Композитная арматура перспективы применения

Можно ли использовать композитную арматуру вместо стальной? (Факты, которые не любят афишировать производители)

Железобетон (железо + бетон) на протяжении 200 лет служил людям верой и правдой, но буквально несколько десятилетий назад производители нам подкинули еще один новый материал — полимер-композитную арматуру (далее ПКА) , которая в сфере частного домостроения стала очень сильно конкурировать с «классикой» — со стальной арматурой. На текущий момент, она в действительности пользуется очень высоким спросом у застройщиков.

Часто от них можно слышать, что композитная арматура существенно удешевляет стоимость строительства там, где требуются большие объемы армирования конструкций, поэтому ее используют и в фундаментах, и в несущих колоннах, и в перекрытиях, другими словами там, где за металл нужно выложить 70-80 т.р., а композитная арматура выходит в половину дешевле.

Есть ли еще причины кроме хорошей цены, почему ПКА (полимер-композитная арматура) пользуется большим спросом?

Я сам не один раз сталкивался с ней, и признаюсь, бетонировал септик с использованием именно композитной арматуры. Подтверждаю, что кроме заманчивой цены, есть еще преимущество — с ПКА легче работать.

Она имеет гораздо меньший вес, доставка возможна на своем автомобиле, легко режется и при размотке из бухты имеет неограниченную длину, с ее помощью можно армировать конструкции требуемой длины без каких-либо нахлестов и стыков, а соответственно меньше отходов и коротких обрезков. А стальные прутки, извините, ограничиваются длиной 11,7 и 5,85 м.

Но, проблема в том, что по факту, применение ее в индивидуальном строительстве очень и очень ограничено, о чем к сожалению из производителей мало кто признаётся.

Если посмотреть дальше, то на этом преимущества ПКА то и заканчиваются.

Для усиления анкеровки внутри бетонной конструкции я металл легко сгибаю в крюк, делаю загиб петлей, на предприятиях концы прутков сплющивают в грибок, а что с композитным прутком? Это является огромным минусом. При работе на растяжение ПКА имеет эффект продёргивания внутри бетона, потому как анкеровка ее невозможна и вообще отсутствуют какие-либо варианты. Вообще! Ни согнуть, ни приварить, ни сплющить.

Да, стеклопластик на разрыв при растяжении прочнее приблизительно в 3 раза, но грош цена этому свойству, если арматура проскальзывает внутри бетона и прогибается. Прут не работает сам по себе, он работает внутри бетона, вот как раз здесь и важен такой параметр, как модуль упругости. В сопромате он показывает, как деформируется тело под нагрузкой: чем этот модуль выше, тем меньше изгиб в точке при приложенной нагрузке.

Факт состоит в том, что модуль упругости ПКА в четыре раза меньше стали, поэтому, чтобы использовать композит вместо стали, нам нужно увеличить площадь сечения прутка в 4 раза! Выгодно ли это? Однозначно «Нет»! Если этого не сделать, то конструкция остается недостаточно жесткой, она не способна препятствовать прогибу конструкции и раскрытию трещин в растянутой зоне (Вторая группа предельных состояний).

И последний основной удар по ПКА: бетонная конструкция с использованием композитной арматуры внезапно обрушивается при воздействии на нее температуры больше или равной 87°С. Именно такую температуру нужно поддерживать на протяжении 13 минут, чтобы связывающие смолы в ПКА начали разрушаться. При этом, куски бетонного перекрытия или колонн не повиснут на прогнутых прутьях, если бы это была сталь, а обрушатся на голову из-за хрупкости полимера.

От автора

Друзья, я нахожу применение ПКА только при сооружении НЕ ответственных конструкций: туалеты, заезды и выезды, тротуары, септики, отмостки, фундаменты для заборов.

Иногда, применяют ПКА когда требуется получить от конструкций те свойства, которые с металлом несовместимы, а это: радиопрозрачность, химическая инертность и т.п., но вряд ли это относится к индивидуальному строительству, поэтому считаю, что полимер-композитную арматуру применять на частных домах совершенно нерационально.

Спасибо за внимание, буду благодарен за подписку на мой канал!

Источник

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТНОЙ АРМАТУРЫ

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.

Читайте также:  Унитаз компакт универсал стандарт монокоробка арматура ниж подв хром кнопка сиденье г лобня

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

Металлическая арматура А3 (А400С) ГОСТ 5781-82

Источник

Применение композитной арматуры

Перспективы применения композитной арматуры. Недостатки и преимущества композитной арматуры в сравнении со стальной

Совершенствование свойств стальной арматуры достигло того уровня, развитие которого далее нецелесообразно по причине либо отсутствия необходимости в этом, либо теоретической возможности. Ее механические и технологические свойства, принимаемые по действующим стандартам, достаточны для решения подавляющего большинства задач при минимально возможной себестоимости ее применения в железобетоне. Однако существует определенный перечень задач, в которых экономически обоснованной альтернативой является композитная арматура, являющаяся диэлектриком, обладающая высокой химической стойкостью и радиопрозрачностью.

