Применение и использование композитной арматуры

Применение композитной арматуры

Долгое время в строительных технологиях традиционной стальной арматуре практически не было альтернативы. Но прогресс не стоит на месте, во многих областях инжиниринга разнообразные композитные материалы все настойчивее вытесняют привычный металл. Не осталась в стороне и строительная индустрия, где давнее монопольное положение железной арматуры на сегодня существенно подорвано арматурами композитного происхождения.

По структуре композитная арматура – это почти всегда совокупность розпушенных волокон (ровницы, ровинга, как промежуточного этапа в ткацком производстве) и полимерных, как правило, термореактивных, эпоксидных смол. Внешне она схожа с аналогичной стальной арматурой. Представляет собой нарезанные прямолинейные прутья или скрученные в бухту длинные канаты (под будущую нарезку), с нанесенными характерными периодическими поперечными ребрами, служащими для увеличения надежности ее сцепления с бетоном.

Несмотря на наличие периодических ребер, обычная композитная арматура отличается некоторой поверхностной «скользкостью», которая выражается в пониженном сцеплении (адгезией) с бетоном (около 80% от уровня стальных арматурных прутьев). Для устранения данного недостатка, выпускаются композитные арматуры с финишным покрытием кварцевым песком, которые имеют 100% качество сцепления с бетоном.

В связи с принципиальной возможностью добавления в полимерные смолы пигментов и красителей, по требованию заказчика композитная арматура может изготовляться практически в любом цвете. В таком случае, при непосредственном применении может выполнять даже декоративную функцию.

Разновидности

В литературе различают следующие разновидности композитных арматур (FRP rebar):

1. Стеклопластиковую (АСП, GFRP), образованную волокнами (ровингом) стекловолокна с пропиткой эпоксидной смолой и последующим ее отвердением. Отличается светло – желтым цветом (если в состав не вводились красящие пигменты). Характеризуется:
   - высокой прочностью на растяжение (разрыв), в удельном весовом выражении до 10 раз прочнее стальной арматуры (показатель сопротивления при растяжении до 700 – 1200 МПа (для сравнения – стальной арматуры – до 400 МПа));
   - низкой упругостью – модуль упругости 45 МПа (для стальной арматуры – 200 МПа);
   - малым объемным весом, в 4 раза легче стали (плотность АСП 1,9 г/см3, сталь – 7,85 г/см3);
   - высокой коррозионной стойкостью;
   - нетеплопроводна (не образует «мостики холода»);
   - неэлектропроводна;
   - коэффициент теплового линейного расширения АСП (9 – 12 х 10⁶ К-1) примерно соответствует таковому же как и у бетона, что препятствует его температурному (не морозному!) растрескиванию при больших диапазонах переменных температур;
   - низкой температурной стойкостью – всего 160 град С (определяется свойствами эпоксидных смол).
2. Базальтопластиковую (АБП,BFRP), образованную базальтовым ровингом (волокно, получаемое из расплавленной скальной породы, камня – базальта) с его эпоксидной пропиткой. Характеризуется черным или черно-коричневым цветом, как на поверхности, так и по срезу (контроль цвета базальтовой арматуры на срезе является надежным способом защиты от крашеных подделок). В целом по своим характеристикам является равноценной стеклопластиковой (АСП), принципиально отличаясь от нее (в лучшую сторону):
   - превосходной химической стойкостью к агрессивным средам (соленой морской воде, канализационным, промышленным стокам и т.д.);
   - несколько большим модулем упругости (60 МПа), впрочем, все равно не достигающим показателей стали;
3. Углепластиковую (CFRP) – представляет собой широко известный в машиностроении полимерный материал карбон, или пластифицированный графит (в волокнах, хлопьях) с полимерным связующим (той же эпоксидной смолой). Ее главное преимущество – существенно превосходит малоуглеродистую строительную сталь по прочности – как по сопротивлению на разрыв (2000 – 3000 МПа, что в 5 – 7 раз выше стальной, и 2 – 3 раза выше АСП (АБП)), так и по модулю упругости (150 – 450 МПа). Что делает ее применение возможным и оправданным в ответственных инженерных сооружениях с повышенными статическими и динамическими нагрузками. В остальном же ее характеристики аналогичны другим разновидностям композитных FRP rebar. Ахиллесовой пятой карбоновой арматуры остается низкая температурная стойкость (те же 160 град. С), которую определяет входящая в ее состав эпоксидная смола. Также отличается высокой рыночной ценой, превышающей стоимость стальной арматуры.
4. Арамидную (кевларовую, AFRP) – очевидно из названия, представляет собой арамидное (кевларовое) волокно, пропитанное полимерными смолами. На отечественном рынке практически не представлена. По своим свойствам, вероятно, близка к карбоновой арматуре.

Особенности применения композитной арматуры

Наибольшее распространение на отечественном рынке получили стеклопластиковая (АСП) и базальтопластиковая (АБП) арматуры. Выпускаются в прутьях (канатах) ограниченного диаметра от 4мм до 20мм (АСП (АБП) – 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20). Зарубежными производителями могут выпускаться диаметром до 40 мм (для сравнения – стальная строительная арматура класса А-III может быть сечением до 80мм). Небольшие поперечные диаметры выпускаемых композитных арматур сразу же указывают на ограниченную сферу их применения – неответственные здания и сооружения, их элементы, эксплуатируемые в условиях сравнительно небольших статических и динамических нагрузок.

Применение АСП и АБП арматур значительно удешевляет строительство. Так, если в весовом отношении (за 1 кг, 1 тонну) АСП арматура в 2 раза дешевле стальной, то в объемном выражении (за 1 погонный метр, при одинаковом поперечном сечении) она уже дешевле ее примерно в 4 раза. БСП арматура, при сравнимой стоимости с железной по весу, в объемном выражении (при одинаковом поперечном сечении) все равно будет дешевле ее примерно в 2 раза.

Благодаря своей высокой удельной прочности на растяжение, в соответствующих армобетонных конструкциях (ленточные фундаменты, несущие и внутренние стены, подпорные стенки) композитная арматура может успешно заменять стальную, даже с понижением по диаметру. Что еще больше увеличивает экономическую привлекательность ее применения.

Таблица допустимой замены при продольных нагрузках:

В то же время, в армобетонных конструкциях, работающих с поперечно-упругими напряжениями (нагруженные поперечные балки, плиты перекрытия, незакрепленные опоры, колонны (столбы) с сильной ветровой нагрузкой) допускается замена железной арматуры композитной с увеличением (двукратным) диаметра.

Таблица замены при поперечно-упругих нагрузках:

Легкий удельный вес композитных арматур, заводская упаковка в бухты значительно облегчает их логистику (транспортировку, хранение). Вес и габариты такой бухты (20 – 80кг в зависимости от поперечного сечения, диаметром 1-2м) позволяет с легкостью перевозить ее даже в багажнике легкового автомобиля, выполнять погрузочно-разгрузочные работы без сторонней помощи. Один человек на строительной площадке или при погрузке/выгрузке способен в руках перенести до 200м композитного арматурного прута (сравните этот показатель с железом)!

Применение АСП и АБП арматур в ответственном инженерном строительстве (многоэтажные здания, промышленные цеха, печи, трубы, мостовые переходы и др.) сдерживается их низкой температурной стойкостью, которая составляет всего 160 град. С (для сравнения, у стальной арматуры – не ниже 550 град. С). Ведь она может привести к быстрой потере конструкционной прочности сооружения и его разрушению, например, при возникновении даже небольшого пожара. Также применение композитных арматур в ответственных и высоконагруженных инженерных сооружениях сдерживается их неспособностью к скреплению сваркой, что делает невозможным устройство связной и по-настоящему прочной арморешетки.

Композитная арматура – достаточно новый материал на рынке, потому практического опыта применения накоплено не так много. Но, тем не менее, производителями срок ее службы оценивается не менее чем в 75 – 80 лет.

Сфера применения композитной арматуры

Таким образом, при всей экономической привлекательности (дешевизне) композитных арматур (имеется в виду АСП и АБП), по совокупности своих физических и технологических свойств, их применение является ограниченным: Полностью заменить традиционную стальную арматуру во многих строительных технологиях им пока не удается. Но в тех сферах, где их применение является допустимым, они значительно удешевляют строительство, при сохранении приемлемых (а по некоторым параметрам – даже лучших) механических и физико-химических характеристик инженерных сооружений.

Наиболее распространенными сферами применения композитных арматур являются:

• малоэтажное дачное и коттеджное жилое строительство;
• ленточные фундаменты, кладка легких (обычно – пенобетонных) стен с продольными связями, для построек промышленного или хозяйственного назначения (ангары, боксы, склады, животноводческие сараи, и т.д.);
• в гидротехническом строительстве – при строительстве подпорных стен, берегоукрепительных, причальных стенок, дамб, устройстве искусственных водоемов (бассейнов, фонтанов, прудов, отстойников, дренажей). В таких условиях, в контакте с химически агрессивной средой (соленой морской водой, канализационными, промышленными, отстойными стоками) наилучшие свои качества показывает базальтопластик (АБП);
• в дорожном строительстве, для формирования прочного армированного дорожного полотна, укрепления арморешетками его откосов, в подпорных стенках противооползневой (камнепадной) защиты;
• в растениеводстве, цветоводстве – в качестве рамных элементов легких, дешевых теплиц и парников.