Композитная арматура миф или будущее

В настоящее время стержни из волокнистых полимерных композиционных материалов, именуемые в зарубежных источниках FRP rebar, находят в различных странах мира все более широкое применение — для армирования различных бетонных конструкций взамен стальной арматуры, а также для армирования цементных и других строительных вяжущих растворов

Основными достоинствами стержней из волокнистых полимерных композиционных материалов, обуславливающими преимущество использования их в строительных конструкциях в качестве арматуры (по сравнению со стальными стержнями аналогичного назначения), являются:

• малая удельная масса (плотность);
• высокая удельная прочность;
• высокая устойчивость к воздействию различных агрессивных сред;
• высокая электрическая прочность и невосприимчивость к воздействию электромагнитных полей;
• низкая теплопроводность;
• искробезопасность при разрушении конструкций, армированных такими стержнями.

Проблемами армирования бетонных конструкций стержнями из волокнистых композиционных материалов занимаются, в частности: Институт бетона Америки (The American Concrete Institute), Японское сообщество гражданских инженеров (Japan Society for Civil Engineers) и другие исследовательские группы, например, в Канаде, Италии и др.

На основании комплексных исследований, проведенных к настоящему времени в различных странах мира, разработаны и совершенствуются нормативные документы по вопросам проектирования и расчета бетонных строительных конструкций, армированных композитными стержнями.

Проделанные зарубежными исследователями работы открыли широкие возможности для проектирования и возведения различных сооружении из бетона, армированного композиционными стержнями, в том числе позволили приступить проектированию и сооружению таких ответственных объектов, как мосты.

В Советском Союзе первые крупные научноисследовательские работы в области применения композитов начались в 50-е годы прошлого столетия. В 1963 г. в Полоцке был сдан в эксплуатацию цех по опытнопромышленному производству стеклопластиковой арматуры (СПА®). Примерно в те же годы работы в этом направлении проводились также в ЮжНИИ (с 1958 г.), НИИЖБ, ВНИИ стекловолокна, НИИ пластмасс, ЦНИИ Пром-зданий, ЦНИИС и др.

Однако в нашей стране первый этап промышленного применения стеклопластиков в строительстве оказался не совсем удачным из-за недостаточно четкой и устойчивой технологии их изготовления, что приводило в ряде случаев к относительно низкому качеству стержней и к большому разбросу получаемых физико-механических характеристик композитов. По этим причинам объем практического использования стеклопластиков в отечественном строительстве не получил должного развития, хотя нельзя не отметить что в те годы вышел ряд публикаций об успешных теоретических и экспериментальных исследованиях в рассматриваемой области.

Политический кризис, развившийся на территории СССР, и дальнейший экономический спад 90-х годов 20-го столетия в России отодвинули и практически свели на нет научно-теоретические и технологические исследования в этом направлении.

С начала текущего тысячелетия в России композиционная арматура начинает все шире использоваться в строительной отрасли в качестве гибких связей в конструкциях утепленных стен жилых и промышленных зданий.

В последние годы в России с учетом зарубежного опыта стержни из композиционных материалов начинают применяться и в качестве силовой арматуры, предназначенной для повышения прочности бетонов и строительных растворов (для замены стальной арматуры). В России появился ряд предприятий, производящих и предлагающих на рынке строительных материалов композиционные стержни различного исполнения, предназначенные, по версии производителей, «для армирования строительных конструкций», и количество этих предприятий постоянно растет.

Рассматривая образцы армирующих стержней из волокнистых композиционных материалов, выпускаемых отечественными производителями, а также нормативные документы на данную продукцию, можно сделать выводы о шроте возможных конструктивных вариантов изготовления композитных стержней, предназначенных для применения в строительстве, и о факторах, тормозящих широкое применение этой продукции.

К числу таких факторов следует отнести:

• отсутствие единого подхода у производителей к оценке технических характеристик производимой ими продукции;
• отсутствие единства номенклатуры показателей, характеризующих потребительские свойства продукции;
• отсутствие единых методов оценки технических показателей;
• неполное соответствие номенклатуры приводимых изготовителями показателей арматурных стержней потребностям проектировщиков, занимающихся разработкой строительных конструкций и сооружений.

Устранить эти недостатки может выпуск Национального государственного тандарта, о начале обсуждения кторого Росстандарт известил на своем сайте (www.gost.ru).

Объектом стандартизации в данном проекте стандарта являются общие технические требования, которым должны удовлетворять стержни из волокнистых композиционных полимерных материалов, предназначенные для армирования строительных конструкций различного назначения из обычных и предварительно напряженных бетонов. В первую очередь, это стержни, предназначенные:

• для применения в конструкциях и ооружениях, находящихся под воздействием агрессивных сред;
• для применения в конструкциях и сооружениях электротехнического назначения, находящихся под воздействием факторов электрохимической коррозии;
• для изготовления свай, фундаментов, портовых и берегоукрепительных ооружений;
• для армирования полотна автомобильных дорог;
• для армирования грунтов и горных пород при горнопроходческих работах (прокладке тоннелей и выемке котлованов);
• для изготовления сеток для армирования каменной(кирпичной)кладки;
• для применения при ремонте конструкций зданий и сооружений;
• для изготовления полимерных болтовых соединений, стягивающих, например, элементы опалубки при строительстве гидротехнических сооружений.

