Перспективы применения композитной арматуры

УДК 681.326.

А.Т. Беккер, А.М. Уманский

БЕККЕР Александр Тевьевич - доктор технических наук, директор Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: abekker@mail.ru, УМАНСКИЙ Андрей Михайлович - аспирант, Инженерная школа (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток. E-mail: turman_uma@mail.ru. © Беккер А.Т., Уманский А.М., 2012

Перспективы применения композитной арматуры

Рассмотрены перспективы применения композит-бетонных конструкций в России, а также основные сложности и препятствия применения композитных армирующих материалов. Предложены мероприятия, выполнение которых расширит практическую область применения композит-бетонных конструкций. Ключевые слова: композитное армирование, перспективы композит-бетона, проблемы применения, необходимые мероприятия.

Prospects of composite reinforcement. Aleksandr T. Bekker, Andrey M. Umanskiy - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

This paper aims to show the prospects of the composite-concrete structures in Russia. Take into consideration the main difficulties and obstacles to use of composite reinforcing materials. This article summarize the measures, implementation of which will expand the scope of the practice area of the composite-concrete structures. Key words: composite reinforcement, prospects of composite-concrete structures, difficulties of use, necessary measures.

Интерес к композитной арматуре возник в середине XX столетия в связи с рядом обстоятельств. Расширилось применение армированных бетонных конструкций в ответственных сооружениях, эксплуатируемых в сильноагрессивных 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 того уровня, выше которого развитие, наконец, нецелесообразно в теории и на практике. Механические и технологические свойства по действующим стандартам достаточны для решения большинства задач при минимально возможной себестоимости ее применения в железобетоне. Однако существует перечень задач, в которых экономически обоснованной альтернативой служит композитная арматура, являющаяся диэлектриком и обладающая высокой химической стойкостью и радиопрозрачностью.

Основой композитной арматуры как изделия является материал, который формируют из композитного (базальтового, стеклянного, арамидного, углеродного) и связующего волокна - термореактивной синтетической смолы (пластика). Из-за высокой стоимости арматуры из углеродного и арамидного волокна распространения не получили, поэтому далее в настоящем сообщении речь пойдет о более рентабельной арматуре из базальтового и стеклянного волокна (ровинга).

В Германии, Нидерландах, СССР, США, Японии и других странах были проведены научные исследования, позволившие приступить к практическому решению проблемы. 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. Отечественный опыт последних лет показал, что целесообразнее использовать вместо стеклянного волокна базальтовое, производство которого менее трудоемко, а сырье вполне доступно. Научные исследования в области неметаллической арматуры за рубежом значительно продвинулись, и ее 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.

Цель данной работы - 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.

Многочисленные публикации по изучению неметаллической арматуры в мировой научной литературе подтверждают перспективность этого материала и необходимость интенсификации исследований в этой области. За последние годы в России научные и производственные организации освоили выпуск неметаллических композитных элементов гибких связей. В основном производятся стеклопластиковые гибкие связи и анкерные стержни. Однако к арматуре бетонных конструкций, в отличие от гибких связей, предъявляются особые требования, касающиеся длительной прочности, сцепления с бетоном, модуля упругости и т.д. [4, 5].

НИИЖБ им. А. А. Гвоздева 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 и АБП (АСП - стеклопластиковая, АБП - базальтопластиковая). На основании результатов исследований разработаны технические условия «Арматура неметаллическая композитная периодического профиля» (ТУ 5769-248-35354501-2007). Напредприятии 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.

1. Максимальный момент, при котором произошло разрушение плиты, армированной металлической арматурой А500С, составил 1,12 тм, а плиты, армированной базальтопластиковыми стержнями производства ООО «АСП», - 1,5 тм.

2. Момент трещинообразования образцов был равен соответственно 0,46 и 0,45 тм.

3. Ширина раскрытия трещин для железобетонной плиты составляла: М=0,77 тм - 0,1 мм, М=1,0 тм -0,2 мм. Для плиты, армированной базальтопластиковой арматурой: М=0,77 тм - 1,5 мм, М=1,08 тм - 2,0 мм.

4. 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 наблюдалось 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 перемещения плит. Испытания показали достаточную надежность сцепления базальтопластико-вой 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. Уже сделаны 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. 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 разработать.

Наибольшим препятствием в применении композитной арматуры является полное отсутствие какой-либо нормативной базы. Единственными упоминаниями в действующих ТНПА являются пп. 6.10 и 8.13 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].

В СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» [3]:

«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 гладкую, 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 щело-честойкости и адгезии к бетону».

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 компози-тобетонных 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 композитобетон-ных 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. Общие технические требования. М.: Стандартинформ, 2010. 46 с.

2. Лешкевич О.Н. Перспективы применения композитной арматуры // Третий междунар. симп. «Проблемы современного бетона и железобетона»: докл. Минск, 2011. С. 16-19.

3. СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. М., 2004. 29 с.

4. СТБ 1103 Арматура стеклопластиковая. Технические условия. Минск, 2010. 14 с.

5. Фролов Н.П. Стеклопластиковая арматура и стеклопластбетонные конструкции. М.: Стройиздат, 1980. 104 с.

X