ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТНОЙ АРМАТУРЫ

December 10, 2019

А.М. Уманский, А.Т. Беккер

УМАНСКИЙ АНДРЕЙ МИХАЙЛОВИЧ – аспирант Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток), инженер комплексного отдела проектирования (НПО «ГИДРОТЕКС»).
E-mail: turman_uma@mail.ru
БЕККЕР АЛЕКСАНДР ТЕВЬЕВИЧ – доктор технических наук, директор Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: abekker@mail.ru


ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТНОЙ АРМАТУРЫ


Рассмотрены перспективы внедрения композит-бетонных конструкций в России. Проанализированы основные сложности и препятствия применения композитных армирующих материалов, предложены мероприятия, выполнение которых расширит практическую область использования композит-бетонных конструкций.
Ключевые слова: композитное армирование, перспективы композит-бетона, проблемы применения.


Интерес к композитной арматуре появился в середине XX столетия в связи с рядом обстоятельств. Расширилось применение армированных бетонных конструкций в ответственных сооружениях, эксплуатируемых в сильно агрессивных средах, где трудно было обеспечить коррозионную стойкость стальной арматуры. Возникла необходимость обеспечения антимагнитных и диэлектрических свойств некоторых изделий и сооружений. Наконец, надо учитывать перспективу – ограниченность запаса руд, пригодных для удовлетворения непрерывно растущих потребностей в стали и всегда дефицитных легирующих присадках.

Совершенствование свойств стальной арматуры достигло предела: ее принимаемые по действующим стандартам механические и технологические свойства достаточны для решения подавляющего большинства задач при минимально возможной себестоимости ее применения в железобетоне. Однако существует перечень работ, для которых экономически обоснованной альтернативой является композитная арматура – диэлектрик, обладающий высокой химической стойкостью и радиопрозрачностью.

Основой композитной арматуры как изделия является материал, который формируют из композитного волокна (базальтового, стеклянного, арамидного, углеродного) и связующего– термореактивной синтетической смолы (пластика). Ввиду высокой стоимости арматуры из углеродного и арамидного волокна распространения не получили, поэтому в настоящей статье речь пойдет об арматуре из базальтового и стеклянного волокна (ровинга). В Германии, Нидерландах, СССР, США, Японии и других странах были проведены научные исследования (они продолжаются и сегодня) неметаллической арматуры, позволившие начать ее практическое применение. В качестве несущей основы высокопрочной неметаллической арматуры было выбрано непрерывное тонкое высокопрочное стеклянное волокно диаметром 10–15 мкм, нити которого формовали в виде монолитного стержня с использованием синтетических смол (эпоксидной, эпоксифенольной, полиэфирной и др.). К волокну предъявлялись повышенные требования к сохранению прочности в щелочной среде бетона и высокому сопротивлению растяжению. В последние годы в России пришли к выводу, что целесообразнее использовать вместо стеклянного волокна базальтовое, производство которого менее трудоемко, а сырье вполне доступно. Такую арматуру стали использовать в различных сооружениях. Получили применение углеродные и арамидные волокна с более высокими механическими свойствами, расширен сортамент арматуры за счет витых канатов, возведено более десятка автодорожных и пешеходных мостов с различными пролетами [6]. Цель данной статьи – проанализировать перспективы применения композит-бетонных конструкций, рассмотреть существующую теоретическую и практическую базу применения композитных материалов в армировании, определить, какие мероприятия необходимо провести для расширения области применения данного вида армирования. За последние годы в России научные и производственные организации освоили производство неметаллических композитных элементов гибких связей. В основном выпускают стеклопластиковые гибкие связи и анкерные стержни, в то время как к арматуре бетонных конструкций предъявляются особые требования, касающиеся длительной прочности, сцепления с бетоном, модуля упругости и т.д. Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ) им. А.А. Гвоздева (Москва) разработал новый способ безфильерного изготовления композитной арматуры периодического профиля – метод нидлтрузии. При таком способе производства стержень, состоящий из волокнистых нитей, пропитанных полимерным связующим, сначала разделяют на отдельные части, пропускают по раздельным каналам, после чего вновь соединяют с одновременной спиральной оплеткой и натягом обмоточного жгута, внедряющегося в пучок волокон. Авторами получены патенты на технологию производства арматуры. Арматура, изготовленная методом нидлтрузии, имеет высокие анкерующие свойства в бетонной среде, надежное крепление спиральной обмотки на силовом стержне, а также высокие физико-механические свойства. Совершенствование технологии производства позволило повысить физико-механические характеристики композитной арматуры АСП (арматура стеклопластиковая), и АБП (базальтопластиковая). На основании результатов исследований разработаны технические условия «Арматура неметаллическая композитная периодического профиля» (ТУ 5769-248-35354501-2007). На предприятии ОАО «Моспромжелезобетон» при участии НИИЖБ и ООО «Промтрест-18» были изготовлены и испытаны образцы дорожных плит ПД 3×1,75-2АСП; 3×1,75-2АБП с неметаллической арматурой производства ООО АСП (г. Пермь) и металлической арматурой. В результате испытаний установлено следующее:максимальный момент, при котором произошло разрушение плиты, армированной металлической арматурой А500С, составил 1,12 т*м, а плиты, армированной базальтопластиковыми стержнями производства ООО АСП, – 1,5 т*м; момент трещинообразования образцов был равен соответственно 0,46 и 0,45 т*м; ширина раскрытия трещин для железобетонной плиты составляла: при М=0,77 т*м –0,1 мм, при М=1,0 т*м – 0,2 мм, а для плиты, армированной базальтопластиковой арматурой:при М=0,77 т*м – 1,5 мм, при М=1,08 т*м – 2,0 мм;максимальное перемещение плиты составило соответственно 2,7 и 8,0 см.

