Строительные конструкции из волокнистых композиционных материалов

Рис. 3.8. Схема усилий и эпюра напряжений в сечении текстиль-бетонного элемента при изгибе

Расчет сечения изгибаемых элементов производится исходя из условия

где h0 – рабочая высота сечения; х — высота сжатой зоны бетона. Составляем уравнение равновесия:

RsAs = Rbbx,

где Rb – нормативное сопротивление бетона сжатию. Условие прочности имеет вид

Mсеч < RsAs(h0–x/2).

3.6.Перспективные направления развития текстиль-бетонных конструкций

На рис. 3.9 приведены некоторые примеры использования ТАБ, включающие демонстрационный павильон (а), пешеходный мост (б), козырьки над велосипедной парковкой (в), фасад из сэндвич-панелей (д). Основными перспективными направлениями ТАБ является разработка различных наружных элементов, например для вентилируемых фасадов, так же как для несущих

41

Рис. 3.9. Текстиль-бетонные конструкции

иненесущихсэндвич-панелей[21],атакжеконструкцийпокрытий. Первымпримеромявляетсяприменениебетонныхплитразмером 2685 × 325 × 25 мм для фасада лаборатории конструкционного бетона Технического университета г. Ахена (ФРГ). Панели изготавливались горизонтально. Вначале укладывался слой самоуплотняющегося бетона, 4 мм, затем устанавливался первый слой текстильнойармирующейсеткисукладкой17ммслоябетона.Далее устанавливался второй слой бетона и окончательно укладывался слой бетона, 4 мм. Другим примером ТАБ является разработка панелей для невентилируемых фасадов. Данные панели состоят издвухслоевТАБсчистовойобработкойповерхностиипромежуточного слоя из жесткого пенополистирола, который увеличивает общую жесткость конструкционного элемента. Перспективными направлениями применения такого элемента являются наружные

42

стены в одно- и двухэтажных зданиях [22]. Институт текстильной технологииТехническогоуниверситетаг.Ахенавсвоемновомздании имеет стеновые панели общей площадью 590 м2, с размерами однойпанели3450×1000×180мм.ДляизготовленияпанелейЩС стеклянная сетка использовалась в качестве арматуры и жесткого пенополиуретана (ПУ) толщиной в 150 мм в качестве теплоизоляционного материала, т. е. толщина бетона с каждой стороны была по 15 мм. Вес ТАБ-сэндвич-панелей составляет примерно 17 % от веса аналогичных панелей без текстильного армирования. Снижение расхода энергии, связанное с невозобновляемыми источниками, составляет 45 % по сравнению с обычными [23]. Выброс СО2 снижается на 53 %. Стоимость панели включает: 41 % – ПУ, 27%–мелкозернистыйбетон,23%–текстильнаяарматураи9%– крепеж. Оценить стоимость изготовления сложно, поскольку на данном этапе производятся ограниченные серии.

Еще одним примером является самая большая панель для фасада размером 5000×2500 мм [24]. При строительстве колледжа вг.Лейдене(Нидерланды)использовалисьпанелиплощадью1,14м2

итолщиной30мм,изготовленныеизпропитаннойстекляннойсетки.Общаяплощадьпокрытияпанелямифасадасоставила10000м2. ЗданиешколывДюссельдорфеимелоплощадьпанелейв14500м2. Всреднейшколевг.Ахенеиспользовалисьпанелитолщиной30мм

иплощадью 14,34 м2. Это позволяет снизить количество крепежа, и, как следствие, повысить скорость монтажа. В [25] произведены панели в качестве барьера от шума. ТАБ был отлит на звукоизоляционную панель.

Другимпримеромявляетсясозданиелегкихперекрытий[26,27]. Например, демонстрационный павильон 7 × 7 м толщиной 60 мм изготовлен из 12 слоев непропитанного углеродного текстиля с толщиной бетона между слоями 5 мм (см. рис. 3.9, а). Усиление конструкции гипаровой оболочки произведено с помощью ТАБ, содержащего три слоя углеродного текстиля толщиной 15 мм для повышения несущей способности и снижения прогибов.

