Перспективы применения композитной арматуры в морском гидротехническом строительстве

УДК 691.328.43

© А.В.Завгороднев, А.М.Уманский, А.Т.Беккер, Е.К. Борисов 2014

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТНОЙ АРМАТУРЫ В МОРСКОМ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Описана история применения композитной арматуры в мировой практике. Даны краткие данные о технологии производства композитных арматур. Проанализированы перспективы применения композитной арматуры в гидротехническом строительстве. Дан список и краткое описание сооружений, применяемых в морском гидротехническом строительстве, перспективных для применения композитных арматур.

Ключевые слова: композитная арматура, гидротехническое строительство, проблемы, перспективы.

Впервые такое понятие как, армирование строительных конструкций зародилось в начале нашей эры, когда для этих целей использовали конский волос, добавленный в глину [1].Появление опытных композитных стройматериалов относят к концу 30-х годов, когда ученые Р. Джеймсон и Д. Крафт из Технического Университета Мичигана в США впервые получили положительные результаты от применения хлопкового волокна, пропитанного в смоле, конечные высокие характеристики которому придавало запекание в печи под давлением 2-4 атмосферы. В 1941 году вопрос целесообразности применения композитов в строительстве обсуждался в КонгрессеСША и получил положительную резолюцию.

В США с 1970-х годов преуспели в научном поиске решений производства неметаллической арматуры в промышленных масштабах благодаря проведенным исследованиям свойств фенолов, эпоксидов и полиэфиров. Стеклоровинг, как и стеклоткань, кар-боновое волокно и углеволокно уже прочно заняли своё положение на рынке и на практике доказали более высокие характеристики на разрыв, упругость, меньший объемный весчем у других материалов и по некоторым показателям превосходили металл. Поэтому, появление неметаллической арматуры было вполне логичным явлением для быстроразвивающейся экономики. Темпы

внедрения в строительство первое десятилетие были не высокими, ввиду низкой скорости производства пластиков пока в 1986 году не появился метод пултрузии, который в 1,5-2 раза позволил уменьшить себестоимость арматуры. Именно с этой даты началось завоевание рынка армирующих материалов США, который на данный момент состоит на 20% из неметаллической арматуры.

Использование неметаллической арматуры в Европе началось в Германии, при постройке автодорожного моста из бетона, армированногопреднапряженными стержнями FRP (fibrorein-forcedpolymer) в 1986 году. В Германии в начале 80-х годов стек-лопластиковую арматуру стали применять для армирования бетонных мостов. В г. Дюссельдорф построен мост для пешеходного движения. Автодорожный двухпролётный мост шириной 15 м на Уленбергштрассей, армированный стеклопластиковыми стержнями, открыт для движения в 1987 г. Максимальная неподвижная нагрузка для транспорта составляет 600 кН. Длина пролётов — 21,3 и 25,6 м [2].

После постройки моста в Европе были запущены программы по исследованию и использованию арматуры из FRP. В рамках европейского проекта BRITE/EURAMProject, «Элементы из волоконных композитов и технология применения неметаллической арматуры» с 1991 по 1996 годы были проведены испытания и анализ материалов из FRP. Позднее, компания EUROCRETE возглавила европейскую программу исследований и демонстрационных проектов в области композитной арматуры [3].

Вплоть до середины 90-х годов в Японии широкоераспростра-нениеполучила арматуры из FRP^ этому времени в стране были реализованы более 100 демонстрационных и коммерческих проектов с ее применением. Детальнаяинформацияпопроектированиюс FRP быливключеныврекомендации «Recommendation for design and construction of concrete structures using continuous fibre reinforcing materials» JSCE (1997) [3]. В 1986 г. и 1988 г. в Японии построены мосты, в конструкции которых применена напрягаемая углепластиковая арматура. Положено начало использованию неметаллической арматуры в конструкциях морских портовых сооружений [2].

К середине 90-х годов Китай становится крупнейшим в Азии потребителем композитной арматуры, используя её при строительстве различных сооружений, начиная от мостовых настилов и заканчивая проведением подземных работ [3].

Канадские инженеры разработали положения по применению для арматуры из БИР для Канадского свода норм проектирования автодорожных мостов и построили серию демонстрационных проектов. При постройке моста Неа&^1еу в Манитобе была использована арматура из CFRP(Carbon-fiber-reinforcedpo1ymer) и GFRP(G1assFiberReinforcedPo1ymer). Кроме того, при постройке моста на KentCountyRoadNo. 10 была использована арматура из СБИР для армирования зон отрицательного момента. При постройке моста JoffreBridge через реку Сен-Франсуа, расположенном в Шербруке, Квебек, была использована арматура из СБИР на напорных плитах, а также арматура из GFRP на дорожном заграждении и тротуаре.

В СССР же, исследования по созданию и изучению свойств высокопрочной неметаллической арматуры, определению областей её применения были начаты в 60-х годах прошлого века[2]. В 1978 году Научно-исследовательский институт бетона и железобетона Госстроя СССР НИИЖБ разработал «Рекомендации по расчету конструкций со стеклопластиковой арматурой» Р-16-78. В документе содержатся основные положения по расчету конструкций из бетона со стеклопластиковой арматурой. Приведены требования к материалам для стеклопластбетонных конструкций. Рекомендованы области их применения.

Уже через десять летв СССР композитная арматура нашла свое применение в конструкциях из ячеистых бетонов, а также в сваях, балках, электролизных ваннах, опорных конструкциях, плитах крепления откосов, без изоляторных траверсах и других конструкциях.Например, в 1972 г. в районе Ставрополя сдан в эксплуатацию опытный участок ЛЭП-35 кВ с электроизолирующими стеклопластбетонными траверсами. Конструкция траверса состояла из трёх предварительно напряжённых стеклопластбе-тонных элементов (лучей), соединённых болтами на стальной пластине, которая хомутами закреплялась на вершине железобетонной опоры [2].

В Хабаровском крае в 1989 году был построен мост, с применением стеклопластиковой арматуры. В поперечном сечении пролётного строения длиной 15 м установлено 5 ребристых без уширения в нижней зоне балок. Армирование балок пролётного строения моста было принято комбинированным: создание на-

чальные напряжений в них осуществлялось четырьмя пучками по 24 стеклопластиковых стержня диаметром 6 мм в каждом и одним типовым пучком из стальных проволок. Армирование балок не напрягаемой арматурой классов А-1 и А-11 было оставлено без изменений [2].

Первая непрерывная технология изготовления композитной арматуры в СССР, была разработана в 60-х годах. Было начато производство арматуры диаметром 6 мм из щелочестойкого стекловолокна мало-циркониевого состава марки Щ-15ЖТ, подробно изучены физико-механические свойства. Особое внимание уделялось изучению химической стойкости и долговечности стеклянного волокна и арматуры на её основе в бетоне и различных агрессивных средах [2] .После проведения этих исследований, стало возможным получение стеклопластиковой арматуры со следующими показателями: временное сопротивление разрыву до 1500 МПа, начальный модуль упругости порядка 50000 МПа, плотность 1,8-2,0 т/м3 при весовом содержании стекловолокна 80%. Диаграмма арматуры при растяжении практически прямолинейна до разрыва, предельные деформации к этому моменту достигают 2,5-3,0%; долговременная прочность арматуры в нормальных температурно-влажностных условиях составляет 65% её временного сопротивления, коэффициент линейного расширения 5,5-6,5-10 [2]. Для улучшения сцепления арматуры с бетоном перед термической обработкой стержней, на них навивалась по спирали с усилением стеклянная нить, которая создавала ребристую поверхность [2].

В 1986 состоялся значительный прорыв в области производство композитной арматуры — появилась новая, существенно ускорившая процесс производства технология под названием пултрузия, суть её заключалась в следующем. Стекломатериал сматывался со специальных катушек в сухом состоянии и поступал в устройство пропитки пултрузионного станка, где смачивался полиэфирной, эпоксидной или другой смолой. Под высоким давлением и температурой, приблизительно равной 120150 оС, стекловолокно и смола превращались в особо прочный материал.

Методом пултрузии можно получить изделия с любым профилем — стержень, уголок, труба, короб и так далее. Получен-

ный стеклопластиковый профиль сочетает в себе уникальные свойства дерева, металла и полимера:

• высокую механическую и диэлектрическую прочность;

• устойчивость к агрессивным средам и резким перепадам температур;

• биологическую и атмосферную стойкость [4].

Даже учитывая то, что данный метод значительно повысил скорость производства неметаллической арматуры, необходимость в большем объеме выпускаемой продукции заставила ученых искать новый способ её изготовления. При разработке новой технологии изготовления неметаллической арматуры пригодной для промышленного производства решали следующие вопросы [5]:

• уменьшить или ликвидировать граничное трение волокон стержня в фильерном комплекте, что позволит повысить производительность процесса;

• создать надежное сцепление рельефности со стержнем на уровне прочности композита;

• создать непрерывную рельефность на стержне арматуры [5].