В плите с базальтопластиковыми стержнями после образования трещин на каждом этапе загружения наряду с интенсивным раскрытием трещин отмечено существенное перемещение плиты. Следует отметить, что вследствие малых относительных деформаций базальтопластиковых стержней, сопоставимых, по-видимому, с деформациями сжатого бетона, разрушений последнего не происходит, что и вызывает существенные перемещения плит. Испытания показали достаточную надежность сцепления базальтопластиковой арматуры с бетоном, о чем свидетельствуют равномерный по длине образца шаг трещин в бетоне растянутой зоны и отсутствие продергивания стержней, вплоть до разрушения образцов. Проведенные исследования подтвердили принципиальную возможность использования неметаллической композитной арматуры в элементах конструкций, работающих на упругом основании. Созданы рабочие чертежи дорожных плит массового изготовления размером 3,0×1,75×0,14 м (шифр НСК 296-07), армированных неметаллической композитной арматурой и предназначенных для покрытий внутрипостроечных и объездных дорог. НПФ “Уралспецарматура” разработан технический регламент “Неметаллическая композитная арматура для строительных работ”, где приведена таблица сравнительных характеристик металлической и композитной арматуры (табл. 1) [3].Также в данном регламенте приведена таблица равнозначной замены стальной арматуры на неметаллическую (табл. 2). Расчет и конструирование бетонных изделий производились в соответствии СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения», а также по «Рекомендациям по расчету конструкций со стеклопластиковой арматурой» Р-16-78 (НИИЖБ, 1978).

Таблица 1
Сравнительные характеристики металлической и композитной арматуры

Характеристики

Металлическая арматура А3 (А400С) ГОСТ 5781-82

Неметаллическая арматура

Временное сопротивление разрыву, МПа

б в = 390;

брасч= 360

ТУ 5769-183-40886723-2004

АСП: бв= 1 000;

брасч= 900;

АБП: бв= 1 100;

брасч= 1 000

ТУ 5769-248-35354501-2007

АСП: бв= 1 200;

брасч= 1 100;

АБП: бв= 1 300;

брасч= 1 200

Модуль упругости, МПа

Ер= 200 000

ТУ 5769-183-40886723-2004

АСП: Ер = 41 000;

АБП: Ер = 47 000

ТУ 5769-248-35354501-2007

АСП: Ер = 55 000;

АБП: Ер = 71 000

Относительное удлинение, Е, %

14

2,2

Плотность, γ, г/см3

7,8

1,9

Коррозионная стойкость

Коррозирует с выделением ржавчины

Не коррозирует

Теплопроводность

Теплопроводима

Нетеплопроводима

Электропроводность

Электропроводна

Неэлектропроводна

Теплостойкость

Испытана в среде горячего

асфальтобетона (~ 200 °С) и

при пропаривании бетонных

изделий (~ 100 °С).

Потери прочности не выявлено

Морозостойкость

Испытана в климатической камере

в режиме замерзания и оттаивания

до температу ры – 55 °С

в течении 100 циклов.

Потери прочности не выявлено

Таблица 2
Равнозначная замена стальной арматуры на неметаллическую

Металлическая арматура А3 (А400С) ГОСТ 5781-82

Неметаллическая композитная арматура АСП ТУ 5769-248-35354501-2007

6 А3

Fсеч = 28,3 мм2

Ррасч = 10 200 н

5 АСП

Fсеч = 10,2 мм2

Ррасч = 10 200 н

8 А3

Fсеч = 50,3 мм2

Ррасч = 18 100 н

6 АСП

Fсеч = 18,2 мм2

Ррасч = 18 100 н

10 А3

Fсеч = 78,5 мм2

Ррасч = 28 300 н

7 АСП

Fсеч = 28,3 мм2

Ррасч = 28 300 н

12 А3

Fсеч = 113,1 мм2

Ррасч = 40 720 н

8 АСП

Fсеч = 40,7 мм2

Ррасч = 40 720 н

14 А3

Fсеч = 154 мм2

Ррасч = 55 450 н

10 АСП

Fсеч = 55,5 мм2

Ррасч = 55 450 н

16 А3

Fсеч = 201 мм2

Ррасч = 72 360 н

11 АСП

Fсеч = 72,4 мм2

Ррасч = 72 360 н

18 А3

Fсеч = 254 мм2

Ррасч = 91 450 н

12 АСП

Fсеч = 91,5 мм2

Ррасч = 91 450 н

20 А3

Fсеч = 314 мм2

Ррасч = 113 040 н

13 АСП

Fсеч = 113 мм2

Ррасч = 113 040 н

22 А3

Fсеч = 380 мм2

Ррасч = 136 800 н

14 АСП

Fсеч = 137 мм2

Ррасч = 136 800 н

Насколько можно доверять данным регламента, сложно судить. За основу взята существующая теория расчета железобетонных конструкций. Для расширения областей применения композитной неметаллической арматуры и детального изучения ее совместной работы с бетоном целесообразно продолжить исследования и провести испытания конструкций различного назначения. Особый интерес представляет использование неметаллической арматуры в предварительно напряженных железобетонных конструкциях. Однако для изготовления таких конструкций в заводских условиях препятствием является отсутствие захватных приспособлений и оснастки, которые предстоит разрабо-тать.Наибольшим препятствием в применении композитной арматуры является полное отсутствие какой-либо нормативной базы. Единственными упоминаниями в действующих ТНПА являются следующие пункты ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии»:

- п. 6.10: в среднеагрессивных и сильноагрессивных средах для армирования конструкций без предварительного напряжения рекомендуется применять неметаллическую композиционную арматуру, за исключением изгибаемых элементов;

- п. 8.13: в конструкциях, подвергающихся электрокоррозии, допускается заменять стальную арматуру на неметаллическую (базальтопластиковую, стеклопластиковую и др.) при соответствующем обосновании [1]. СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» конкретизирует:

-п. 5.3.2: Для железобетонных конструкций следует применять следующие виды арматуры, установленные соответствующими стандартами:
- горячекатаную гладкую и периодического профиля диаметром 3–80 мм;
- термомеханически упрочненную периодического профиля диаметром 6–40 мм;
- механически упрочненную в холодном состоянии (холоднодеформированная) периодического профиля или гладкая, диаметром 3–12 мм;
- арматурные канаты диаметром 6–15 мм;
- неметаллическую композитную арматуру»;
п. 5.3.3: К неметаллической арматуре (в том числе фибре) предъявляют также требования по щелочестойкости и адгезии к бетону» [4].
Использование композитной арматуры в армировании бетонных конструкций весьма
перспективное направление, но для расширения области ее применения в строительстве необходимо выполнить следующие мероприятия:
- разработать стандарты, регламентирующие требования к качеству арматуры, ее механическим свойствам и методам контроля;
- разработать строительные нормы, регламентирующие правила расчета и конструирования композитобетонных конструкций и устанавливающие требования к контролируемым
параметрам в предельных состояниях;
- подготовить предложения по оценке характеристик периодического профиля арматуры;
- разработать типовые решения, обеспечивающие требуемый уровень огнестойкости
композитобетонных конструкций;
- стандартизировать гнутые изделия.
До реализации данных мероприятий выполнять проектирование композитобетонных
конструкций возможно только с использованием зарубежных норм проектирования и исключительно под арматуру конкретного производителя [2]

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 31384-2008. Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии: бщие
технические требования. М., 2010. (Стандартинформ).
13
2. Лешкевич О.Н. Перспективы применения композитной арматуры // Третий междунар.
симп. «Проблемы современного бетона и железобетона». Белгород, 9–11 ноября 2011.
URL: http://www.twirpx.com/file/664098/ (дата обращения: 10.06.2012).
3. Неметаллическая композитная арматура для строительных работ / НПФ «Уралспецарма-
тура». Пермь, 2008. 6 с.
4. СНиП 52-01-2003 “Бетонные и железобетонные конструкции”. Введ. 30.06.2003. М., 2004.
5. СТБ 1103-98 «Арматура стеклопластиковая. Технические условия». Введ. 01.10.1998.
6. Фролов Н.П. Стеклопластиковая арматура и стеклопластбетонные конструкции. М.:
Стройиздат, 1980. 104 с.