления ровинг-матрица;

- долговечность стальной арматуры (в случае усиление ж/б конструкций).

Долговечность матрицы обусловлена: морозостойкостью, стойкостью к агрессивным

средам, истиранием [363]. Долговечность ровингов и полимерных покрытий определяется морозостойкостью и стойкостью к агрессивным средам, а также возможными механическими повреждениями при установке. Морозостойкость ТАБ конструкций определяется толщиной конструкции. Малая толщина является причиной быстрого проникновения влаги к арматуре. Испытание на многократное замораживание и оттаивание схоже с испытаниями, применимыми к обычным бетонам [364]. Оценивается способность выдерживать многократное замораживание до температур ниже 0 оС и оттаивание без разрушения и значительного снижения прочности. Однако при испытаниях на морозостойкость волокнистых материалов основной причиной разрушения материала при низких температурах является расширение воды, заполняющей его поры. Например, существует метод [365], позволяющий оценить свойства геосинтетических материалов после многократного попеременного замораживания и оттаивания образцов. Данные материалы схоже как по строению, так и по свойствам с арматурой для ТАБ. Обычное снижение прочности после 20 циклов замораживание оттаивание составляет не более 10-15% от начальной прочности образцов. Это в большей степени касается гидрофильных материалов и материалов с открытой волокнистой структурой, например нетканых. При этом образцы экструдированных пластмассовых георешеток схожих с покрытыми полимерами решетками показывают 100% сохранение прочности [366]. Стойкость к агрессивным средам, как было упомянуто выше обеспечивается за счет ЩС модификации стеклянного волокна. Защитой от механических повреждений может служить полимерное покрытие. При расчете фактора эффективности авторами предлагается учесть эффективность текстильного армирования за счет понижающего коэффициента [161]. Для покрытых полимерами сеток его значения, приводимые авторами, находятся в диапазоне 0,8-0,9, а для непокрытого имеет место потеря практически половины исходной прочности. Однако здесь имеют место механические повреждения не только в момент процесса изготовления, но также и при растяжении. Четко выявить данный коэффициент затруднительно, поскольку испытания на механические повреждения, например, как для геосинтетических материалов при установке, осуществить невозможно. Однако может быть интересным сопоставить данные таких испытаний для схожих структур геосинтетических материалов. Так в работе [367] нами было показано, что при установке геосинтетических

материалов в песок средней крупности с последующим виброуплотнением катком весом в 10-12 тонн потеря прочности составляет порядка 10-20%. Опять же менее всего подвержены покрытые и пластмассовые материалы, которые демонстрируют практически полное сохранение свойств. Испытанные образцы тканой сетки из стеклоровингов с битумным покрытием показало падение прочности при растяжении на 60% со значительными повреждениями как ровингов, так и узлов их скрепления. Эти результаты могут быть полезны для использования как качественная оценка, но не количественная.

Долговечность сцепления волокна и матрицы зависит от щелочности матрицы, которая отвечает за формирование твердой фазы в межфазном взаимодействии и на поверхности филаментов [363]. Агрессивные среды могут влиять на изменение прочности и особенно пластичности. Механизм деградации стекловолокна в бетоне включает в себя [368]:

- химическое воздействие из-за высокой щелочности связующего;

- механическое воздействие продуктов гидратации, в частности кальция гидроксида Ca(OH)2.

Характеристики свойств для прогнозирования долговечности ТАБ и определения срока службы зависят от [363]

- транспортирующих свойств ТАБ без раскрытия трещин и с раскрытием трещин;

- влияние прочности на растяжение и деформационной способности;

- стойкость ТАБ к агрессивным средам.

К транспортирующим свойствам относятся воздухопроницаемость, водопроницаемость и др. Влияние прочности на растяжение и деформационную способность оценивается положительно, если они существенно не изменяются с течением времени. В [369] показано, что высокая щелочность матрицы приводит к существенному ухудшению механических свойств ТАБ. В то время как модифицированная матрица со сниженной щелочностью не подвержена такому влиянию при аналогичных испытаниях.

