Эффективность использования инновационных композитных материалов в строительстве И.С. Птухина1, А.С. Далабаев2, А.Б. Туркебаев3, Д.С. Тлеуханов4, Н.Ж. Бижанов5, А.Е. Далабаева6

November 26, 2019

1-5ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет», 195251, Россия, Санкт-Петербург,

ул. Политехническая, 29. 6Казахский национальный технический университет имени К. И. Сатпаева, 050013, Казахстан, Алматы, ул. Сатпаева, 22а.

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается актуальность замены металлической арматуры на аналоги из композитных материалов с сохранением её физико-механических свойств. Изучены области применения наиболее экономически выгодной композитной арматуры. Представлен подход к замене металлической арматуры на стеклопластиковую. Выполнен расчёт количества арматуры и вязальной проволоки, необходимой для устройства ленточного фундамента. Сравнительный анализ результатов расчёта показал экономическую целесообразность замены стальной арматуры на композитную.

Содержание

1. Введение 85

2. Обзор литературы 85

3. Постановка задачи 86

4. Описание исследования 86

5. Заключение 91

Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014, №9 (24) Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №9 (24)

1. Введение

Известно, что повышение эффективности и долговечности конструкций на современном этапе развития строительной индустрии невозможно без использования современных видов композитных материалов. Композитные материалы широко используются в строительстве. Основные задачи для отечественного производства, в современных экономических условиях, следующие: сократить производственные циклы изготовления; повысить качество изделий; уменьшить производственные затраты.

Композиционный материал — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними [1].

Хотелось бы отметить, что композитная арматура, несмотря на все ее положительные характеристики, используется в России не так активно, как на Западе. В России ее стали использовать только несколько десятилетий назад. Композитная арматура имеет огромные перспективы на рынке строительных материалов. Ее смело можно использовать в закладке фундаментов, в строительстве малоэтажных зданий, прокладке дорог и прочих сооружениях, которые подвергаются постоянному воздействию агрессивных сред [1]. При применении композитной арматуры в строительстве многоэтажных домов или мостов следует также учитывать ее химические и физические свойства еще на этапе проектирования конструкции [2‒4].

Композитная арматура – неметаллические стержни из стеклянных, базальтовых, углеродных или арамидных волокон, пропитанных термореактивным или термопластичным полимерным связующим [1, 5]. Арматуру, изготовленную из стеклянных волокон, принято называть стеклопластиковой (АСП), из базальтовых волокон — базальтопластиковой (АБП), из углеродных волокон – углепластиковой [5‒7]. Для сцепления с бетоном на поверхности композитной арматуры в процессе производства формируются специальные рёбра либо наносится покрытие из песка [8].

В современном строительстве доля затрат на стальную арматуру достигает 20–40% от общей стоимости. Именно поэтому большим потенциалом для снижения стоимости строительства обладает АСП — она прочнее стальной арматуры, в четыре раза легче стали (снижение нагрузки на фундамент) и в 2 раза дешевле [9‒11].

Инновационное производство композитных материалов приводит к повышению конкурентоспособности продукции предприятия, способствует укреплению позиций предприятия на рынке и стимулированию сбыта товара, повышению основных экономических показателей хозяйственной деятельности предприятия [9, 12, 13]. Развивается номенклатура используемых в экономике композитных материалов, что обуславливает низкие капитальные затраты и возможность работы при малом и резко изменяющемся объеме производства.

Применение современных методов по производству композитных материалов позволяет получить качественные продукты, стоимость которых уступает стоимости продукции из металла.

2. Обзор литературы

Исследования в области АСП и её использования при изготовлении железобетонных конструкций не являются новыми. Начало этих исследований в нашей стране было положено ещё во второй половине двадцатого столетия, когда Советский Союз входил в тройку лидеров по исследованию, производству и применению композитных материалов. Большой вклад в изучение композитных материалов, включая и АСП, внесли известные в области теории и практики железобетона учёные: Н.И. Ахвердов, О.Я. Берг, А.А. Гвоздев, Н.Г. Литвинов, В.Ф. Набоков, Л.С. Фридман и другие.

О.С. Середина в своих работах исследовала композитные материалы, привела примеры внедрения инновационных композитных материалов в современное строительство [14,15].

А.Е. Лапшинов в своих работах исследовал композитные арматуры на сжатие, в них приведены результаты исследования работы АСП и БПА на сжатие при испытаниях с различной рабочей зоной. Проанализированы результаты испытаний и механизмы разрушения образцов [11].

В работе В.М. Власова рассмотрены возможности применения АСП для армирования бетона. Исследовались деформативность и несущая способность балок, армированных стальной арматурой и АСП. Проведены сравнительные испытания бетонных балок, армированных стальной и АСП.

Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014, №9 (24) Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №9 (24)

86 Птухина И.С., Далабаев А.С., Туркебаев А.Б., Тлеуханов Д.С., Бижанов Н.Ж., Далабаева А.Е. Эффективность использования инновационных композитных материалов в строительстве. / Ptuhina I.S., Dalabayev A.S., Turkebayev A.B., Tleukhanov D.S., Bizhanov N.Zh, Dalabayeva A.E. Efficiency of innovative composite materials in construction. ©

Установлено, что несущая способность балок, армированных АСП, при кратковременных нагрузках близка к несущей способности железобетонных балок. Однако трещиностойкость балок, армированных АСП, в эксперименте оказалась выше. Рекомендовано использовать АСП при армировании конструкций, в которых есть условия для коррозии стальной арматуры [16].

Т. Елсайед в своих работах исследовал замену стальной арматуры на композитную, так как коррозия стальной арматуры – один из наиболее серьезных недостатков армированного бетона. Для очистки железобетонных конструкций от коррозии необходимы огромные усилия и большие материальные затраты. Использование стеклопластиковой арматуры взамен стальной является разумным решением проблемы коррозии. Проведен сравнительный анализ и по результатам испытаний даны рекомендации [17].

В.Ф. Савин в своих работах исследовал долговечность АСП, основанных на длительной выдержке образцов под постоянной нагрузкой и измерении промежутка времени, отсчитываемого от момента приложения нагрузки к образцу до момента его разрушения. Были проведены различные испытания материалов [18–30].

3. Постановка задачи

Провести сравнительный анализ армирования фундамента традиционной стальной арматурой и композитной.

На основании полученных данных выявить наиболее экономически выгодный вариант армирования фундамента, при этом, не пренебрегая физико-механическими свойствами конструкции.

4. Описание исследования

Для примера рассчитаем количество и диаметр арматуры ленточного фундамента для индивидуального дома размером 6х6 (рисунок 1). Прежде всего, надо определиться с классом и диаметром прутка арматуры.

При выборе диаметра арматуры для нашего дома использовалась программа SCAD.

Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014, №9 (24) Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №9 (24)

Рисунок 1. Двухэтажный дом, размером 6х6

Исходные данные индивидуального двухэтажного дома с размером 6х6 м:

‒ Кирпичные стены толщиной 150 мм. Удельный вес 1 м2 стены – 200‒270 кг/м2.

‒ Чердачное перекрытие деревянными балками с утеплителем, плотностью до 200 кг/м3. Удельный вес 1 м2 перекрытий – 70‒100 кг/м2.

‒ Кровля из шифера. Удельный вес 1 м2 кровли – 40‒50 кг/м2.

‒ Кирпичный дом с деревянными перекрытиями, с утеплителем, плотностью до 200 кг/м3 и кровлей из листовой стали.

Помимо постоянной нагрузки, которая создается весом дома, есть временные нагрузки от ветра и снежного покрова. Средний вес снежного покрова для средней полосы России 100 кг/м2.

Общая сумма нагрузок составляет 55870 кг (таблица 1).

Таблица 1. Сумма нагрузок

Дом

Вес стен, кг

Цокольное перекрытие, кг

Чердачное перекрытие, кг

Вес кровли, кг

Снежный покров, кг

Всего, кг

Кирпичный

40500

5400

600

1470

4900

55870

Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014, №9 (24) Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №9 (24)

Рисунок 2. Ленточный фундамент

В основании дома проектируем ленточный фундамент высотой 1,4 м (рисунок 2). Общая длина такой ленты составит 30 м (24 м периметр и 6 м под внутренней стеной), её общий объем при ширине 40 см – 30.0,4.1,4=16,8м3

Подбор арматуры для фундамента, по итогам расчётов программой SCAD

Была принята арматура продольная (А400) и поперечная (А240). Оптимальный диаметр арматуры –12 мм (рисунки 3, 4) [31].

Рисунок 3. Отображение изополей армирования фундамента [31]

Общая длина ленты фундамента под дом 6 х 6 м, с одной внутренней несущей стеной, составит 30 м (24 м периметр внешних стен и 6 м под внутренней). Расход ребристой арматуры для продольного армирования в 4 прутка составит Вертикальные и поперечные прутки можно устанавливать с шагом 0,4 м, при ширине ленты 40 см и высоте 1400 см, с учетом отступа от поверхности фундамента в 5 см, на каждое соединение понадобится 1,6 м гладкой арматуры диаметра 6 мм. Таких соединений будет 61 штука, общий расход гладкой арматуры составит 97,6 м. Каждое такое соединение имеет 4 связки арматуры. На одну связку нужно 30 см вязальной проволоки, поэтому общий расход вязальной проволоки на ленточный фундамент составит 0,3.4.61=73,2м.

Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014, №9 (24) Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №9 (24)

Рисунок 4. Норма армирования фундамента [31]

Для снижения стоимости ленточного фундамента заменим металлическую арматуру А III, диаметром 12 мм, на стеклопластиковую АСП-8, не пренебрегая физико-механическими свойствами конструкции (таблица 2).

Таблица 2. Равнопрочностная замена

Стеклопластиковая арматура ГОСТ 31938-2012 [32]

Металлическая арматура класса А-III (А400С) ГОСТ 5781-82 [33]

Профиль

Количество погон-ных метров в тонне

Стои-мость, руб./т.

руб./

п.м.

Равнопрочная замена на металл

Цена,

руб./т.

Коли-чество погонных метров в тонне

руб./п.м.

АСП - 6

20 618

334011

16.2

8 АIII

36750

2 531

14,52

АСП - 8

11 299

257617

22.8

12 АIII

27992

1 126

24,86

АСП - 10

7 092

230490

30.5

14 АIII

27985

826

33,88

АСП - 12

4 897

199797

40.8

16 АIII

27960

632

44,24

Для сравнения разницы при замене арматуры в ленточном фундаменте, составили локальную смету для АСП-8 и металлической арматуры АIII диаметром 12 мм (рисунки 5, 6). Для составления сметы использовали программу SmetaWizard.

Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014, №9 (24) Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №9 (24)

Рисунок 5. Локальная смета фундамента с армированием металлической арматуры

Рисунок 6. Локальная смета фундамента с армированием АСП

По результатам сравнения двух материалов выявили разницу в 1073,81 рублей (таблица 3). Экономически целесообразно использовать композитные арматуры (таблица 4).

Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014, №9 (24) Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №9 (24)

Таблица 3. Сравнительная справка стоимости работ по разработке ленточного фундамента

Итог стоимости с металлической арматурой АIII диаметром 12 мм, руб

Итог стоимости с стеклопластиковой арматурой АСП-8, руб

Разница, руб

84891,52

83817,71

1073,81

Таблица 4. Экономия на стоимости материала (без учета дополнительных затрат на транспортировку металлической арматуры)

Цена мет. арматуры за 1 п.м. / руб.

Цена АСП за 1 п.м. / руб.

Расчет

Экономия замены с 1 п.м./руб.

12 – 24,86

8 – 22,80

24,86 – 22,80 =

+ 2,06

14 – 33,88

10 – 30,50

33,88 – 32,50 =

+ 1,38

16 – 44,24

12 – 40,80

44,24 – 40,80 =

+ 3,44

5. Заключение

При сравнении стоимости погонного метра металлической и композитной арматуры одинакового диаметра становится видно, что металлическая арматура дешевле. Но данный подход является ошибочным, поскольку стальная и композитная арматура имеют разную плотность. Соответственно, композитная арматура весом в одну тонну будет примерно в пять раз длиннее стальной арматуры, которая имеет аналогичный вес (при этом диаметр этих двух разновидностей арматуры должен быть одинаковым).

Исходя из анализа сравнения материалов, можно сказать о том, что АСП дешевле и легче аналогов – металлической арматуры. Транспортировку же ее можно осуществлять собственными силами – легковым автотранспортом, в отличие от металлической арматуры. При замене стальной арматуры на АСП, можно экономить с 1 погонного метра от 1,38 до 3,44 рублей. Применение современных методов производства композитных материалов позволяет получить качественный и доступный продукт.

Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014, №9 (24) Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №9 (24)

Литература

[1]. Васильева В.В., Тарнопольского Ю.М. Композиционные материалы. Справочник. М.: Машиностроение, 1990. 183 с.

[2]. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений.

[3]. СНиП 2.02.05-87. Фундаменты машин с динамическими нагрузками.

[4]. СНиП 2.02.01-83. Проектированию оснований зданий и сооружений.

[5]. Альперина В.А. Конструкционные стеклопластики. М.: Химия, 1979. 78 с.

[6]. Kearns J.C., Shambaugh R.L. Polypropylene Fibers Reinforced with Carbon Nanotubes (2002) Journal of Applied Polymer Science. Issue 2. 53 p.

[7]. Manchado M.A.L., Valentini L., Biagiotti J., Kenny J.M. Thermal and mechanical properties of single-walled carbon nanotubes-polypropylene composites prepared by melt processing (2005) Carbon. Vol. 43. Issue 7. Pp. 1499-1505.

[8]. Пономарев А.Н., Моспан Е.А. Анализ направлений использования нанокомпозитной арматуры "астрофлекс" в промышленном и транспортном строительстве // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2011. № 3. С. 69-74.

[9]. Баженов Ю.М. Бетон при динамическом нагружении. М.: Стройиздат, 1970. 272 с.

[10]. Вернигорова В.Н., Макридин Н.И., Соколова Ю.А. Современные методы исследования свойств строительных материалов: учебное пособие. М.: Издательство АСВ, 2003. 240 с.

[11]. Лапшинов А.Е. Исследование работы СПА и БПА на сжатие // Вестник МГСУ. 2014. № 1. С. 52-57.

[12]. Пошаговое учетно-аналитическое обеспечение выбора финансовой стратегии организации // Финансы и кредит. 2007. № 31. С. 235.

[13]. Thwe M.M., Liao K. Characterization of bamboo-glass fiber reinforced polymer matrix hybrid composite (2000) Journal of Materials Science Letters. Vol. 19. Issue 20. Pp. 1873-1876.

[14]. Cередина О.С. Опыт решения проблем коррозии водопропускных труб в США // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2012. № 27. С. 106-110.

[15]. Cередина O.C. Стеклопластиковая арматура в современном строительстве // Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли юга России материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет». 2013. С. 63-70.

[16]. Использование бетонных балок, армированных стальной и стеклопластиковой арматурой / Власов В.М., Бертов В.М., Долгачев А.Д., Донов А.В., Луговой А.Н. // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2005. Т. 244. С. 33-38.

[17]. Behavior of slabs reinforced using square gfrp rebars / Tarek Elsayed, Hesham Haggag, Awad El Hashimy, Ahmed Hassan // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2010. № 1 (13). С. 78-88.

[18]. Продольный изгиб как метод определения механических характеристик материалов / Савин В.Ф., Луговой А.Н., Волков Ю.П., Блазнов А.Н. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. Т. 72. № 1. С. 55-58.

[19]. Испытания на длительную прочность стержней из композиционных материалов / Блазнов А.Н., Волков Ю.П., Луговой А.Н., Савин В.Ф. //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. № 2. С. 44-52.

[20]. Башара В.А., Савин В.Ф. Стеклопластиковая арматура в современном домостроении // Строительные материалы. 2000. № 4. С. 6-8.

[21]. Метод построения силовых зависимостей долговечности для стержней из полимерных композиционных материалов / Савин В.Ф., Верещагин А.Л., Блазнов А.Н., Луговой А.Н., Тихонов В.Б., Быстрова О.В. // Механика композиционных материалов и конструкций. 2008. Т. 14. № 3. С. 332-352.

[22]. Усталостная прочность и выносливость стержней из композиционных материалов / Савин В.Ф., Киселев Н.М., Блазнов А.Н., Верещагин А.Л., Быстрова О.В. // Механика композиционных материалов и конструкций. 2008. № 3. С. 332-352.

[23]. Исследование механических свойств стеклопластиковых стержней методом продольного изгиба / Савин В.Ф., Луговой А.Н., Блазнов А.Н., Волков Ю.П., Хе А.И. // Механика композиционных материалов и конструкций. 2004. № 4. С. 499-516.

[24]. Прогнозирование длительной прочности стеклопластиковой арматуры / Блазнов А.Н., Волков Ю.П., Луговой А.Н., Савин В.Ф. // Механика композиционных материалов и конструкций. 2003. № 4. С. 579-592.

[25]. Исследование прочности и устойчивости однонаправленных стеклопластиковых стержней при осевом сжатии / Блазнов А.Н., Савин В.Ф., Волков Ю.П.,Тихоно В.Б. // Механика композиционных материалов и конструкций. 2007. № 3. С. 426-440.

[26]. Тechnique for determination of the strength of fiber glass reinforcement under interlayer shearing / Volkov Yu.P., Blaznov A.N., Lugovoi A.N., Savin V.F. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2005. № 11. С. 39-41.

[27]. Тихонов В.Б., Блазнов А.Н., Савин В.Ф. Метод испытаний стеклопластиков на статическую долговечность // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. № 9. С. 63-67.

[28]. Обработка и анализ термомеханических кривых полимерных композиционных материалов / Савин В.Ф., Старцев О.В., Волков Ю.П., Жаринов Ю.Б., Махоньков А.Ю., Маркова А.В. // Деформация и разрушение материалов. 2010. №8. С. 33-37.

[29]. Испытания на коррозионную стойкость напряженных стержней из полимерных композиционных материалов / Маркова А.В., Савин В.Ф., Жаринов Ю.Б., Блазнов А.Н. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. № 11. С. 56-59.

[30]. Аutomated information measurement system for determination of mechanical characteristics for polymer composite materials by longitudinal bending / Loktev M.J., Abanin V.A., Savin V.F., Ermolaev D.A., Suranov A.Y. (2010) В сборнике: 2010 IEEE 2nd Russia School and Seminar on Fundamental Problems of Micro/Nanosystems Technologies, MNST'2010 Novosibirsk. Pp. 26-28.

[31]. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры.

[32]. ГОСТ 31938-2012. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия.

[33]. ГОСТ 5781-82. Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия.