Строительные конструкции из волокнистых композиционных материалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Инженерно-строительныйинститут

Высшая школа гидротехнического и энергетического строительства

О. Н. Столяров

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2024

Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation

PETER THE GREAT ST. PETERSBURG

POLYTECHNIC UNIVERSITY

InstituteofCivilEngineering

Graduate School of Hydraulic and Power Engineering

O. N. Stolyarov

BUILDING STRUCTURES MADE OF FIBER COMPOSITE MATERIALS

Training manual

Saint Petersburg

2024

ВВЕДЕНИЕ

Встроительных конструкциях на протяжении более чем ста лет

вкачествеарматурыдлябетонатрадиционноширокоиспользуется стальная арматура. Наряду с целым рядом важных положительных свойств строительных бетонных конструкций, таких как высокая прочностьижесткость,ихмассавесьмавелика,априменяемаястальная арматура порой ограничивает размеры и форму выпускаемых изделий. Кроме того, сталь подвержена коррозии, вызывая, таким образом,коррозиюарматуры,чтовсвоюочередьможетпривестик разрушениюбетона.Этоприводиткуменьшениюэффективнойплощадипоперечногосеченияматериалаи,какследствие,увеличению внутренних напряжений. Одной из альтернатив применению традиционной стальной арматуры является применение волокнистых композиционныхматериалов,чтоспособствуетповышениюнадежностиидолговечности,атакжесущественномуснижениюнагрузок от собственного веса при использовании бетонных конструкций.

На современном этапе развития науки и техники появляется огромноеколичествоновыхиперспективныхвидовстроительных материалов.Особоеместозанимаюткомпозиционныематериалы, армированныеразличнымианизотропнымиэлементамиввидеволокон,ровингов,нитейразличногостроения,текстильныхполотен (сеток) плоской и пространственной формы. Данные материалы широкоиспользуютсявразличныхобластяхстроительства,включаястроительствозданийисооружений,дорожноестроительство, гидротехническоестроительствоидр.Еслиармированиекороткими волокнами достаточно давно используется для изготовления конструкционных композитов в строительстве, то применение непрерывных армирующих элементов в виде текстильных армирующих каркасов только сейчас набирает популярность.

7

1.КОНСТРУКЦИОННЫЕ КОМПОЗИТЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

1.1.Внедрение новых материалов (от железобетона до композитов)

На сегодняшний день применение волокнистых, полимерных и композиционных материалов в строительных конструкциях получило широкое развитие по ряду направлений: использование высокопрочныхполотен(сеток)икомпозитовнаихосноведляусилениястроительныхконструкцийвнешнимармированиемприреконструкциизданийисооружений;применениекороткоговолокна для изготовления фибробетона; изготовление текстиль-бетонных конструкций; возведение воздухоопорных и тентовых конструк- ций,атакжеизготовлениебетонныхконструкцийспомощью3-D аддитивныхтехнологий.Сприменениемновыхвидовконструкционных композитов возможно воплощение таких идей и проектов, которыеещесовсемнедавнобылибыневозможнысприменением обычных строительных материалов. Появление новых видов волокнистых материалов существенно продвинуло такую отрасль производства, как строительный текстиль [1]. Строительный текстильглобальноможетбытьразделеннадванаправленияисследования по области применения: текстиль, работающий в контакте с грунтом в различных функциях [2], и текстиль, применяемый в строительстве зданий и сооружений [3]. То есть текстиль, применяемыйподземлей,напримердороги,фундаменты,инадземлей– непосредственно в самих зданиях и сооружениях. Первая из этих областейпримененияужедостаточнохорошоосвоенаиобъединила целый класс материалов под названием геотекстиль, или более широко – геосинтетика. Вторая область применения, связанная главным образом с армированием бетона высокопрочными текстильнымисетками,являетсясравнительноновойиактивноначала

8

развиваться только в последние годы. С одной стороны, можно сказать, что существует множество применений текстильных материалов в строительстве зданий и сооружений. Однако все эти применениявосновномсвязанынеспервостепенныминесущими функциями,асвторостепенными,напримерограждающиесетки, 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

иконструкций,чтозатрудняетпроведениерасчетовстроительных конструкций на их основе и их утверждение.

Перспективные строительные конструкционные материалы призваны противостоять новым вызовам в развитии городов и обустройстве окружающей среды с учетом быстрого роста населения планеты,повышениятребованийккачествужизнииизменяющихся климатическихусловий.Применениеинновационныхконструкционных материалов позволяет не только защитить городское развитие от возможных разрушительных природных воздействий, но и существенноснизить,например,выбросыуглекислогогазазасчет сниженияихпотребления,затратынаихтранспортировку,сроквозведениязданийисооруженийприихнеизменныххарактеристиках.

Важностьвнедренияновыхтиповматериаловотжелезобетона до композитов обусловлена непрерывным развитием человеческого общества. При развитии городского строительства и обустройствежизненнойтерриториичеловечествовразныевремена всегдастремилосьиспользоватьновейшиедостижениявобласти разработкипередовыхматериалов,проектированияконструкций

итехнологии строительства. Все эти направления были всегда взаимосвязаны,иниодноизнихнемоглопродвигатьсявпередбез учетаособенностейразвитиядругихнаправлений.Припостепенномпереходеоттрудоемкойпереработкиестественныхстроительныхматериалов(камень)кматериалам,созданнымчеловеческими

9

руками, происходили существенные прорывы. Одним из таких прорывов может являться появление в XIX веке железобетона, позволившее существенно расширить возможности строительства и возведения принципиально новых зданий и сооружений, реализация которых была невозможна 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 веке. Железобетон стал не только одним из самых распространенных материалов, но и предопределил развитие новых направлений в строительстве и архитектуре [4].

Композиционныематериалыширокоиспользуютсяпрактически вовсехотрасляхпромышленности.Наиболеетипичнымпримером композита, используемого в строительстве, является упомянутый выше железобетон, в котором соединяются стальная арматура и бетоннаяматрица.Крометого,напротяжениипоследних50летна рынке присутствует фибробетон, или волокнисто-армированный бетон,гдевкачествеарматурыприменяетсястальнаяфибра(короткиеволокна)иливолокнадругогопроисхождения,какнатуральные, такихимические.Добавлениеволокнавбетонобеспечиваетсравнительновысокуюэкономию,приэтомулучшаютсятакиесвойства, как трещиностойкость, истираемость, устойчивость к ударным воздействиям,чтообуславливаетувеличениеостаточнойпрочности конструкций.Такжеповышаетсядолговечностьбетона,чтоспособствует глобальному снижению его производства и, как следствие, уменьшению количества вредных выбросов при его изготовлении.

Уменьшениепотреблениябетонаприсохранениинеобходимых характеристикпрочностииувеличениядолговечностиможетбыть достигнуто за счет:

–защиты элементов конструкций полимерными покрытиями;

–усиления композиционными сетками;

–применения принципиально новых видов бетонных композитов;

–заменыбетонныхэлементовальтернативнымиматериалами.

10