Применение композитной арматуры в армировании бетонных конструкций

• ПРЕИМУЩЕСТВА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В АРМИРОВАНИИ БЕТОНА
• АРМАТУРА НА ОСНОВЕ КОМПОЗИТА – ЭТО ПРИЗНАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
• ВЫСОКИЙ ПОТЕНЦИАЛ КОМПОЗИТНЫХ СЕТОК В АРМИРОВАНИИ БЕТОНА
• АРМИРОВАННЫЙ ВОЛОКНАМИ БЕТОН: ПОЯВЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ

Стеклопластиковая арматура, в отличие от арматуры металлической, имеет больше конструкционных стандартов. Покровное армирование является одним из них – стандартом, недоступным для металлической арматуры. В большинстве случаев подобное армирование используется для ремонта бетонных фундаментов, которые за счет него не только укрепляются, но и защищаются от негативных факторов среды.

Именно поэтому покровные материалы считаются лучшей разновидностью арматуры для фундамента. Цена реставрации бетонных фундаментов на порядок выше, нежели аналогичные работы, выполняемые для стен и перекрытий. С фундаментом, как известно, работать сложнее всего, а нагрузки, которые он испытывает, самые высокие.

Арматура для фундамента из стекловолокна эффективно решает годами назревавшую проблему, исключая любое, даже самое незначительное вмешательство в фундамент. Это упрощает и ускоряет ремонт, исключая любые осложнения, возможные в его ходе. В дополнение к прочему, покровное армирование выступает средством мониторинга деструктивных процессов внутри бетона – по текущему состоянию армирующего покрытия можно судить и о состоянии фундамента.

При этом вы можете купить арматуру для фундамента по низкой цене. Стеклопластиковая арматура используется при возведении несущих и ограждающих стеновых конструкций. Она находит самое широкое применение в строительстве жилых и промышленных зданий, в изготовлении серийных и уникальных бетонных деталей. Превосходные эксплуатационные характеристики композитных стеклопластиков в значительной мере расширяют возможности современных строительных технологий, помогают реализовывать самые смелые архитектурные замыслы.

Очень хороша подобная арматура для фундамента цена этого материала сравнительно невысока, что дает редкую возможность не экономить на прочности, в то время, как его стойкость к коррозии позволяет не беспокоиться о повышенной влажности, воздействию которой, обычно, подвергаются фундаменты.

Использование арматуры из стекловолокна возможно как в толще бетонного монолита, так и на его поверхности. В первом случае типовые армирующие элементы сначала собираются в пространственную конструкцию, потом заливаются бетоном, во втором – на уже затвердевшую бетонную деталь наносится защитная оболочка из стеклоткани и синтетического вяжущего.

Конечно, механические свойства стекла отличаются от свойств стали, поэтому и структура бетона с композитной арматурой разрабатывается в соответствии с ACI 440.1R-03, а также руководством для проектирования бетонных конструкций, армированных стеклопластиковой арматурой Guide for the Design and Construction of Concrete Rein forced with FRPBars. Крупнейшие производители композита Hughes и Pultrall являются членами Совета Производителей композитной арматуры(FRP Rebar Manufacturers Council). Они работают под покровительством Американского Общества Производителей Композитов (American Composites Manufacturers Association (ACMA). Совместно с ACI они участвуют в разработке основных требований и норм для производства полимерной арматуры.

Современные композитные материалы не могут быть согнуты подрядчиком прямо на объекте строительства. Однако сам Гремел полагает, что это не проблема. «Металлическая арматура, покрытая антикоррозионным слоем эпоксидной смолы, — говорит он, — также не может быть согнута без повреждения покрытия. Зато мы способны придать нужную форму стеклопластиковой арматуре непосредственно на производстве, согласно требованиям инженерного проекта и пожеланиями заказчика». С появлением новых методик тестирования бетона и укрепленной стеклопластиковой арматуры заказчики могут быть уверены, что готовая конструкция будет вести себя запланировано.

В качестве примера можно вспомнить достаточно интересный проект компании Concrete Protection Products Inc (CPPI, Даллас, Техас) — основного поставщика композитной арматуры на территории США. Это мост на шоссе I-65 в Графстве Ньютон, штат Индиана. Он состоит из трех больших пролетов, каждый из которых составляет 58 метров в длину и 10,5 метров в ширину. Мост армирован бетонным полотном с полимерной арматурой. Полотно лежит сверху I-образных стальных балок, поддерживаемых бетонными опорами. Само полотно — это специальная бетонная плита толщиной 203 мм, усиленная стальной арматурой, которая покрыта антикоррозионным эпоксидным материалом в нижней половине. В верхней половине использованы коррозионно-устойчивые композитные прутки марки V-ROD. Сделано это специально, так как верхняя половина плиты часто контактирует с солями, использующимися для борьбы с обледенением.

При укреплении моста были использованы две разновидности арматуры: в поперечном направлении — арматура № 5 (16 мм в диаметре) с расстоянием между центрами стержней 152 мм; в продольном направлении — арматура № 6 (19 мм в диаметре). При участии специалистов из университета Purdue University вся конструкция была оборудована оптоволоконными сенсорами, чтобы иметь возможность непрерывного мониторинга характеристик бетонного полотна с помощью удаленного соединения. Этот проект стал первым, где в возведении использовалась композитная арматура в мостовом полотне.

Другой проект по возведению бетонного моста в Моррисоне, штат Колорадо, был реализован с использованием арматуры Aslan 100, производимой компанией Hughes Bros. Этот мост был построен под эгидой Департамента Перевозок Колорадо (Colo. Dept. of Transportation, CDOT) также при непосредственном участии Графства Денвер Паркс и Департамента Восстановления. Длина моста, перекрывающего Бир Крик, не очень велика — всего 13,8 метра. Однако конструкция его достаточно интересна: в ней использовалась стеклопластиковая арматура в основаниях, опорах, откосных крыльях стены, парапетах и изогнутой монолитной бетонной арке. Композитная бетонная плита моста монолитна и находится наверху бетонной арки. В литые элементы моста вмонтирована арматура сразу трех типоразмеров: №№ 5, 6, 7 (19 мм в диаметре). Для производства спроектированной конструкции пришлось заранее, то есть еще на этапе заводского производства, изготовить много гнутых скоб и сложных форм. Несмотря на то что полотно моста испытывало минимальную транспортную нагрузку, конструктор проекта Парсонс Бринкерхоф придерживался всех рекомендаций конструкторов ACI, применяя новые методики тестирования ACI440.3R-04 для сертификации материалов.

Рынок композитной арматуры должен вырасти и стать более конкурентоспособным, когда положение нового материала (базальтового волокна) упрочнится. Так, представитель крупнейшей компании в мире по производству базальтового волокна Sudaglass Fiber Technology (Хьюстон, Техас) Грэхам Смит говорит, что арматура на основе базальтового волокна и эпоксидной смолы сейчас производится также по технологии пултрузии в Украине и находится в процессе сертификации для использования в строительстве в США. Не за горами и площадки в России.

Базальтовое волокно обладает значительно широким диапазоном рабочих температур (260-982°C) по сравнению с стекловолокном (60-650°C). Также базальтовое волокно имеет немного большую плотность, чем стеклянное волокно. Температура плавления базальта составляет 1450°C. Это делает его чуть ли не единственно пригодным материалом в конструкциях, где требуется высокая устойчивость к огню. Смит также напоминает, что базальт устойчив к щелочным средам бетона.

На каком из видов армирования вы бы не остановились, вы должны понимать, что композитная арматура наиболее интересна специалистам, ответственным за принятия решений по проекту. «Практическим результатом для хорошего инженера или конструктора, пытающегося решить проблему коррозии, является то, что при увеличении материальных затрат на 5-7% вы на 10-20 лет продлеваете срок эксплуатации конструкции при использовании для ее армирования композитной арматуры», — подводит итог Дуг Гремел (руководитель направления неметаллического армирования компании Hughes Bros.)

ВЫСОКИЙ ПОТЕНЦИАЛ КОМПОЗИТНЫХ СЕТОК В АРМИРОВАНИИ БЕТОНА.

«Когда в журнале Composites Technology вышла первая публикация об использовании полимерных сеток в конструкционных бетонных панелях (Composite Solutions Meet Growing Civil Construction Demands, Composites Technology; август 2002, стр. 40), рынок сразу отреагировал и продемонстрировал большой рост, — рассказывает Джон Бюсел. «Сфера применения этой технологии широка, в ней заложен огромный потенциал».