Другое,неменеепопулярное,направлениеразработкиТАБ-кон- струкцийвключаетпешеходныемосты(см.рис.3.9,б)[28].Первый

43

пешеходный мост былоткрыт в 2006г. вг. Ошаце (ФРГ). Актуальность применения текстильной арматуры обусловлена коррозией стальнойарматурывбетоневследствиекактрадиционныхфакторов,такиприменяемыхматериаловдляпротивообледенительной обработки.ОткрытыймостбылсобранизU-образныхТАБ-секций толщиной30мм,закрепленныхспомощьюстальныхтросов.Пролетсоставил8,6м,авес6т.Дляармированияприменяласьтканая сетка из ЩС стеклянных ровингов. Из-за новизны конструкции коэффициентзапасабылпринятравнымв2,5.Далеепоследовало еще несколько мостов в г. Кемптене, Альбштадте (ФРГ), более длинных и более легких.

ВелосипеднаяпарковкасостоитизТАБтолщиной20мм,изготовленного из шести слоев углеродной основовязаной сетки (см. рис.3.9,в).Крометого,имеетсяпримерреализациисолнцезащитнойпанелиспролетомнеменее3мдлязданиягоспиталя.Примером панелей также может служить устройство железнодорожной платформынастанцииВаллесхаузен(ФРГ).Былиуложеныготовые панелиразмером2,5×1,35мсготовойтекстуройипротивоскользящим покрытием для пешеходов. Панели были изготовлены из двух слоев углеродной сетки. Готовая конструкция не требовала заземления, т. к. отсутствовала стальная арматура.

Также была продемонстрирована возможность изготовления облегченногоготовогогаражадлялегковогоавтомобилявесом15т. Отмечаетсясущественныйэкономическийэффектотприменения ТАБ. Данная конструкция может быть без особых затруднений транспортирована к месту установки.

РядпримеровуспешногоиспользованияТАБсвязансгидравлическимифункциями.Так[29],изготовленыбетонныетрубыстекстильным армированием на внутренней ПВХ-трубе для поставки водыиудалениясточныхвод.ПВХ-трубаосуществляеттранспор- тировкуводы,непроницаемаихимическистойкая.ТАБ-оболочка обеспечивает сопротивление внутреннему давлению и внешним нагрузкам. Также рассматривается возможность использования ТАБпристроительстведецентрализованныхочистныхсооружений сточных вод, что особенно актуально в малонаселенных пунктах.

44

Основными путями развития технологии изготовления ТАБ могут являться как производство готовых бетонных изделий, так и изготовление строительных конструкций непосредственно на месте строительства. В первом случае речь идет о традиционном изготовленииготовыхбетонныхизделий,напримертрадиционных железобетонныхизделий.Главныеаспектыуспешногоприменения ТАБ включают:

–отношение прочности к весу;

–долговечность;

–устойчивость к атмосферным явлениям.

Готовые бетонные изделия доставляются на место строительства. При этом будет существенный экономический выигрыш за счет уменьшенного веса перевозимых грузов. Одной из основных трудностей, замедляющих внедрение ТАБ, является отсутствие стандартовпроектирования,направленныхнаразработкуготовых изделий.

Вовторомслучаеречьможетидтиобизготовленииконструкций изТАБнепосредственнонастроительнойплощадке.Ихможноэкономично разворачивать после природных катастроф для ремонта зданий.Бетоннаяматрицаможетготовитьсянаместеизатвердевать в течение 24 ч. Однако здесь наиболее интересным направлением может стать развитие 3D-печати. В данный момент в качестве арматурных добавок в бетонную смесь используются короткие элементы, например ЩС стеклянныеволокна. Печать непрерывным ровингом,атемболеесеткой,ещенереализовананивконцепции, нинапрактике.Хотявперспективетакаятехнологияпозволилабы существеннопродвинутьсявтрехмернойпечатиготовыхкаркасов зданий и сооружений.

Следующей областью применения ТАБ является усиление существующих конструкций для обеспечения прочностных и деформационных характеристик [30]. В настоящее время используются волокнистые композиты с полимерными смолами. Представляется логичным заменить полимерные смолы на бетонные композиты для того, чтобы избежать всех проблем, связанных со смолами. Усиливаются балки и плиты при изгибе

45

в растянутой зоне. Высокопрочные волокнистые композиты, преимущественно из углеродных волокон, используются для усилениястроительныхконструкций.Подходаналогиченвышеописанному. Только вместо сеток используются направленные углепластики, обладающие высокими механическими характеристиками. В данном направлении открывается возможность дополнительноговнешнегоусиленияжелезобетонныхконструкций.Это даст возможность ощутимоснизить допускаемые прогибыи,какследствие,увеличитьжизненныйциклконструкции и снизить расход бетона.

3.7. Тонкостенные облегченные арочные конструкции

На сегодняшний день из поликарбоната изготавливается огромное количество легких арочных конструкций. Наряду с рядом преимуществ, таких как малый вес, низкая стоимость, светопрозрачность и т. д., существует и ряд недостатков, связанных, прежде всего, со сроком службы таких пластмассовых конструкций. Погодные условия периодически создают ситуации, при которых снеговая нагрузка на внешнюю поверхность может значительно увеличиваться, например из-за таяния снега

ипоследующегообразованияльдаприпонижениитемпературы. Напрактикеэтоприводиткразрушениюхрупкихпластмассовых конструкцийизполикарбоната.Втожевремяданныеконструкции практически неремонтопригодные и подлежат утилизации. Так, например, в Санкт-Петербурге каждую весну огромное количествоконструкцийизполикарбонатаотправляетсянасвалку. Всвоюочередь,этопорождаетэкологическуюпроблему,связанную как с растущим производством пластмасс, так и с трудностями их переработки.

Арочные конструкции находят все большее применение в различных сооружениях, включая мосты, тоннели, навесы, купола

ит. д. Арочные конструкции широко используются благодаря несущейспособностииспособностиперекрыватьбольшиепролеты безнеобходимостииспользованияколонн.Аркивыполняютсякак

46

из каменной кладки, так и из бетона. Направления исследований арочныхконструкцийсиспользованиемкомпозиционныхматериаловможноразделитьнадвеосновныегруппы.Первоепредполагает усилениесуществующихарочныхконструкций,каккирпичных,так и бетонных. Второе предполагает разработку легких конструкций покрытий. В каждом из этих направлений главную роль играют высокопрочныеволокнистыекомпозиты.Ихосновнымипреимуществами являются высокая несущая способность, устойчивость к коррозии и простота монтажа.

Нарис.3.10представленыконструкцииразработанныхарочных покрытий. Для экспериментальной апробации были изготовлены образцы арочных покрытий различных размеров.

Арочныепокрытияизготавливаютобычносострелойподъема в 1/6–1/10 пролета. Несомненным преимуществом арочных конструкций по сравнению с балочными является их работа на внецентренное сжатие с минимальными растягивающими усилиями.

в)

Рис. 3.10. Арочные покрытия из ТАБ:

а– полукруглое арочное покрытие;

б– прямое арочное покрытие; в – полуарочное покрытие

47

4.3D-ПЕЧАТЬ БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

СВОЛОКНИСТЫМ АРМИРОВАНИЕМ

4.1. 3D-печать конструкционных материалов

3D-печать конструкционных материалов успешно применятся в различных отраслях науки и техники, охватывая такие материалы,какметаллы,полимеры,биоматериалыибетон[31]. Если для печати пластиками или металлом все более или менее разработано и реализовано в промышленных масштабах, включая производство 3D-принтеров, то устройства для печати бетонных изделий и конструкций находятся в самом начальном этапе своего развития.

3D-печать бетона позволяет быстро возводить строительные конструкциибезиспользованияопалубки.Посвоейсутитехноло- гия3D-печатибетономнесильноотличаетсяотпечатипластиком илиметаллом.Просматриваетсяаналогичнаяцепочкаизготовления конструкции: проектирование → САПР → принтер → конструкция. Основное отличие состоит в размерах печатаемой конструкции. Еслиприпечатипластикомилиметалломвозможностиограничены только размерами стола печатного устройства, то в случае печати бетономпространствопечатиограниченоразмерамиустанавлива- емойконструкции3D-принтера.Это,какправило,наодин-двапо- рядкабольше.Технология3D-печатипозволяетвозводитьнаиболее энергоэффективныеконструкции,снижающиетеплопроводность стензасчетобразованияполостей,заполненныхтеплоизоляционнымиматериалами.Насегодняшнийденьпринципиальнореализованы две аддитивные технологии печати бетона: 3D-печать в виде слоя частиц с выборочной активацией связующего и 3D-печать

сиспользованием экструзии бетона.

