Анастасия Денисова
В лаборатории Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета продолжаются исследования композитных материалов, применяемых для усиления строительных конструкций системами внешнего армирования. Работа ведётся на кафедре железобетонных и каменных конструкций в рамках подготовки кандидатской диссертации старшего преподавателя кафедры Анастасии Денисовой. Одним из этапов работы стали испытания углеродных композитных ламинатов на растяжение с использованием высокоскоростной камеры.
Основная цель эксперимента – изучить характер разрушения композитного материала и определить, где именно начинается разрушение образца при его работе на растяжение. При этом сами испытания играют ключевую роль при разработке инженерных решений, особенно когда речь идёт о новых материалах или новых условиях их работы. В строительной отрасли все решения напрямую связаны с требованиями безопасности, а безопасность должна быть обоснована либо расчётами, если существуют методики, либо экспериментами, если таких методик пока нет.
Неожиданный эффект ширины образца
Работа началась с серии механических испытаний композитного материала – углеродного ФАП-ламината (ФАП – фиброармированный полимер). Исследователи определяли основные механические характеристики на образцах с шириной, применяемой в реальной практике усиления (50 мм): предел прочности при растяжении, модуль упругости и относительные деформации. Однако результаты первых испытаний оказались неожиданными: образцы разрушались не так, как предполагалось – характер разрушения отличался, а полученный предел прочности оказался ниже ожидаемого.
После перехода к испытаниям образцов с шириной по ГОСТу 20 мм выяснилось, что их прочностные характеристики соответствуют заявленным. Это позволило выдвинуть гипотезу о так называемом «эффекте ширины» – влиянии размеров образца на работу ФАП-ламината. В ходе эксперимента исследователи протестировали образцы шириной от 10 до 50 мм с шагом 10 мм. Было установлено, что при ширине 40–50 мм наблюдается снижение предела прочности и изменяется характер разрушения материала. При этом зафиксировать момент начала разрушения визуально не удалось.
Как отмечает Анастасия Денисова, ФАП-ламинаты обладают рядом особенностей, которые не всегда отражены в нормативной и технической литературе. «Эффект ширины» был выявлен именно экспериментально – после того, как стало очевидно, что материал ведёт себя не так, как ожидалось. Это потребовало провести серию дополнительных испытаний для подтверждения гипотезы.
Зачем понадобилась высокоскоростная камера
Чтобы точно определить место разрушения образцов, учёные использовали высокоскоростную камеру со скоростью съёмки около 3000 кадров в секунду. Это позволило зафиксировать процесс разрушения композита, который в обычных условиях происходит практически мгновенно. Фактически задача заключалась в том, чтобы «отловить» момент начала разрушения, и, кроме высокоскоростной съёмки, других решений не было.
В ходе эксперимента были исследованы две серии образцов – шириной 20 мм и 50 мм. Съёмка показала, что узкие образцы разрушаются в рабочей зоне по всей площади сечения, как и предполагалось. Однако у более широких образцов разрушение начиналось в области захватов испытательной машины, после чего образец фактически переставал работать. Таким образом, гипотеза о влиянии ширины образца получила экспериментальное подтверждение.
Практическое значение результатов
Полученные результаты имеют важное значение как для лабораторных испытаний, так и для практики проектирования. С одной стороны, они могут привести к корректировке методик испытаний композитных материалов, чтобы исключить разрушение образцов в захватах, с другой, позволяют дать рекомендации производителям по улучшению структуры композитов, в частности, по повышению межфазной прочности на границе «волокно – матрица».
Особую значимость исследования приобретают в контексте усиления существующих конструкций. В этом случае композитные материалы выступают в роли «лекарства» для конструкций, уже имеющих дефекты и повреждения. Поэтому крайне важно быть уверенными в предсказуемости их работы. Понимание механизмов поведения материала позволяет не только корректно применять его в проектах усиления, но и прогнозировать его разрушение, что напрямую связано с обеспечением механической безопасности конструкций.
Проектировщикам такие исследования помогают точнее назначать нормативные характеристики материалов и учитывать возможные механизмы разрушения при расчёте конструкций.
Перспективы дальнейших исследований
Исследования композитных материалов в СПбГАСУ продолжаются. В будущем учёные планируют использовать высокоскоростную съёмку для изучения работы соединений «композит – адгезив – бетон», а также для анализа разрушения усиленных конструкций и поведения композитов при различных температурах.
По словам Анастасии Денисовой, несмотря на активное применение композитных материалов в строительстве, экспериментальные исследования их поведения осуществляются в недостаточном объёме. Работа, проводимая в университете, направлена на получение новых знаний о механике таких материалов и на развитие научной базы для их более широкого и безопасного использования.
Экспериментальные исследования проводят старший преподаватель кафедры железобетонных и каменных конструкций (ЖБК) Анастасия Денисова и старший лаборант (до сентября 2025 года) Егор Кужман. Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент кафедры ЖБК Алексей Шеховцов.