Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Введение. Предварительное напряжение железобетона является широко известным приемом в производстве заводских железобетонных изделий, позволяющим повысить несущую способность изделия с сохранением экономичного сечения. Развитие материаловедения и технологий повлекло за собой появление в сфере строительства высокопрочных композитных волокон (стеклянных, углеродных, углепластиковых). Открываются широкие перспективы применения таких материалов, в том числе и в бетонных изделиях. Широкое развитие приобрела концепция текстильно-армированного бетона – тонкостенных строительных конструкций из мелкозернистого бетона, армированных волокнистыми материалами вместо стальных сеток. Концепция предварительного напряжения волокнистого армирования возникла естественным образом как аналогия предварительно напряженным железобетонным конструкциям. Проект № 25-29-00771 посвящен предварительно напряженным бетонным конструкциям с волокнистым армированием. Специфические свойства волокнистых композитов (хрупкость, релаксация напряжений, сложность анкеровки) требуют отдельного изучения для эффективного внедрения в технологии предварительного напряжения. Целью первого года проекта стало экспериментальное исследование свойств волокнистой арматуры и разработка методик для создания предварительно напряженных бетонных образцов. Научная значимость: впервые в рамках системного исследования были количественно разделены вклады собственной релаксации материала и потерь в анкеровке для волокнистой арматуры, что формирует подход к проектированию таких конструкций. Практический результат: изготовлен экспериментальный стенд и апробирована методика для изготовления и изучения предварительно напряженных бетонных образцов с волокнистым армированием. Выполненные работы: В рамках работ был произведен подбор армирующих материалов для дальнейшей работы: были выбраны ключевые типы арматуры для сравнительного анализа – щелочестойкий стеклянный и углеродный ровинги и определены их базовые механические свойства, произведена оценка релаксации напряжений при натяжении волокон и анализ факторов, влияющих на интенсивность релаксации. Для изготовления образцов был сконструирован и изготовлен испытательный стенд, позволяющий создавать заданное предварительное напряжение волокон, производить долгосрочный мониторинг релаксации напряжений, и создавать бетонные образцы с напряженным волокнистым армированием, используя специальные опалубочные формы для пластинчатых образцов. Хрупкость волокнистого армирования влечет за собой повреждения волокон при их зажатии в тисках и натяжении. Для предотвращения повреждения волокон в зажимах был апробирован и внедрен щадящий метод фиксации хрупких ровингов путем заливки их концов в эпоксидные блоки. Заливка концов волокон в эпоксидные блоки также увеличивает площади соприкосновения – волокон с эпоксидным блоком и эпоксидного блока с губками зажимов, что минимизирует проскальзывание волокон в зажимах. Основные научные результаты: В ходе исследований первого года выполнения проекта были систематизированы данные по влиянию предварительного напряжения на свойства бетонных конструкций. Было выявлено, что предварительное напряжение волокнистой арматуры существенно улучшает эксплуатационные характеристики изделий, особенно в части трещиностойкости (в некоторых случаях — до 2,5 раз) и жёсткости (увеличение до 80%). Наибольший эффект достигается при уровне предварительного напряжения 30-40% от предела прочности арматуры. Наибольшее внимание в рамках первого года выполнения проекта было посвящено исследованию релаксации напряжений в волокнистом армировании. Была экспериментально изучена релаксация в стеклянных и углеродных ровингах при различных уровнях нагружения (10-40% от прочности). Установлено, что собственная релаксация напряжений в волокнах композитной арматуры незначительна (2-4%). Основные потери предварительного напряжения (до 12-18%) связаны не с материалом арматуры, а с проскальзыванием в узлах анкеровки (зажимах). Предложенный метод анкеровки эпоксидными блоками позволяет минимизировать эти потери. Совместный анализ показывает, что для сопоставимых деформаций результаты для композитов близки к области механических потерь для стальной арматуры. При этом следует учитывать, что не все виды потерь, характерные для стали, проявляются при использовании композитов. Данный раздел исследования составляет основную научную значимость результатов первого года исследования: впервые в рамках системного исследования количественно разделены вклады собственной релаксации материала и потерь в анкеровке для волокнистой арматуры, что формирует подход к проектированию таких конструкций. Были исследованы структурные изменения в армировании при нагружении. Подтверждено, что при нагружении происходит перегруппировка волокон в ровинге, приводящая к уменьшению поперечного сечения. Это, в свою очередь, может снизить сцепление арматуры с бетоном. Экспериментально выявлено, что модификация формы арматуры (например, расплющивание ровинга) может улучшить сцепление с бетонной матрицей. Выводы • Для успешного применения композитной арматуры в предварительно напряженных бетонных конструкциях важна разработка специализированных зажимных устройств и методов анкеровки, минимизирующих проскальзывание. • Разработанный испытательный стенд и методика анкеровки эпоксидными блоками являются эффективным инструментом для дальнейших экспериментальных исследований. • Получены данные для корректного задания уровня начального натяжения с учетом прогнозируемых потерь.