В результате НИИЖБ был создан новый высокопроизводительный безфильерный способ изготовления неметаллической арматуры непрерывной рельефности - «Нидлтрузия», что обозначает формование на игле.А также, разработана технологическая линия, позволяющая получить арматуру с двумя видами рельефа:

• спиральных выступов, образованных за счет намотки и надежного крепления обмоточного жгута;

• спиральных углублений (канавок), образованных за счет обжатия несущего стержня технологическим жгутом, который сматывается после отверждения арматуры [5].

В первом случае обмоточный жгут выполняется из таких же материалов,как и несущий стержень, пропитывается полимерным связующим и имеет хорошую адгезию со стержнем.

Во втором случае обмоточный жгут выполняется из материалов, не пропитываемых полимерным связующим, и при последующем съеме легко снимается с несущего стержня, оставляя спиральную канавку [5].

При использовании этого метода скорость изготовления арматуры возросла как минимум в 4 раза, по сравнению с предыдущей технологией производства и стала равна 120 м/ч.

Основываясь на российской и зарубежной литературе, можно выделить основные виды неметаллической арматуры:

• стеклопластиковая;

• базальтопластиковая;

• углепластиковая;

• кевларовая;

• арамидопластиковая.

Из всех перечисленных видов арматуры, наиболее высокими физико-механическими свойствами обладают углепластиковая и арамидопластиковая арматура, но из-за своей высокой стоимости их применяют достаточно редко, в отличие от базальто и стекло-пластиковой.

Техническая документация по использованию и изготовлению неметаллической арматуры в России, развита существенно в меньшей степени, чем за рубежом. До сих пор нет ни одного документа, точно регламентирующего то, каким образом должен производиться расчет конструкций с использованием композитной арматуры. За рубежом же дело обстоит иначе- существует изрядное количество норм и руководств, по изготовлению, монтажу и расчету сооружений с использованием данного материала. Например, С8Л8807 «Технические условия по полимерным материалам, армированным волокном» — нормы Канадской ассоциации по стандартизации, ЛС1 440.6 «Технические условия по арматурным стержням на основе углеродного и стекловолокна для бетона» - Американского института бетона.

Таблица 1

Физико-механические характеристики и стоимость

Наименование Единица Численное значение

показателя измерения АСП* АБП* АУП*

Временное сопротив- МПа > 1200 > 1300 > 2000

ление разрыву

Модуль упругости МПа > 55000 >71000 > 130000

Относительное удли- % > 2,2 > 2,2 > 2,4

нение

Плотность т/м3 > 1,9 > 1,9 > 1,4-1,6

Примечания. АСП — арматура стеклопластиковая; АБП — арматура стеклопластиковая базальтопластиковая; АУП - арматура углепластиковая.

Такая ситуация легко объясняется тем, что в свое время в СССР был построены ряд удачных объектов, но после этого исследования в области композитных материалов резко снизились, и только недавно по инициативе Московского правительства в 2000 г. были возобновлены исследования по разработке базаль-топластиковой арматуры повышенной долговечности. В остальном мире, темпы производства и использования неметаллической арматуры постоянно росли, этим и обусловлено наличие такого количества нормативной документации. Принципы проектирования установлены на основе широкомасштабных исследований и опыта эксплуатации, полученного на основе практики по обслуживанию конструкций, когда композитная арматура утверждена на конкурсной основе среди поставщиков. Существуют четкие положения, касающиеся испытаний проводимых в целях сертификации, указаны допустимые составляющие материалов, ограничения по их объемам и минимальные рабочие требования [6]. Например, к стекло, базальто и арамидному волокну добавляют только винилэфирную смолу, а к углеволокну - эпоксидную, при условии, что объемная доля волокна по массе должна составлять 70-88%.

Так же в АС1 440.6 указаны особые свойства композитной арматуры, алгоритм проектирования и коэффициент устойчивости, детализация, технические условия по материалам и строительству. Подготовка композитных стержней, укладка (включая требования к покрытию, опорные элементы арматуры), ремонт, и нарезка на месте строительства [6]. Особое внимание необходимо уделять контролю качествана каждом этапе строительства, в частности при работе с новыми, в достаточной степени не изученными материалами. Перед выполнением строительных работ, инженеры должны определить насколько свойства композитной арматуры, приемлемы, либо необходимо провести независимые экспертизы. Рекомендуемые методики испытаний можно найти в С8А8807.