Одним из ключевых факторов является поведение под действием постоянной нагрузки, т.е. ползучесть. Ползучесть ТАБ обусловлена:

- ползучестью матрицы;

- ростом ширины раскрытия трещины с течением времени;

- деламинацией ровинга от матрицы;

- выдергиванием ровинга из матрицы;

- ползучестью полимерного покрытия, особенно, при повышенных температурах.

Работ по оценке долговечности текстильной арматуры и бетонных композитов

существует не так много. В [184] было установлено 30-процентное снижение прочности

непропитанного стеклянного текстиля после ускоренных испытаний для определения долговечности на 50 лет. Понижающий коэффициент Сет должен учитываться для прогнозирования. Этот коэффициент также фигурирует при определении проектной прочности ТАБ [161]:

р, = Сп&л, ^ (62)

где Сепу - коэффициент стойкости к агрессивным средам.

Данный коэффициент зависит от волокнистого материала и щелочности матрицы. Коэффициент стойкости к агрессивным средам для композитных стержней может быть адаптирован к ТАБ [370]. Для стекла принимается 0,7, а для углепластиков 0,9.

В работе [371] отмечено, что ухудшение свойств щелочестойких волокон происходит с увеличением величины рН фактора и температуры. В [368, 372] предлагается разработка и оптимизация состав компонентов бетонных матриц, которые могут быть химически совместимы с армирующими материалами, в частности, со ЩС ровингами, также как применимость, быстрое схватывание и набор прочности для организации производственных процессов. Для решения этой задачи предложены системы модифицированных бетонных матриц, позволяющие снизить щелочное воздействие на стеклянные волокна. Решение этой проблемы состоит в новых системах матриц на основе обычного портландцемента и алюмината кальция, цементного шлака, кремнезема и золы. Основная проблема обычных матриц состоит в том, что значения рН фактора равны 13 - 14 в не карбонизированном состоянии. При использовании указанных смесей значения рН фактора снижаются до 8 - 9.

В работе [147, 373] отмечается, что потеря прочности стеклянных ровингов происходит вследствие образования небольших изъянов на их поверхности, размерностью порядка 40 нм. Потеря прочности учитывается с помощью определенного фактора, определяемого по формуле

А4 = 1 (6.3)

Л=0

где А/г,г - степень потери прочности в момент времени

/ - прочность образца в момент времени

/г=а - прочность образца вначале эксплуатации.

Такая потеря прочности оценивается с помощью ускоренных испытаний на искусственное старение. В качестве одного из основных испытаний были выбраны натурные испытания на открытом воздухе в течение 4,5 лет. Среднегодовая температура в регионе, где проводились

испытания, составляла 13,6 оС. В результате потеря прочности через 1 год составила порядка 7%, через 2 года - 10%, а после всего срока испытания около 15%. Лабораторные испытания при определении потери прочности одиночных исходных и покрытых эпоксидной смолой филаментов проводились в щелочном растворе (pH=13,5) при 50 оС в течение 7, 14 и 28 дней. Результаты показали, что потеря прочности увеличивается с продолжительностью воздействия, достигая потери более половины исходной прочности в конце эксперимента. Однако, сравнение результатов непропитанных и пропитанных образцов не показало какого-либо статистически значимого различия. Основным объяснением является достаточно тонкий слой эпоксидный смолы, который не может в полной мере воспрепятствовать агрессивному воздействию, плюс достаточная большая площадь поражения. В последнем случае такие испытания на ровинге должны дать более объективные результаты. Так, при испытании на ровингах, потеря прочности через 28 дней составила 35 и 15 % для непропитанного и пропитанного ровингов соответственно. В результате авторы заключают, что использование эпоксидных систем позволяет значительно снизить потерю прочности, главным образом, вследствие пониженного водопоглощения.

