бабулер78

Контроль усиления элементов мостов

СМЕРДОВ Д.Н., Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС), канд. техн, наук, СОЛОВЬЕВ Л.Ю., СГУПС, канд. техн, наук, ЯЩУК М.О., Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС), старший преподаватель, ХАМИДУЛЛИНА Н.В., РГУПС, канд. техн, наук

Аннотация: В статье рассматривается применение инфракрасной термографии при контроле усиления железобетонных балок пролетных строений и изгибаемых лабораторных образцов полимерными композиционными материалами, в том числе преднапряженной системой на их основе. Показана эффективность такой технологии при выявлении площадей непроклеев.
Ключевые слова: мостовые сооружения, преднапряженные полимерные композиционные материалы, композиты, усиление, железобетонные балки, пролетные строения, инфракрасная термография, проектные нагрузки.

Полимерные композиционные материалы — это углепластики, армированные высокопрочными углеродными волокнами. В современных условиях в практике дорожного строительства и эксплуатации полимерные композиционные материалы широко применяются при усилении действующих искусственных сооружений [1, 3, 4, 5]. При этом основным способом усиления является обклейка конструкций холстами или пластинами (ламелями) (рис. 1).
Эффективным способом выявления дефектов строительных работ является метод инфракрасной термографии [2, 6, 7], который основан на регистрации излучаемой тепловой энергии (представляемой в виде поля температур — термограмм) на некоторой площади поверхности. По разнице значений температур между отдельными точками термограммы можно судить о состоянии конструкции. Пустоты и неплотности по контакту соединяемых материалов играют роль теплоизолятора, поэтому на наружной поверхности, доступной для наблюдения, из-за разной теплопроводности и теплоемкости в дефектной и бездефектной областях возникает градиент температур. Например, при общем изменении температуры дефектный участок будет нагреваться или остывать быстрее исправной области.
Аналогичный пустоте или отслоению, но менее выраженный эффект возникает из-за посторонних включений, например, в виде избыточного количества клея.


Тепловизионным наблюдением в инфракрасном диапазоне можно точно определить положение, форму и размеры (площади) зон с неисправностями усиления — непроклеев и отслоений. На рис. 2 показаны поля распределения температур (термограммы) по исследованным поверхностям наклеенных холстов на балке пролетного
строения (см. рис. 1), которые сопоставлены с результатами акустического контроля (области непроклея очерчены черной линией). Результаты измерений практически совпадают, однако термографический метод показал значительно большую площадь некачественного контакта холстов усиления и усиливаемой конструкции.
Несмотря на то, что термограмма отображается на экране тепловизора непосредственно в момент съемки, многие мелкие детали, например, уточненные границы непроклея и отслоений, могут быть получены только после цифровой обработки изображений по специальным алгоритмам. Диагностика может выполняться при естественном уровне температур (пассивная диагностика) либо при дополнительном внешнем тепловом или ином вибрационном воздействии (активная диагностика).

Активная диагностика позволяет получить более точную информацию о состоянии контролируемого объекта, минимизировать влияние окружающей среды (ветра, солнечной и отраженной радиации, влажности). При активной диагностике изменение теплового излучения генерируется в течение очень короткого времени — от долей секунды (при стимулировании тепловыми импульсами, например, от вспышки галогенных ламп или ультразвукового воздействия) до 2—5 мин (при нагреве инфракрасными нагревателями, рис. 3). За такое короткое время существенные изменения в окружающей среде вряд ли возможны, что позволяет исключить их влияние на результаты измерений и тем самым оставить только полезный сигнал.
Пассивная термография направлена на изучение изменения температур объекта относительно показателей окружающей среды. Использовать этот метод можно, если дефекты столь значительны, что температурные аномалии в зоне их нахождения возникают даже в стационарном режиме (например, дефекты типа непроклеев и расслоений на границе композиционного материала и бетона).
На рис. 4 показаны термограммы, полученные пассивным методом с расстояния 6,63 м при температуре окружающей среды от -2 до -5 °C и пасмурной погоде (отсутствии прямого солнечного света). Области недостаточного контакта материалов хорошо видны и сосредоточены на углах перегиба холстов.
Большего эффекта от применения полимерных композиционных материалов при усилении мостовой конструкции можно добиться с помощью их предварительного напряжения [8—10]. Этот способ обладает следующими достоинствами:

• замедляется образование наклонных трещин в приопорной части усиленного пролетного строения, а в случае их образования уменьшается величина раскрытия;
• улучшается эксплуатационное состояние усиливаемой мостовой конструкции благодаря меньшему трещинообразова-нию;
• пластические деформации рабочей арматуры пролетного строения начинают развиваться при значительно большей нагрузке.