Впервом случае реализуется послойное создание слоев кон- струкцииизцементно-песчанойсмесисдобавкамиспоследующим точечнымнанесениемводыдляактивациибетоннойсмеси.Варьируяместадобавленияводы,можнодобитьсясозданияоптимальной по форме бетонной конструкции. Следует отметить, что, скорее всего, данная технология более всего подходит для изготовления

48

бетонных изделий в условиях предприятия нежели конструкций на строительной площадке.

Во втором случае печать ведется на плите или ленточном фундаменте. 3D-принтер состоит:

–из рамной конструкции с возможностью перемещения по строительной площадке;

–бункера для хранения сухого материала с контролем уровня наполнения;

–системы смешивания;

–насоса.

Весьпроцессуправляетсячерезпанельуправления.Добавляется вода, и готовая смесь подается в зону печати. Печать ведется, как правило,вдваслоя–внешнийивнутренний.Этоопределяетгра- ницы несущей стеновой конструкции. Пространство между ними заполнятся теплоизоляционным материалом, а также включает в себя место для проведения инженерных коммуникаций (водопровод, электричество и др.). Трубы для инженерных сетей могут монтироваться в процессе печати без необходимости вырезать их. Отверстия под инженерные сети также могут вырезаться во время печати. Во время печати необходимо оставлять пространстводлядверныхиоконныхпроемов.Поэтомупечатьможетлибо прерываться, либо вестись с левой и с правой сторон от проема. Печатьбетономведетсяпослойно.Высотанапечатаннойстеновой конструкцииобычнодоходитдо3мивключаетвсебядо150слоев бетона толщиной до 20 мм. Форма сопла может быть квадратной иликруглой.Задняячастьнасадкиимеетсистемусгребаниядлявыравниваниястены.Наружныйслойможнооставитьбезизменений иливыполнитьотделочныеработы.Приукладкеслоевнеобходимо контролировать скорость их схватывания, чтобы последующий слойнедеформировалнижележащийслой.Длязатвердеванияслоя, какправило,требуетсяот5до10минут.Этовремясильнозависит от погодных условий и, например, в жаркую погоду существенно сокращается.

В случае использования аддитивных технологий при возведениибетонныхконструкцийвозникаетнемалопроблем,связанных

49

с их прочностью, высотой слоя, временем схватывания бетонной смеси, обеспечением несущей способности нижележащих слоев. Это усложняет процесс 3D-печати бетоном по сравнению с печатью пластиками в огороженной камере, которая не подвергается воздействиювнешнихфакторов.Длярешенияуказанныхпроблем предлагаютсяразличныетехническиерешения,включаяиспользованиебыстросхватывающихсястроительныхсмесейидобавления наполнителей в виде коротких волокон, т. е. использование дисперсного армирования. Данный прием успешно реализован при использованиипластиков,наполненныхволокнами.Внастоящий моментдляусилениябетонныхматрицнапечатанныхтрехмерных конструкцийиспользуютсяразличныеволокнакаксинтетического, так и неорганического происхождения.

Используются добавки для смеси, которые позволяют контролировать скорость схватывания и воду затворения. Прочность на сжатиенапечатанныхбетонныхконструкцийвсреднемсоставляет 40МПа.Прочностьслоевнапечатаннойконструкции,какправило, на 10–20 % ниже по сравнению с литыми образцами. В качестве наполнителей в бетон для повышения прочности могут использоваться волокна, такие как ПП и стальные. Главным образом используются ПП-волокна, т. к. их легко закладывать в экструдер и перемешивать. Стальные волокна могут затруднять обработку готовой смеси в экструдере.

Дляобеспеченияустойчивостиконструкциипространствомежду внутренней и наружной стенами может иметь зигзагообразную форму, придающую структурную целостность печатаемой конструкции. С одной стороны, интеграция стен достигается полно- стьювавтоматическомрежиме,асдругой–требуетсясущественно большийрасходбетона.Альтернативойданномуспособуявляется ручная вставка горизонтальной металлической арматуры в виде скобы через каждые 0,3–0,5 м. Это вовлекает в процесс дополнительную непрерывную ручную операцию, которую достаточно сложноавтоматизировать.Однакоэтонеобходимодлясоединения двух слоев напечатанной конструкции и придания структурной целостности.

50