Читайте также:  Какая полка у швеллера 12

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, далее в настоящей статье речь пойдет об арматуре из базальтового и стеклянного волокна (ровинга).

Композитная арматура в сравнении со стальной обладает рядом существенных недостатков:

— низкая огнестойкость изделий армированных композитной арматурой;

— невозможность изготовления гнутых арматурных изделий из арматуры в состоянии поставки;

— невозможность использования в качестве сжатой арматуры;

— значительно более высокая стоимость.

Несмотря на традиционно бытующее на протяжении предыдущих десятилетий мнение о наибольшей целесообразности применения композитной арматуры в конструкциях с предварительным напряжением, до настоящего реализованы лишь единичные подобные примеры и, как правило, в качестве экспериментальных образцов. Фактически практика показала, что это было неверное позиционирование по области применения, которое сдержало массовое внедрение. В результате строительная наука многие годы не занималась исследованиями в наиболее актуальном направлении применения. Получившая же широкое распространение стальная канатная арматура в оболочке, применяемая в первую очередь для выполнения постнапряженных конструкций, имеет лучшие технико-экономические показатели, при этом весьма хорошо себя зарекомендовала в общемировой практике строительства объектов различного назначения. Наличие оболочки обеспечивает необходимую степень защиты стали от коррозии. Таким образом применение композитной арматуры в качестве напрягаемой, в том числе по причине ее неконкурентоспособности, может носить исключительно единичный характер.

Помимо технических препятствий для широкого применения композитной арматуры существуют значительные организационные трудности:

  • отсутствуют единые требования на уровне государственных или международных стандартов к механическим свойствам, методам контроля и правила приемки арматуры;

— ввиду принципиального отличия диаграммы деформирования композитной арматуры от стальной не существует понимания по назначению расчетных характеристик. Как правило, расчетные характеристики либо не известны вовсе, либо указываются производителем на основании индивидуальных соображений;

— отсутствуют четкая терминология и классификация, отсутствует дифференциация на напрягаемую и ненапрягаемую арматуру, с соответствующими требованиями к ней;

— не стандартизированы методики расчета композитобетонных конструкций;

— не стандартизированы методики расчета минимального процента армирования;

— недостаточно изучен опыт эксплуатации изделий с данной арматурой;

— во многих случаях неверное позиционирование по области применения;

— отсутствуют нормативные требования по ширине раскрытия трещин в конструкциях с композитной арматурой;

— не используется единая методика для контроля механических свойств композитной арматуры;

— не нормированы требования и никак не контролируются характеристики сцепления композитной арматуры с бетоном.

Наибольшим препятствием в применении композитной арматуры является полное отсутствие какой-либо нормативной базы. Единственным упоминанием в действующих ТИПА 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».

Необходимо отметить, что СТБ 1103 «Арматура стеклопластиковая. Технические условия», несмотря на название, распространяется на гибкие связи для трехслойных стен. Отсутствие необходимой нормативной базы влечет за собой отсутствие классификации арматуры по необходимым признакам. Без единой классификации невозможно ввести общие правила обозначения, требования к свойствам, правилам приемки и методам контроля, что не позволяет проектировать композитобетонные конструкции без привязки к особенностям конкретного производителя арматуры.

В пять раз более низкий модуль упругости в сравнении со стальной арматурой приводит к снижению предельной нагрузки изгибаемого элемента без предварительного напряжения не только по второй группе предельных состояний, но и по первой. Высокая деформативность композитной рабочей арматуры фактически не позволяет производить большинство конструкций, которые привычно выполняются в железобетоне. Если учесть, что в качестве сжатой композитную арматуру использовать невозможно, то расчет и конструирование композитобетонных конструкций не могут выполняться по методикам, справедливым в отношении железобетона. Уравнения равновесия, действительные в отношении сечений со стальной арматурой, совершенно не работают в отношении сечений с арматурой, имеющей значительно более низкий модуль упругости [1]. При большем удлинении растянутой зоны изгибаемого элемента высота сжатой зоны уменьшается, при этом форма эпюры напряжений меняется образом, приводящим к уменьшению прочности элемента по сечению.

Расчет сечения, нормального к продольной оси, композитобетонной конструкции выполняют по формулам, выбираемым в зависимости от величины фактического процента армирования р/ и его отношения к значению т. н. сбалансированного процента армирования:

где Eƒ— модуль упругости композитной арматуры;

β1 — коэффициент полноты эпюры в сжатой зоне;

ƒfu — расчетное сопротивление композитной арматуры.

В зависимости от соотношения ρƒ и ρƒb принято три возможных механизма разрушения изгибаемого композитобетонного элемента:

Читайте также:  Светосигнальная арматура 592575 593071 nd16 22ds 4 зеленый 230в ac со светодиодом

— при достижении предельных деформаций в сжатом бетоне;

— при одновременном достижении деформации в сжатом бетона и растянутой арматуре;

— при достижении предельных деформаций в растянутой арматуре.