В любом случае, как при использовании ненапрягаемого усиления, так и в случае с предварительным натяжением ламелей, весьма важным фактором является обеспечение сцепления элементов усиления с усиливаемой конструкцией.
В Сибирском научно-исследовательском институте мостов СГУПСа авторы статьи, применяя метод активной термографии, провели серию испытаний несущей способности и трещи-ностойкости балок, усиленных преднапряженными полимернокомпозитными материалами (ПКМ) [4]. Перед исследованием производили нагрев поверхности балки с последующим ее охлаждением. Такой способ позволяет четко выделить дефекты и неисправности при использовании ПКМ.
Измерения выполняли с расстояния 0,5 м инфракрасным тепловизором марки Fluke Ti400 с величиной NETD (разницей температур, равной шуму тепловизора) 0,05 °C. Работы проходили в лаборатории со средней температурой более 22 °C. Габариты балки: длина — 1,68 м, ширина — 0,16 м, высота — 0,22 м. Длина пластины ПКМ — 1,38 м.
В связи с небольшим расстоянием от тепловизора до поверхности балки было принято решение разделить фиксацию на четыре сегмента, равных по длине (рис. 5). Сегменты 1 и 4 включают в себя узлы закрепления пластины ПКМ с помощью металлической фасонки и анкерного закрепления с железобетонной балкой по внешней стороне пластины. Сегменты 2 и 3 являются промежуточными между узлами закрепления, на них приходится основная величина напряжения, передаваемая пластине ПКМ в процессе натяжения от гидравлического домкрата. На термограмме сегмента 3 заметен участок в зоне установки анкерных болтов, оставшихся после окончания натяжения и демонтажа гидравлического домкрата. На анкерных сегментах хорошо заметны участки креплений к железобетонной балке.
На всех термограммах хорошо видно, что температурный фон по длине ламели является равномерным, отсутствуют такие дефекты, как полости или пузыри. Равномерный температурный фон свидетельствует о хорошей адгезии клеевого состава между ПКМ и железобетонной балкой. Этот же результат был подтвержден визуальным осмотром и акустическим методом.
Таким образом, инфракрасная термография позволяет определять качество сцепления между элементами ПКМ и конструкцией, в том числе и для контроля пред напряженного усиления на всех этапах ее работы.

Список источников
1. Бокарев С.А., Ящук М.О. Усиление железобетонных пролетных строений мостов преднапряженными полимерными композиционными материалами // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2016. № 1 (61). С. 98—107.
2. Глушков С.П., Соловьев Л.Ю., Борисовская Н.Е. Выявление дефектов в усиленных композиционными материалами конструкциях методом инфракрасной термографии // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2015. № 4 (35). С. 36—42.
3. Плевков В.С., Балдин А.В., Невский А.В. К определению расчетных напряжений в стальной и углекомпозитной арматуре нормальных сечений железобетонных элементов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2017. № 1 (60). С. 96—113.
4. Смердов Д.Н., Ящук М.О. Экспериментальные исследования несущей способности изгибаемых железобетонных элементов, усиленных преднапряженными полимерными композиционными материалами // Научный журнал строительства и архитектуры. 2019. № 3 (55). С. 72—83. DOI: 10.25987/VSTU.2019.55.3.008.
5. Смердов Д.Н., Смердов М.Н., Селиванова Е.О. К вопросу долговечности изгибаемых железобетонных элементов, усиленных полимерными композиционными материалами // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы конференции. Пермь, 2015. № 1. С. 490-493.
6. Тепловизионной контроль качества работ по усилению железобетонных конструкций композиционными материалами / Л.Ю. Соловьев, А.Н. Костенко, А.А. Неровных, К.В. Кобелев, И.В. Засухин // Инженерный вестник Дона. 2018. № 3 (50). Ст. № 134. URL: http://www.ivdon.ru/ uploads/article/pdf/IVD_122_Soloviev_ Kostenko.pdf_51ecl6ad3c.pdf.
7. Яшнов А.Н., Кузьменков П.Ю., Иванов Е.О. Развитие мониторинга технического состояния мостов // Путь и путевое хозяйство. 2021. № 7. С. 14—18.
8. Ящук М.О., Кобелев К.В. Особенности работы устройств для усиления конструкций железобетонных мостов с применением полимерных композиционных материалов // Транспорт: наука, образование, производство (Транспорт—2016): труды международной научно-практической конференции. Ростов-на-Дону: РГУПС, 2017. Т. 4. С. 142—145.
9. Ящук М.О. Программа лабораторных исследований железобетонных балок, усиленных преднапряженными полимерными композиционными материалами // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2017. № 3. С. 158-170.
10. Yashchuk М., Smerdov D. Reinforced concrete elements strengthened by pre-stressed fibre-reinforced polymer (FRP) // Transportation Research Procedia. 2021. Vol. 54. P. 157-165. DOI: 10.1016/j.trpro.2021.02.060.


CONTROL OF STRENGTHENING OF BRIDGE ELEMENTS
Smerdov Dmitry — Ph.D., Siberian State University of Railway Engineering, Department of Composite Materials and Structures, Senior Researcher. Novosibirsk, Russia, dnsmerdov@mail.ru, SPIN-code: 7141-4210.
Soloviev Leonid — Ph.D., Siberian State University of Railway Engineering, Associate Professor «Bridges», head. Department of Siberian Research Institute of Bridges. Novosibirsk, Russia, Iys111@yandex.ru, SPIN-code: 3943-2050.
Yashchuk Maxim — Rostov State Transport University, Chair «Surveying, Designing and Building of Railways», Senior Lecturer. Rostov-on-Don, Russia, maxum1986@gmail.com, SPIN-code: 6681-5062.
Hamidullina Natalya — Ph.D., Rostov State Transport University, Chair «Surveying, Designing and Building of Railways», Associate Professor. Rostov-on-Don, Russia, moyashchuk_ips@rgups.ru SPIN-code: 6763-7662.
Abstract: The article discusses the use of infrared thermography in monitoring the reinforcement of reinforced concrete beams of superstructures and bending laboratory samples with polymer composite materials, including a prestressed system based on them. The efficiency of using infrared thermography to control the quality of reinforcement by identifying non-adhesive areas is shown.
Key words: bridge structures, prestressed polymer composite materials, composites, reinforcement, reinforced concrete beams, spans, infrared thermography, design loads.