Строительство и архитектура/3. Современные технологии строительства, реконструкции и  реставрации.

д.т.н., профессор Рощина С.И.,

к.т.н., профессор Смирнов Е.И.,

инженер Шохин П.Б.

Владимирский государственный университет, Россия

Армирование деревянных балок перекрытия стеклотканью, приклеенной компаундом с включением нанотрубок

Углеродные нанотрубки известны своими уникальными механическими, электрическими и термическими свойствами, пригодными для широкого спектра применения в полимерах.

Исключительная прочность углеродных нанотрубок имеет выгодное применение для создания различных видов композитных материалов из углеродных волокон и эпоксидных смол. Стандартное усовершенствование, измеренное на армированном волокнами композиционном материале, составляет от 10 до 50% по прочности и динамической нагрузке. Такой уровень усиления может иметь существенное значение для данного композиционного материала, обычно ограниченного свойствами смолы.

На основе данных предположений было принято решение внедрения углеродных нанотрубок в состав эпоксидной смолы. Для решения этой задачи ФГУП ВИАМ совместно с ТГТУ и ООО Нанотехцентр был использован процесс совмещения эпоксидной смолы с различными типами УНТ.

Нашей задачей являлось изучения влияния УНТ на механические свойства эпоксидной смолы в композитных конструкциях. В качестве композитной конструкции рассматривались деревянные балки перекрытия, усиленные стеклотканью, приклеенной компаундом с включением УНТ и без них.

Технико-экономические соображения, приведенные в литературе показывают, что решение поставленных выше задач исследования целесообразно выполнить на моделях армированных балок, запроектированных по принципу полного физического и геометрического подобия.

На первой стадии эксперимента следует принять масштабный множитель ml = 0,057, на второй ml = 0,4 а за основу принять натурные конструкции пролетом 6 м.

При планировании эксперимента определялось оптимальное число испытываемых моделей и требуемое число образцов для установления статических характеристик материала моделей. Было принято испытывать 3 серии балок по 3 образца в каждой серии.

На первой стадии:

· Балки первой серии – деревянные балки без армирования сечением 10х15 мм, пролет 300 мм

· Балки второй серии – деревянные балки с армированием растянутой зоны стеклотканью, проклеенной эпоксидной смолой ЭД-20. Сечение образцов 10х15 мм, пролет 300 мм

· Балки третьей серии – деревянные балки с армированием растянутой зоны стеклотканью, приклеенной эпоксидной смолой ЭД-20 с включением в ее состав углеродных нанотрубок концентрацией 0.25%. Сечение образцов 10х15 мм, пролет 300 мм

На второй стадии:

· Балки первой серии – деревянные балки без армирования сечением 100х70 мм, пролет 2250 мм

· Балки второй серии – деревянные балки с армированием растянутой зоны стеклотканью в 2 слоя, проклеенной эпоксидной смолой ЭД-20. Сечение образцов 100х70 мм, пролет 2250 мм

· Балки третьей серии – деревянные балки с армированием растянутой зоны стеклотканью в 4 слоя, проклеенной эпоксидной смолой ЭД-20. Сечение образцов 100х70 мм, пролет 2250 мм

· Балки четвертой серии – деревянные балки с армированием растянутой зоны стеклотканью в 2 слоя, приклеенной эпоксидной смолой ЭД-20 с включением в ее состав углеродных нанотрубок концентрацией 0.3%. Сечение образцов 100х70 мм, пролет 2250 мм

· Балки пятой серии – деревянные балки с армированием растянутой зоны стеклотканью в 4 слоя, приклеенной эпоксидной смолой ЭД-20 с включением в ее состав углеродных нанотрубок концентрацией 0.3%. Сечение образцов 100х70 мм, пролет 2250 мм

Схема загружения:

Нагружение заготовок балок на первом этапе осуществлялось до 0,75 нормативной нагрузки, ступенями по 0,15 от верхнего предела.

На втором этапе нагружение деревянных балок осуществлялось до разрушения ступенями, равными 0,25 расчетной нагрузки.

На обоих этапах исследования время выдерживания под нагрузкой на каждой ступени принято 5 минут.

Рис.1. Общий вид установки испытания деревянных балок

На основании результатов исследования получены необходимые следующие выводы о характере разрушения, прочности и деформативности реальных деревоклеенных композитных балок.

Армирование, предложенное для создания композитных балок с включением в состав компаунда УНТ, повышает их несущую способность на 30-40% и уменьшает деформативность по сравнению с армированными деревянными балками без включения в состав компаунда УНТ. Это позволяет использовать их под повышенные нагрузки, расширяет область применения и дает экономию древесины при производстве конструкций.

Экспериментально подтверждено, что разрушение композитных балок происходит хрупко и только по нормальным сечениям. Это исключает возможность разрушения усиленных балок от скалывания и раскалывания в приопорных участках, т.е. обеспечивает надежность работы конструкций на действие сдвигающих усилий в опорных сечениях, тем самым, повышая надежность конструкции против обрушения.

Проведенные исследования показали возможность применения композитных балок в новом строительстве и при реконструкции зданий.

Литература:

1. Иванов Ю.М. Инструкция по испытанию деревянных конструкций с определением несущей способности. М., ЦНИИСК, 1972.

2. Рекомендации по испытанию деревянных конструкций. –М.: Стройиздат, 1976, с.32.