Рассматриваемые стержни, как правило, состоят из силового сердечника, представляющего собой композиционный материал с осевым расположением волокнистой арматуры, склеенной между собой полимерной матрицей.

В качестве армирующего материала могут быть использованы ровинги из стеклянных, базальтовых, угольных, арамидных и других волокон, а также комбинации этих волокон, взятые в том или ином соотношении.

В качестве полимерной матрицы обычно используют компаунды на основе различных полимерных смол (эпоксидных, винилэфирных, полиэфирных и т. д.).

На поверхности силового сердечника могут быть расположены специальные слои, предназначенные для повышения прочности сцепления стержней с бетоном или строительным раствором. Состав этих слоев и технология их получения могут быть различными. Сюда относятся слои наклеенного насердечник абразивного материала, например песка; слои в виде приклеенного к сердечнику спирального жгута из пропитанного компаундом волокнистого материала; слои нанесенного на сердечник волокнистого материала с криволинейной, волнистой формой расположения волокон, получаемой за счет деформирования в процессе формования пучка продольных волокон волокнами со спиральным расположением. Кроме того, под действие настоящего стандарта подпадают стержни со специальными анкерными уширениями, получаемыми за счет внедрения в сердечник (среднюю часть стержня) вкладышей той или иной формы из того или иного материала, а также стержни, сформированные из нескольких стержней, склеенных между собой по спиральным линиям.

Возможны и другие конструктивные исполнения стержней.

Рассматривая образцы армирующих стержней, представленных на отечественном рынке, можно увидеть, какие многообразные формы могут иметь стержни, особенно по наружной боковой поверхности. Очевидна необходимость при всем разнообразии форм обеспечить единый подход к оценке таких параметров поперечного сечения стержней, как радиус инерции, площадь поперечного сечения, момент сопротивления и момент инерции поперечного сечения, которые используются в прочностных расчетах изделий.

В проекте стандарта для этих целей вводится понятие «эффективный диаметр», трактовка которого строится на анализе механического поведения стержней. Для этого параметра приводится соответствующая методика его определения, основанная на физических понятиях о механических характеристиках полимерных композиционных материалов.

В число основных параметров, входящих в обозначение стержня, включено понятие «предельная температура эксплуатации». Матрица композиционных стержней наиболее эффективно обеспечивает совместное восприятие нагрузок армирующими волокнами до тех пор, пока она находится в стеклообразном состоянии. При нагревании стержней матрица постепенно (в относительно узком диапазоне температур) начинает переходить из стеклообразного состояния в эластичное. При этом существенно ухудшается ее способность обеспечивать совместную работу волокон. Соответственно, существенно снижаются механические характеристики композита. По этой причине в проекте стандарта за предельную температуру эксплуатации стержней принята температура начала перехода полимерной матрицы из стеклообразного состояния в эластичное. В стандарте приведена методика определения этого параметра. Она основана на термомеханических испытаниях образцов и анализе термомеханических диаграмм, получаемых в процессе испытаний.

Стержни, требования к которым регламентируются стандартом, предназначены, прежде всего, для армирования изделий из бетонов. При разработке стержней их разработчики для этих целей наносят на стержни специальные слои или увеличивают рельефность поверхности, деформируя ее.

В стандарте к одной из основных характеристик стержней отнесена их сцепляемость с бетоном. В нем приведена методика контроля этого показателя. При разработке этой методики был принят во внимание ряд следующих факторов.

1. Особенность условий эксплуатации стержней. Она состоит в том, что длительное время (весь срок эксплуатации) стержни подвергаются воздействию щелочной среды бетона. Эта среда может быть наиболее агрессивной,если изделия эксплуатируются в условиях неконтролируемой влажности. А значит, может нарушиться адгезионная связь между силовой частью стержня и слоем, предназначенным для повышения прочности сцепления стержня с бетоном. В этом случае поверхностный слой теряет свою функцию. Для учета этого фактора в проекте стандарта предложено, прежде чем определять прочность сцепления стержней с бетоном, производить ускоренное старение их в модельной щелочной среде.
2. Чтобы результаты оценки сцепляемости стержней с бетоном не зависели от прочностных свойств самого бетона, предложено бетон в испытываемом образце армировать по наружной поверхности трубой из стали или иного прочного материала.
3. При испытаниях на выдергивание стержня из бетона внешнюю нагрузку воспринимает передняя (обращенная к выдергивающей силе) часть образца (в стержнях периодического профиля это 3—4 витка). Установлено, что при увеличении глубины заделки стержней в бетон прочность сцепления закономерно уменьшается. Это связано с указанным выше обстоятельством. Поэтому предложено в образце для испытаний на выдергивание глубину заделки стержня в бетон ограничить размером в 4 витка (периода).

Другие предметы стандартизации очевидны. Конкретные формулировки требований по ним не нуждаются в специальных пояснениях, и они могут быть урегулированы в процессе публичного обсуждения стандарта с заинтересованными специалистами.