Для трех перечисленных расчетных ситуаций приняты принципиально различные уравнения равновесия и выражения для определения напряжений в бетоне и арматуре, которые при этом справедливы только в области величины процента армирования выше минимального. Вследствие низкого модуля упругости композитной арматуры при проценте армирования ниже определенного уровня и при незначительных напряжениях в арматуре композитобетонная изгибаемая конструкция может разрушиться по бетону. Такой характер разрушения невозможен в случае сечения со стальной арматурой. По этой причине высокие прочностные показатели композитной арматуры в подавляющем большинстве случаев остаются нереализованными. Учитывая данное обстоятельство, на стадии расчета обязательным является контроль минимального процента армирования индивидуально для каждого расчетного случая, т. к. в случае с композитной арматурой его величина не может иметь фиксированного значения, которая, к примеру, в американских нормах [1 ] является функцией расчетного сопротивления арматуры и геометрических параметров сечения. Таким образом, ошибки в оценке минимального процента армирования композитобетонной конструкции могут привести к разрушению сжатой зоны изгибаемого элемента на стадии образования трещин при нагрузках менее проектных.

Распространенное мнение об отсутствии необходимости контроля ширины раскрытия трещин в конструкциях армированных композитной арматурой входит в противоречия с существующими по данному направлению национальными нормами. К примеру, в соответствии с японскими нормами допускаемая ширина раскрытия трещин — 0,5 мм. Канадские нормы: 0,5 мм для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе и 0,7 мм — для конструкций внутри помещений.

В соответствии с американским стандартом ACI 318 требования по ширине раскрытия трещин, как со стальной арматурой, так и композитной, идентичны. Однако расчет ширины раскрытия трещин для изгибаемых композитобетонных конструкций выполняют по иному соотношению:

где Eƒ — модуль упругости арматуры, в МПа;

β — относительная высота сжатой зоны бетона, безразмерна;

kb— коэффициент, характеризующий силу сцепления арматуры с бетоном, безразмерный;

ƒƒ— напряжение в арматуре, в МПа;

h — высота сечения, в мм;

А — удвоенная площадь сжатой зоны сечения, приходящейся на один стержень растянутой рабочей арматуры, в мм2.

Вычисление напряжений в арматуре и высоты сжатой зоны сечения производится по принципиально иным выражениям относительно принятых в действующих ТИПА для расчета железобетонных конструкций. Коэффициент кь принимают от 0,71 до 1,83, в зависимости от уровня сцепления арматуры с бетоном. Для арматуры, производимой в сопредельных с Республикой Беларусь странах, значение данного коэффициента не известно, поскольку соответствующих экспериментальных исследований выполнено не было.

Серьезной технологической проблемой является невозможность выполнения гнутых арматурных изделий из композитной арматуры в состоянии поставки. Без гнутых изделий (хомутов, гнутых стержней, шпилек и т. д.) сконструировать армирование конструкции невозможно. Фактически производитель работ должен комплектовать объект арматурными изделиями исключительно по договоренности с производителем самой арматуры, что потенциально несет в себе значительные организационные сложности.

Весьма существенным недостатком композитобетонных конструкций в сравнении с аналогичными железобетонными является их меньшая огнестойкость. Огнестойкость изделий в значительной степени зависит от конструкции ее армирования и величины защитного слоя. Экспериментальные данные свидетельствуют, что минимальное значение предела огнестойкости составляет 13 минут для изгибаемых конструкций, при этом разрушение является хрупким [2]. При интенсивном разогреве рабочей арматуры до 10СГС происходит активное выделение пара из смежных со стержнем микротрещин бетона. При этом мгновенно повышается давление на поверхности арматуры, что приводит к разрушению волокна. Логично предположить, что предел огнестойкости может значительно отличаться для различных производителей арматуры, а также зависеть от материала ровинга, однако очевидно, что композитную арматуру нельзя применять без специальных конструктивных мероприятий либо дополнительной огнезащиты несущих конструкций, к которым предъявляются требования по огнестойкости.

Заключение

В железобетонных изделиях повсеместно заменить стальную арматуру на композитную невозможно. Из-за существующего соотношения цен со стальной арматурой применение композитной целесообразно и эффективно только в случае необходимости использования ее свойств, которыми стальная арматура не обладает. В первую очередь речь идет химической стойкости, радиопрозрачности и диэлектрических свойствах.

Для расширения области широкого применения композитной арматуры 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, разработать правила их приемки.

До реализации данных мероприятий выполнять проектирование композитобетонных конструкций возможно только с использованием зарубежных норм проектирования и исключительно под арматуру конкретного производителя.

О. Н. Лешкевич, к. т. н., РУП «Институт БелНИИС»

  1. ACI 440.1 R-06 Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Rein-forced with FRP Bars. American Concrete Institute, 2006. — 44 p.
  2. Фролов, H. П. Стеклопластиковая арматура и стек- лопластбетонные конструкции. — М.: Стройиздат, 1980. -104 с.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector