Застосування і використання композитної арматури

Застосування композитної арматури

Довгий час в будівельних технологіях традиційній сталевій арматури практично не було альтернативи. Але прогрес не стоїть на місці, в багатьох областях інжинірингу різноманітні композитні матеріали все наполегливіше витісняють звичний метал. Не залишилася осторонь і будівельна індустрія, де давнє монопольне становище залізної арматури на сьогодні істотно підірвано арматурами композитного походження.

За структурою композитна арматура – це майже завжди сукупність розпушених волокон (рівниці, ровінгу, як проміжний етап у ткацькому виробництві) і полімерних, як правило, термореактивних, епоксидних смол. Зовні вона схожа з аналогічною сталевою арматурою. Являє собою нарізані прямолінійні прути або скручені в бухту довгі канати (під майбутню нарізку), з нанесеними характерними періодичними поперечними ребрами, що слугують для збільшення надійності її зчеплення з бетоном.

Незважаючи на наявність періодичних ребер, звичайна композитна арматура відрізняється деякою поверхневою "слизкістю", яка виражається в зниженому зчепленні (адгезії) з бетоном (близько 80% від рівня сталевих арматурних прутів). Для усунення даного недоліку, виготовляються композитні арматури з фінішним покриттям кварцевим піском, які мають 100% якість зчеплення з бетоном.

У зв'язку з принциповою можливістю додавання в полімерні смоли пігментів і барвників, на вимогу замовника композитна арматура може виготовлятися практично в будь-якому кольорі. В такому випадку, при безпосередньому застосуванні може виконувати навіть декоративну функцію.

Різновиди

В літературі розрізняють такі різновиди композитних арматур (FRP rebar):

1. Склопластикову (АСП, GFRP), утворену волокнами (ровінгом) скловолокна з просоченням епоксидною смолою і наступним її затвердіванням. Відрізняється світло-жовтим кольором (якщо до складу не вводилися фарбувальні пігменти), характеризується:
   - високою міцністю на розтяг (розрив), в питомому ваговому виразі до 10 разів міцніше сталевої арматури (показник опору при розтягуванні до 700 – 1200 МПа (для порівняння – сталевої арматури – до 400 МПа));
   - низькою пружністю – модуль пружності 45 МПа (для сталевої арматури – 200 МПа);
   - малою об'ємною вагою, в 4 рази легше за сталь (щільність АСП 1,9 г /см3, сталь – 7,85 г /см3);
   - високу корозійну стійкість;
   - нетеплопроводна (не утворює "містки холоду");
   - неелектропроводна;
   - коефіцієнт теплового лінійного розширення АСП (9 – 12 х 10 ⁶ К-1) приблизно відповідає такому ж як і в бетоні, що перешкоджає його температурному (не морозному!) розтріскуванню при великих діапазонах змінних температур;
   - низькою температурною стійкістю – всього 160 град С (визначається властивостями епоксидних смол).
2. Базальтопластікову (АБП, BFRP), утворену базальтовим ровінгом (волокно, що отримується з розплавленої скельної породи, каменю – базальту) з його епоксидним просоченням. Характеризується чорним або чорно-коричневим кольором, як на поверхні, так і по зрізу (контроль кольору базальтової арматури на зрізі є надійним способом захисту від фарбованих підробок). В цілому за своїми характеристиками є рівноцінною стеклопластиковій (АСП), принципово відрізняючись від неї (в кращу сторону):
   - чудовою хімічною стійкістю до агресивних середовищ (солоній морській воді, каналізаційним, промислових стоків і т.д.);
   - дещо більшим модулем пружності (60 МПа), втім, все одно не досягає показників стали;
3. Вуглепластикову (CFRP) – є широко відомий в машинобудуванні полімерний матеріал карбон, або пластифікований графіт (в волокнах, пластівцях) з полімерною складовою (тією ж епоксидною смолою). Її головна перевага – істотно перевершує маловуглецеву будівельну сталь по міцності – як по опору на розрив (2000 – 3000 МПа, що в 5 – 7 разів вище за сталеву, і 2 – 3 рази вище АСП (АБП)), так і по модулю пружності (150 – 450 МПа). Що робить її застосування можливим і виправданим у відповідальних інженерних спорудах з підвищеними статичними і динамічними навантаженнями. В іншому ж її характеристики аналогічні іншим різновидам композитних FRР rebar. Ахіллесовою п'ятою карбонової арматури залишається низька температурна стійкість (ті ж 160 град. С), яку визначає входить до її складу епоксидної смоли. Також відрізняється високою ринковою ціною, що перевищує вартість сталевої арматури.
4. Арамідну (кевларовую, AFRP) – очевидно з назви, являє собою арамідне (кевларове) волокно, просочене полімерними смолами. На вітчизняному ринку практично не представлена. За своїми властивостями, ймовірно, близька до карбонової арматурі.

Особливості застосування композитної арматури

Найбільшого поширення на вітчизняному ринку отримали склопластикові (АСП) та базальтопластікові (АБП) арматури. Випускаються в прутах (канатах) обмеженого діаметра від 4мм до 20мм (АСП (АБП) – 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20). Зарубіжними виробниками можуть випускатися діаметром до 40 мм (для порівняння – сталева будівельна арматура класу А-III може бути перетином до 80мм). Невеликі поперечні діаметри випускаються з композитних арматур і відразу ж вказують на обмежену сферу їх застосування – невідповідальні будівлі і споруди, їх елементи, що експлуатуються в умовах порівняно невеликих статичних і динамічних навантажень.

Застосування АСП і АБП арматур значно здешевлює будівництво. Так, якщо у ваговому відношенні (за 1 кг, 1 тонну) АСП арматура в 2 рази дешевше сталевої, то в об'ємному вираженні (за 1 погонний метр, при однаковому поперечному перерізі) вона вже дешевше її приблизно в 4 рази. БСП арматура, при порівнянній вартості із залізною за вагою, в об'ємному вираженні (при однаковому поперечному перерізі) все одно буде дешевше її приблизно в 2 рази.

Завдяки своїй високій питомій міцності на розтягнення, в відповідних армобетонних конструкціях ( стрічкові фундаменти, несучі та внутрішні стіни, підпірні стінки) композитна арматура може успішно замінювати сталеву, навіть зі зниженням по діаметру. Що ще більше збільшує економічну привабливість її застосування.

Таблиця допустимої заміни при поздовжніх навантаженнях:

У той же час , в армобетонних конструкціях, які працюють з поперечно-пружними напруженнями (навантажені поперечні балки, плити перекриття, незакріплені опори, колони (стовпи) з сильним вітровим навантаженням) допускається заміна залізної арматури композитною зі збільшенням (дворазовим) діаметру.

Таблиця заміни при поперечно-пружних навантаженнях:

Легка питома вага композитних арматур, заводська упаковка в бухти значно полегшує їх логістику (транспортування, зберігання). Вага і габарити такої бухти (20 – 80 кг в залежності від поперечного перерізу, діаметром 1-2м) дозволяє з легкістю перевозити її навіть в багажнику легкового автомобіля, виконувати вантажно-розвантажувальні роботи без сторонньої допомоги. Одна людина на будівельному майданчику або при завантаженні /розвантаженні здатна в руках перенести до 200м композитного арматурного прута (порівняйте цей показник з залізом)!

Застосування АСП і АБП арматур у відповідальному інженерному будівництві (багатоповерхові будівлі, промислові цехи, печі, труби, мостові переходи і ін.) стримується їх низькою температурною стійкістю, яка становить всього 160 град. С (для порівняння, у сталевої арматури – не нижче 550 град. С). Адже вона може привести до швидкої втрати конструкційної міцності споруди і його руйнування, наприклад, при виникненні навіть невеликої пожежі. Також застосування композитних арматур у відповідальних і високонавантажених інженерних спорудах стримується їх нездатністю до скріплення зварюванням, що унеможливлює влаштування зв'язанної і по-справжньому міцної арморешеткі.

Композитная арматура – досить новий матеріал на ринку, тому практичного досвіду застосування накопичено не так багато. Але, тим не менше, виробниками термін її служби оцінюється не менше ніж в 75 – 80 років.

Сфера застосування композитної арматури

Таким чином, при всій економічній привабливості (дешевизні) композитних арматур (мається на увазі АСП і АБП), за сукупністю своїх фізичних і технологічних властивостей, їх застосування є обмеженим: Повністю замінити традиційну сталеву арматуру в багатьох будівельних технологіях їм поки не вдається. Але в тих сферах, де їх застосування є допустимим, вони значно здешевлюють будівництво, при збереженні прийнятних (а за деякими параметрами – навіть кращих) механічних і фізико-хімічних характеристик інженерних споруд.

Найбільш поширеними сферами застосування композитних арматур є:

• малоповерхове дачне і котеджне житлове будівництво;
• стрічкові фундаменти, кладка легких (зазвичай – пінобетонних) стін з поздовжніми зв'язками, для будівель промислового або господарського призначення ( ангари, бокси, склади, тваринницькі сараї, і т.д.);
• в гідротехнічному будівництві – при будівництві підпірних стін, берегоукріплювальних, причальних стінок, дамб, влаштуванні штучних водойм (басейнів, фонтанів, ставків, відстійників, дренажів). В таких умовах, в контакті з хімічно агресивним середовищем (солоною морською водою, каналізаційними, промисловими, відстійними стоками) найкращі свої якості показує базальтопластік (АБП);
• в дорожньому будівництві, для формування міцного армованого дорожнього полотна, зміцнення арморешіткамі його укосів, в підпірних стінках протизсувного (каменепадного) захисту;
• в рослинництві, квітникарстві – в якості рамних елементів легких, дешевих теплиць і парників.