Замена стальной арматуры на неметаллическую, исключает повреждение армированных конструкций из-за коррозии стали и разрушения защитного слоя, позволяет сохранить качество и внешний вид конструкций в процессе эксплуатации, снизить эксплуатационные расходы за счёт увеличения межремонтного пе-

риода [7]. Но до сих пор остается открытым вопрос, какие конструкции с композитной арматурой могут быть востребованы.

Далее, рассмотрим основные достоинства и недостатки неметаллической композитной базальтопластиковой и стеклопла-стиковой арматуры:

Достоинства:

• Композитная арматура имеет примерно в 2,5-3 раза большую прочность на разрыв, чем стальная при равном диаметре;

• Композитная арматура примерно в 5 раз легче, чем стальная при равном диаметре;

• Композитная арматура относится к материалам первой группы химической стойкости- стойка к щелочной среде бетона, не коррозирует, устойчива к агрессивным средам;

• Композитная арматура является диэлектриком, магнито- и радиопрозрачна.

Недостатки:

• Композитная арматура имеет модуль упругости ниже, чем у металлической арматуры примерно в 4 раза. Низкий модуль упругости в совокупности с высокой прочность композитной арматуры на разрыв часто приводит к тому, что конструкции работающие на изгиб разрушаются хрупко ( разрушение происходит по бетону сжатой зоны);

• Композитную арматуру невозможно соединять сваркой, так же невозможно придать изгиб стержням непосредственно на строительной площадке.

• Низкая устойчивость конструкция, армированной композитной арматурой к огню. Композитная арматура при нагреве до 250 °С теряет 20% от предела прочности [3]. При нагреве до 600°С арматура полностью теряет свою упругость.

Проанализировав основные характеристики неметаллической арматуры можно сказать, что существенный минус этого материала - низкий модуль упругости и низкая устойчивость к огню. Но в некоторых гидротехнических сооружениях, таких как массивы, массивы гиганты, основания гравитационного типа для нефтяных платформ, плавучие бетонные понтоны, этот показатель не так важен, как например, коррозионная стойкость и собственный вес.

Для того чтобы понять какие гидротехнические сооружения являются наиболее перспективными для применения неметаллической арматуры, необходимо рассмотреть нагрузки и воздействия, воспринимаемые отдельными элементами этих сооружений. Далее будут рассмотрены наиболее перспективные для применения композитной арматуры конструкции в морском гидротехническом строительстве.

Понтон

Сооружение понтонного типа воспринимает на себя полезную нагрузку от установленного на нем строения, гидростатическое давление воды, волновую, ледовую, ветровую и снеговую нагрузки. В зависимости от предназначения, верхнее строение может быть различным, начиная от ресторана и заканчивая установкой для хранения нефти. В перспективе, в этом сооружении, возможно повсеместно заменить металлическую арматуру на композитную. Исключением может быть, если понтон предназначен для хранения горючих материалов, так как в случае возгорания арматура потеряет 60 % своих прочностных характеристик уже при температуре в 200 °С (рис. 1).

Массивы и массивы гиганты

Армирование массивов и массивов гигантов в основном конструктивное. В свою очередь неметаллическая арматура не подвергается коррозии, следовательно, перспективной является возможность использования композитного армирования в этих гидротехнических конструкциях. Но дополнительной проработки требует фронтальная часть, в зоне переменного уровня воды, характеризующаяся динамическими воздействиями, такими как, удар судна, ледовая и волновая нагрузки (рис. 2).

Рис. 1. Понтон: Ш - нагрузка от верхнего строения; Рк - гидростатическое давление воды; Р„ (Р) - волновая и ледовая нагрузки (в зависимости от выбираемого сочетания нагрузок); Р5 - распределенная нагрузка от снега

\

¿11

р/1 ^

Рис 2 Массив гигант: Ш - нагрузка от верхнего строения; р - гидростатическое давление воды; р - волновая и ледовая нагрузки (в зависимости от выбираемого сочетания нагрузок); р - ударная нагрузка от судна

Основания гравитационного типа

Так же возможно использование неметаллической арматуры в нижней части ОГТ (основание гравитационного типа) для нефти и газодобывающих платформ, так как этот участок воспринимает нагрузки отверхнего строения и шахт ОГТ, а так же гидростатическое давление воды. При проектировании шахт ОГТ появляется необходимость в проведение специальных расчетов для этой зоны, из-за возникающей при бурении динамической нагрузки (рис. 3).

Выводы

Сегодня можно точно сказать, что будущее всего мирового строительства - это разработка и использование новых строительных материалов. Разработка технологии производства и применения композитной арматуры, является одним из наиболее перспективных направлений, в гидротехническом строительстве. Необходимо уделить внимание изучению физических и химических свойств, поиску новых проектных решений для устранения существующих недостатков, кроме того необходимо уделить особое

Рис. 3. Основание гравитационного типа: Ш и Ш2 - нагрузки от верхнего строения и шахт ОГТ; Рь - гидростатическое давление воды; Р„

внимание развитию системы нормативного регулирования в области строительства, расчета и производства работ с использованием неметаллической арматуры, нормированию свойств и технологий производства этого строительного материала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Армаплюс композитная арматура [Официальный сайт] URL: http://armaplus.ru/ stati/16-nemnogo-istorii-nemetallicheskaya-armatura-s- 1970-ykh-po-nashe-vremya.html

2. Армастек [Официальный сайт] URL: http://armastekl.ru/poleznaya-informaciya/88-history

3. ACI 440.1R-06 Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars.

4. Стеклотехнология [Официальный сайт] URL: http://steklo-tech.ru/About/ tech_6.html

5. CompositesMarket [Интернет портал] URL: http://b-composites.net/57.html

6. Бенмокрэйн Б. Применение композитной арматуры в бетонных конструкциях // NSERC Research Chair in Innovative Fibre Reinforced Polymer (FRP) Reinforcement for Concrete Infrastructure

7. CSA S807 «Технические условия по полимерным материалам, армированным волокном».

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Завгороднев Алексей Валерьевич - магистрант кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ, e-mail: alex_zavgorodnev@mail.ru, Уманский Андрей Михайлович - аспирант кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ, e-mail: turman_uma@mail.ru,

Беккер Александр Тевьевич - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ, e-mail: bekker.at@dvfu.ru

Борисов Евгений Константинович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры механики и математического моделирования Инженерной школы ДВФУ, e-mail: ekborisov@rambler.ru

UDC 691.328.43

PROSPECTS OF FRP BARS APPLICATION MARINE HYDRALIC CON-STRUSTION

Zavgorodnev A. V., master student, Offshore and structural mechanics department, Engineering school, FEFU, e-mail: alex_zavgorodnev@mail.ru, Russia,

Umanskiy A.M., postgraduate student, Offshore and structural mechanics department, Engineering school, FEFU, e-mail: turman_uma@mail.ru, Russia,

BekkerA.T., Doc., professor, Offshore and structural mechanics department, Engineering school, FEFU, e-mail: bekker.at@dvfu.ru, Russia,

Borisov E.K., Doc., professor, Mechanic and mathematic modeling department, Engineering school, FEFU, e-mail: ekborisov@rambler.ru, Russia.

The article is concerned with the prospects of applying composite concrete marine hy-dralicstructures in Russia. It also deals with the main problems and obstacles of the application of composite reinforcing materials. Some measures to expand the area of practical application of composite concrete structures are proposed.

Key words: composite reinforcement, prospects of composite concrete structures, problems of application.

REFERENCES

1. Armapljus kompozitnaja armatura [Oficial'nyj sajt] URL: http://armaplus.ru/ stati/16-nemnogo-istorii-nemetallicheskaya-armatura-s-1970-ykh-po-nashe-vremya.html (data obrash-henija: 20.02.2014).

2. Armastek [Oficial'nyj sajt] URL: http://armastekl.ru/poleznaya-informaciya/88-history (data obrashhenija: 20.02.2014).

3. ACI 440.1R-06 Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. (Reported by ACI Committee 440).

4. Steklotehnologija [Oficial'nyj sajt] URL: http://steklo-tech.ru/About/ tech_6.html (data obrashhenija: 20.02.2014).

5. CompositesMarket [Internet portal] URL: http://b-composites.net/57.html (data obrashhenija: 20.02.2014).

6. B. Benmokrjejn, Primenenie kompozitnoj armatury v betonnyh konstrukcijah (Use of composite reinforcement in concrete structures) // NSERC Research Chair in Innovative Fibre Reinforced Polymer (FRP) Reinforcement for Concrete Infrastructure.

7. CSA S807 «Tehnicheskie uslovija po polimernym materialam, armirovannym volok-

nom».