В схожем исследовании [125] также были произведены испытания в щелочном растворе при 50 оС в течение 14 и 28 дней, но на образцах композитов на основе сеток из ЩС стеклянных ровингов. После 28 дней испытаний потеря прочности составила около 20%. Также на основе полученных экспериментальных данных с применением моделей долговечности прогнозируемый результат на 50 лет составил приблизительно потерю прочности в 37%. Данная модель была построена на детальном измерении температуры и влажности в бетоне с помощью специально разработанных датчиков. Более оптимальные значения по сравнению с испытаниями на старение с постоянным водонасыщением объяснятся чётким разделением погодных условий. В [88] выполнен эксперимент по определению долговечности на образцах стеклянного ровинга покрытого эпоксидной смолой. Испытания проводились при температуре 50 оС в растворе с pH фактором 13,2, что достаточно правдоподобно имитирует среду в бетоне. За 70 дней испытания сохранение прочности составило около 40%.

Наиболее интересное исследование [116] включало одновременное воздействие нагружения и температуры в водной среде для определения времени до разрушения образца бетонного композита при растяжении. Данное воздействие представляет собой ползучесть, т.е. деформирование образца под действием постоянно приложенной нагрузки. Образец находился в ёмкости с водой, нагретой до 50 оС, был нагружен до уровня 0,8 от максимальной прочности на растяжение. Испытания проводились как на пропитанных сетках, так и на контрольных не пропитанных образцах. Результаты испытаний отчетливо показали, что покрытие текстиля увеличивает время нахождения под нагрузкой, т.е. непосредственно влияет на его долговечность.

Также отмечается, что быстрое разрушение непропитанного бетонного образца стало следствием потери контакта между арматурой и матрицей.

Для оценки долговечности ТАБ предложена модель, состоящая из следующих этапов [368]:

- литературный обзор матриц для стекловолокнистого бетона;

- испытание щелочестойких филаментов при варьировании pH-фактора, температуры и типа материала;

- математический подход к описанию потери прочности стеклянного армирования в щелочной среде - коррозионная модель;

- исследование свойств композита (растяжение, сила сцепление);

- взаимосвязь различных исследований.

К особенно значимым выводам по работе следует отнести влияние влажности. При 80% относительной влажности не выявлено потери прочности в течение года, при 95% относительной влажности наблюдалась потеря прочности в 5% через 90 дней и 18% через 1,5 года. Потеря прочности в воде при 20 оС составила 26% через 1,5 года. Отмечено, что критическое значение лежит в диапазоне между 80 и 95% относительной влажности.

Также в некоторых работах исследуется долговечность базальтовых ровингов [374-376]. Основное отличие базальтовых волокон от стеклянных состоит в высоком содержании FexOy в 7-15%. С увеличением отношения CaO/FexOy базальтовые волокна становятся менее щелочестойкими [375]. Однако щелочестойкость базальтовых волокон может быть значительно улучшена за счет циркониевого покрытия [376].

По влиянию механических воздействий на долговечность следует отметить следующие работы. В [377] выполнены испытания на растяжение ТАБ, армированного стеклоровингами, с раскрытыми трещинами. Показано, что деформация увеличивалась, а время до разрушения уменьшалось с увеличением уровня приложенной нагрузки. В [118] показано, что наличие текстильной арматуры и особенно в комбинации с коротким волокном в матрице может препятствовать старению бетонного композита, даже если матрица находится в нагруженном состоянии.

Среди других факторов, влияющих на старение бетонных композитов следует отметить воздействие высоких температур или огнестойкость ТАБ [378-388]. К сожалению, огнестойкость ТАБ конструкций ниже железобетонных. Использование ТАБ конструкций в качестве покрытий требует от него огнестойкости. ТАБ по сравнению с волокнисто-армированными полимерными композитами состоит из неорганической матрицы, которая не подвержена воспламенению. Как следствие не требуется какой-либо специальной защиты. Однако причиной разрушения или недопустимых деформаций может являться потеря свойств армирующих волокон при высоких температурах [384]. Показано [385], что углеродные волокна могут сохранять прочность