Направление по разработке данной технологии осуществляется консорциумом из пяти производителей сборных бетонных панелей и одного ведущего производителя арматуры — компании Tech Fab LLC (Anderson, S.C.). Этот консорциум образован преднамеренно для продвижения технологии Carbon Cast, с помощью которой разработанные углеродно-эпоксидные сетки C-GRID явились реальной альтернативой традиционной стали и арматуре в сборных конструкциях в качестве вторичного армирования. Компания TechFab, в свою очередь, представляет собой объединение компаний Hexcel (Дублин, Калифорния) и Chomarat Group (LeCheylard, Франция). Также членами Altus Group выступают Oldcastle Precast (Edgewood, Md.) и HIGH Concrete Structures (Denver, Pa.). Владелец обеих этих компаний — Cretex Companies (Elk River, Minn.) и Metromont Prestress (Greenville, S.C.).

C-GRID является достаточно крупной сеткой, состоящей из жгутов на основе углеволокна и эпоксидной смолы. Используется сетка как вторичная замена армирующей стальной сетки в бетонных панелях и других архитектурных приложениях. Размер сетки варьируется в зависимости от типа бетона и заполнителя, а также от требований к прочностным характеристикам самой панели.

В компании Altus Group представлен ассортимент продукции Carbon Cast, который включает конструкционные панели, нестроительные изолированные панели и наружную облицовку. Как правило, C-GRID заменяет вторичные армирующие элементы, которые традиционно изготавливались на основе стальной сетки. Сегодня по-прежнему в качестве первичного армирования используется привычная металлическая арматура. C-GRID производится в непрерывном запатентованном «полутканном» процессе. Габариты ячейки армирующей сетки меняются в пределах от 25,4 мм до 76 мм в зависимости от требований проекта, размера фракции наполнителя, а также типа бетона. В ходе производственного процесса поверхности сетки придается определенная шероховатость. Делается это специально для увеличения сцепных свойств с сеткой, то есть ее адгезии с бетоном. В линейке MeC-GRID также существуют сетки, произведенные на основе стеклянных, арамидных и других полимерных волокон. Углеволоконные сетки применяются не только в строительстве, но и в других областях. Например, в изготовлении декоративных элементов, ремонте и восстановлении.

Панели Carbon Cast имеют ряд явных плюсов. Во-первых, они легче и обладают лучшими свойствами растяжения, почти в семь раз превосходящими сталь. Во-вторых, вероятность разломов при усадке в процессе высыхании значительно снижена. Ко всему прочему, сетка C-GRID, применяемая в панелях, не подвержена коррозии. А это исключает появление неприглядных пятен на поверхности бетонных панелей, укрепленных обычной металлической арматурой. Коррозионная стойкость позволяет использовать укрывное покрытие бетона даже небольшой толщины — всего 6,35 мм. Наряду с этим для защиты стальной сетки от воздействия влаги требуется слой толщиной до 76,2 мм. Вес панели, таким образом, может быть снижен на 66% по сравнению с обычными панелями. Вследствие облегченные панели позволяют снизить общий вес стены, а это экономит средства на возведение стальной подструктуры. C-GRID является плохим проводником тепла, поэтому и величина изоляции панели не меняется. Более того, при помощи обычной пилы в сетках можно прорезать отверстия прямо на месте работ. Такое невозможно сделать в ситуации, когда используется стальная сетка для армирования. Все это существенно снижает расходы на строительство.

АРМИРОВАННЫЙ ВОЛОКНАМИ БЕТОН: ПОЯВЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ

Короткие волокна использовались в процедуре армирования бетона многие десятилетия и даже века. Еще в Римской империи в строительные растворы добавлялся конский волос для армирования. Волоконное армирование усиливает прочность и упругость бетона, то есть способность его к пластической деформации, без опасности разрушения и препятствуя образованию и разрастанию трещин. Доктор Виктор Ли из Университета Мичиган провел исследования свойств цементных композитов и бетона, армированных волокнами. После этого он сделал вывод, что популярность такого материала однозначно будет расти, пока сохраняются его основные характеристики: низкая стоимость и простота исполнения.

«Применение данного материала может привести к прекращению использования арматуры, работающей на срез, что уменьшит материальные и трудовые затраты, — рассказывает Ли. — Прореживаемая структура снижает объем материала и собственный вес, что делает транспортировку более легкой. Общее снижение затрат по этим факторам может легко оправдать расходы на армированный волокнами материал».

Официальное признание армированного волокнами бетона привело к появлению стандартов и руководств по его использованию за последнее десятилетие (смотрите Composites Technology; июль/август 2001, стр. 44). Так начался рост спроса на эту технологию и ее широкое коммерческое применение.

Компания Lafarge SA (Париж, Франция), гигант в области производства строительных материалов, продвигает свой армированный волокнами бетонный материал (торговая марка Ductal) вот уже около 10 лет. Основной рынок французского гиганта — гражданская инфраструктура и архитектурные объекты. Ductal — это смесь кварцевой крошки, цемента и кварцевой муки, а также мелкого кварцевого песка, пластификаторов, воды и стальных или органических волокон длиной около 12 мм.

Вице-президент и генеральный директор направления Ductal Вик Перри утверждает, что сочетание мелкозернистых порошков, выбранных по определенным размерам зерен, способствует максимальной плотности при отверждении, что исключает пористость, препятствует доступу влаги, а следовательно, и коррозии стальных волокон. Волокна из поливинила, как правило, используют в архитектурных и декоративных приложениях, чтобы предотвратить вероятность поверхностного травления. Сам Перри объясняет, что добавление волокон помогает материалу пластично деформироваться, выдерживая большие растягивающие нагрузки. «Волокна привносят прочность и улучшают микроструктурные свойства», — говорит он. Нагрузки на сжатие колеблются от 150 МПа до 200 МПа в зависимости от типа используемых волокон. Для сравнения: у стандартного бетона эта величина составляет 15-50 МПа, прочность на изгиб — 40 МПа.

Ductal, армированный стальными волокнами Lafarge’s Fort a steel fibers, был использован в Saint Pierre La Cour (Франция). Это двадцатиметровый перевозочный мост, который был спроектирован и собран с использованием десяти I-образных балок из материала Ductal. Балки поддерживали монолитную бетонную плиту толщиной 170 мм, традиционно армированную стальной арматурой. Балки не содержали арматуры, были углублены на 600 мм и предварительно напряжены стальными плетеными тринадцатимиллиметровыми кабелями. Прежде чем Ductal заливается в форму балки, напряжение прикладывается к кабелям. Как только бетон покрывает кабели и материал начал твердеть, они обрезаются, что, в сущности, прикладывает напряжение сжатия к бетонной смеси.

«Как только предварительно напряженная балка подвергается любому изгибу, — рассказывает Перри, — она перестает испытывать растягивающие нагрузки, а вместо этого «разжимается», значительно улучшая свои характеристики». Из-за прочности Ductal балки не нужно армировать, что значительно снижает их вес.

Другая крупнейшая компания-производитель армирующих волокон для бетона — SI Concrete Systems (Chattanooga, Tenn.). Она предлагает Novomesh, Fibermesh и другую продукцию из волокон как альтернативу вторичной армирующей сетке из стальных нитей. Их продукция применяется как в офисных, так и в жилых приложениях. Производитель предлагает полипропиленовые, стальные, макросинтетические волокна (macrosynthetic fibers) и промышленные смеси. По словам Хал Пэйн (руководителя стратегических союзов компании SI Concrete Systems), продукты на основе полипропиленовых волокон позволяют эффективно контролировать появление трещин на ранних стадиях, возникающих из-за пластической усадки, а также предотвращают перерастание этих трещин в большие щели во время высыхания бетона.

Novomesh 950 состоит из смеси необработанных макросинтетических и отборных фибриллированных микросинтетических волокон. Это относительно новый продукт для рынка строительных материалов. Он дает такой же хороший результат, как и применение стальных волокон, используемых преимущественно для промышленных плит перекрытий.

Во многих странах, например, в Австралии, Франции, Японии и США, уже существуют конструкторские руководства, дающие методические указания и допуски для армированного волокнами бетона. Это, безусловно, говорит о возрастающем признании этого материала и конструкторами, и инженерами, и ответственными лицами на рынке инфраструктуры.