неизменной при нагреве до 1000 оС. Арамидные волокна имеют высокую термостабильность. Однако предел окисления составляет 150 оС. При 500 оС арамидные волокна теряют половину прочности, тогда как углеродные волокна только пять процентов. Стекловолокна не окисляются, но имеют тенденцию к размягчению при температурах в 600-800 оС [386]. Мелкозернистый бетон сохранят 70% от исходной прочности до температуры 500 оС [387]. Отмечено, что разрушение происходит вследствие выдергивания волокон с разрушением в зоне нагрева с одновременным прорастанием трещины в матрице. Также наблюдается уменьшение температуры, при которой происходит разрушение с увеличением нагрузки [388]. Показано [373], что двутавровые балки из углеродных ровингов выдержали испытание на огнестойкость при нагружении до 0,5 от максимальной прочности на изгиб в шесть раз дольше, чем балки из стеклянных ровингов. В то же время пропитанные полимеры демонстрируют худшее температурное поведение даже на углеродных нитях. Указанные факторы должны быть включены в определение расчетного срока службы ТАБ и конструкций на его основе. В перспективе огнестойкость ТАБ конструкций может быть повышена за счет применения термостойких покрытий к углеродным сеткам.

6.4 Определение расчетного срока службы ТАБ

Расчетный срок службы ТАБ конструкции должен определяться принимая во внимание особенности строения и свойства текстильной арматуры. Особая роль отводится понижающим коэффициентам долговечности, которые наряду с коэффициентом запаса вносят существенный вклад в определение допускаемых напряжений. Например, такие применяются при определении долговечности геосинтетических материалов [389, 390].

Для учета факторов долговечности вводят понижающие коэффициенты при определении расчетного срока службы:

*дл =-й--(6.4)

С1 • с2 • Сз-у

где Ян - кратковременная прочность при испытании на растяжение или изгиб, МПа;

у - коэффициент запаса, принимается равным 1,5 [162];

С1......с - понижающие коэффициенты, учитывающие влияние различных факторов.

Для определения расчётного срока службы предлагается ввести следующие понижающие коэффициенты:

С1 - понижающий коэффициент, учитывающий механические повреждения текстильной арматуры при изготовлении и деформировании;

С2 - понижающий коэффициент, учитывающий воздействие агрессивных сред; сз - понижающий коэффициент, учитывающий влияние ползучести. Определение понижающего коэффициента, учитывающего механические повреждения текстильной арматуры при изготовлении и деформировании, производится по следующей формуле

стп

с, , (6.5)

ак

где ао - прочность при растяжении сетки, МПа;

Ск - прочность сетки при растяжении внутри бетонного композита, МПа.

Определение прочности текстильной арматуры и бетонного композита на ее основе производится по методам, описанным в Главе 2. В случае отсутствия таких испытаний допускается использование понижающих коэффициентов, принимаемых по умолчанию, в соответствии с таблицей 6.4. Нами была исследована ползучесть стеклянной решетки с битумным покрытием [391]. Наблюдалась незначительная ползучесть, обусловленная взаимодействием стеклоровинга с пропиткой. Результаты хорошо согласуются с приведенными в таблице.

Таблица 6.4 - Понижающий коэффициент с1, принимаемый по умолчанию

Текстильная арматура Понижающий коэффициент с1

без покрытия 0,5

с гибким полимерным покрытием 0,7

с жестким полимерным покрытием 0,9

Определение понижающего коэффициента, учитывающего воздействие агрессивных сред, производится по следующей методике. На рисунке 6.19 представлена линейная аппроксимация сохраненной прочности армирующего ровинга после воздействия агрессивных сред. Линейная аппроксимация производится с помощью статистического регрессионного анализа. Уравнение прямой линии определяется по формуле:

у=а-Ь • ^(х)

(6.6)

где х - логарифм времени log t; у - сохраненная прочность (%стах)•

Значение коэффициентов: а=100, b=1,77 для углеродного ровинга и b=7,1 для ЩС стеклянного ровинга.

Коэффициент, учитывающий снижение прочности от воздействия агрессивных сред, определяется по формуле:

c2 = 100 / amax Коэффициент учета С2 должен быть больше единицы.

100

(6.7)

оа л

§ 80

х

sr

а бо

с

I 40 х

X

QJ

g 20 сх

X

° О U и

чц^11 1 1 -1—1 1 11 ill -1—1 1 11 III -1—1 1 11 III -1 1 1 1IIII —i—1111in 1 1 1 1llll

1

------------------ -----------------

«г- ......С2=10( )/64,5=1, 2

55..............

................-1 ^рок ел ужбы

ЩС стеклоровинг . — «Углерод, ровинг \ 1

\ 1

0,01 0,1 1

10 100 1000 10000 1000001000000 Время, ч

1 - Углеродный ровинг; 2 - ЩС стеклянный ровинг Рисунок 6.19 - Линейная аппроксимация устойчивости армирующих ровингов к

воздействию агрессивных сред

Например, для ЩС стеклянного ровинга определяется соответствующая величина сохраненной прочности %отах при расчетном сроке службы в 10 лет (87600 ч) рассчитывается следующим образом

у=100-7,1 • 1е(87600)=100-7,1 • 4,94=64,9

Понижающий коэффициент будет равен:

с2=100/64,9=1,54

Понижающий коэффициент, учитывающий влияние ползучести (сэ) принимается равным

1,4.

6.5 Выводы по Главе 6

Рассмотрены характеристики, влияющие на долговечность ТАБ и конструкций на его основе, включая механические и физико-химические факторы. Выявлены основные возможные дефекты при изготовлении ТАБ и возможные пути их устранения. Проведено обследование стеновых конструкций из ТАБ после десяти лет эксплуатации. Показаны основные виды повреждений, присущие ТАБ. Предложен метод определения расчетного срока службы ТАБ.

Приведены 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 основовязаной сетки 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 описан технологический процесс изготовления тонкостенной панели с возможностью мониторинга нагруженного состояния.

Для успешной реализации проектов с использованием ТАБ конструкций необходимо разработка регулирующих нормативных документов. Существующие нормы по стекло- и углепластиковой арматуре, например по долговечности не всегда могут быть адаптированы к ТАБ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты, полученные при выполнении работы:

1 Рассмотрены основные и перспективные направления производства конструкций из ТАБ. Предложена классификация по видам текстиль-бетонных конструкций. Разработан алгоритм расчета строительных конструкций из ТАБ с учетом параметров бетонных композитов и характеристиками системы «бетона - текстильная арматура».

2 Выполнены исследования механических свойств широкого круга новых и перспективных видов армирующих материалов для бетонных композитов. Исследовано строение и свойства высокопрочного армирующего текстиля. Предложен комплекс методов по определению параметров текстильной арматуры и бетонных композитов, позволяющий произвести оптимальный выбор арматуры, обеспечивающий необходимую прочность конструкции при минимальном расходовании арматуры и бетона.

3 Разработаны методологические основы повышение эффективности реализации механических свойств текстильной арматуры на различных структурных уровнях строения. На основе накопленных сведений по экспериментальным измерениям получены технически-обоснованные результаты, позволяющие регулировать строение и механические свойства ТАБ, что вносит существенный вклад в решении крупной научной проблемы - получение текстиль-бетонных конструкций с заданным комплексом механических свойств.

4 Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена несущая способность облегченных конструкций из ТАБ по сравнению со стандартными железобетонными аналогами. Разработаны научные основы комплексной методологии к проектированию строительных конструкций из ТАБ. Для рационального проектирования конструкционных элементов из ТАБ разработаны рекомендации, которые впоследствии могут стать основой для разработки нормативных документов.

5 Предложен способ возведения 3D печатных бетонных конструкций с использованием непрерывной текстильной арматуры. Разработан экспериментальный стенд с опытными прототипами напечатанных ТАБ конструкций. Разработана концепция применения текстильной арматуры при аддитивном (3D) изготовлении строительных конструкций.

6 Разработана концепция предварительно-напряженных строительных конструкций из ТАБ. Получены прототипы плит напряженного бетона, усиленные стеклянными и углеродными ровингами. Установлена взаимосвязь между строением армирующего ровинга и механическими характеристиками образцов бетонных композитов, позволяющая обеспечить эффективность армирования за счет оптимизации параметров армирующей структуры.

7 Разработана методология по использованию армирующих электропроводящих углеродных ровингов для мониторинга напряженно-деформированного состояния строительных

конструкций из ТАБ в качестве универсальной измерительной системы с возможностью локализации. Изготовлены опытные концептуальные образцы тонких бетонных панелей с одновременной функцией мониторинга.

8 Проведена оценка долговечности конструкций из ТАБ, выявлены наиболее типовые дефекты и повреждения ТАБ конструкций, разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации текстиль-бетонных конструкций.

Список условных обозначений

A - площадь поперечного сечения;

Af - площадь поперечного сечения текстильной арматуры; As - площадь сечения сетки на единицу длины элемента; Ь - ширина сечения;

Сет - коэффициент стойкости к агрессивным средам; Cx - координата центра тяжести всех волокон по оси х; Cy - координаты центра тяжести всех волокон по оси у;

С1 - понижающий коэффициент, учитывающий механические повреждения текстильной арматуры при изготовлении и деформировании;

с2 - понижающий коэффициент, учитывающий воздействие агрессивных сред;

сз - понижающий коэффициент, учитывающий влияние ползучести;

D - средний диаметр соединительной нити,

df - диаметр пучка волокон;

d - номинальный диаметр ровинга;

ёп - номинальный диаметр волокнистой арматуры;

E - модуль упругости при растяжении;

Ec - модуль упругости при сжатии;

Ecr - модуль упругости после появления трещины;

Ef - модуль упругости текстильной арматуры;

Ер - модуль упругости исходного ровинга;

Еп - модуль упругости армирующей сетки;

F - растягивающее усилие;

Fcomp - максимальное усилие при растяжении в композите; Fmax - максимальное усилие при растяжении;

[Ртах] - максимальное допускаемое усилие на текстильную арматуру;

Fn - относительное усилие сдвига;

Fвдг - максимальное усилие выдергивания;

Fs - сила сдвига;

Ft - максимальная нагрузка ТАБ элемента;

Fкр - критическая сила;

Ffr - фрикционное усилие выдергивания;

- степень потери прочности в момент времени ^ - прочность образца в момент времени ^=о - прочность образца вначале эксплуатации;

ffii - прочность на растяжение текстильной арматуры;

G - жесткость при сдвиге;

Gd - химическая прочность сцепления;

h - высота сечения;

ho - рабочая высота сечения;

Imin - минимальный момент инерции площади поперечного сечения стержня;

imin - радиус инерции поперечного сечения соединительной нити;

Kef - фактор эффективности бетонного композита;

ki - фактор реализации эффективности текстильного армирования;

ко,а - фактор, учитывающий ориентацию арматуры по отношению к направлению приложения нагрузки;

к2 - фактор для двухосного нагружения;

Кэф - коэффициент эффективности реализации прочностных свойств текстильной арматуры;

Ке - коэффициент эффективности реализации модуля упругости текстильной арматуры; Кб - коэффициент эффективности реализации прочности текстильной арматуры в бетонном композите;

кч - коэффициентом чувствительности; Lf - длина стороны сетки; 1пр - приведенная длина стержня; I - истинная длина стержня;

le - длина заделки (глубина заложения арматуры);

let - контактная длина;

lo - начальное значение контактной длины;

lx -конечное значения контактной длины;

M - внешний изгибающий момент;

Мсеч - внутренний изгибающий момент;

mn - приведенный момент;

Mu - максимальный изгибающий момент;

Mn - номинальный изгибающий момент;

Mer - изгибающий момент при первой трещине;

mRd - прочность при чистом изгибе (kNm/m);

mEd - изгибающий момент в бетоном композите.

nEd - усилие в бетонном композите;