Актуальность замены металлической арматуры на композитную

Размещено на http://www.allbest.ru/

В настоящее время стеклопластиковая и базальтопластиковая композитная арматура всё чаще используется в различных отраслях промышленности и народного хозяйства. Уникальная технология производства арматуры позволяет получить высококачественный строительный материал, отвечающий всем современным требованиям надежности, качества и безопасности. Стоит также отметить, что композитная арматура довольно неприхотлива к условиях эксплуатации. Так, арматура может использоваться при различных температурных режимах, от - 70 и до +100 градусов Цельсия. Однако растущий спрос на данный материал обусловлен, прежде всего, тем, что арматура из стеклопластика практически не подвержена коррозии и имеет более длительный срок службы.

Актуальность замены металлической арматуры на композитную заключается в ряде преимуществ, а именно:

· Прочность на разрыв в 2 раза выше прочностных характеристик стальной арматуры класса А III.

· Нержавеющий материал.

· Арматура кислотостойкая. Очень хорошо стоит в морской воде.

· Арматура не гнется (имеет более упругие свойства).

· Неэлектропроводная - является диэлектриком.

· Практически не проводит тепло.

· Радиопрозрачна.

· Магнитоинертна (исключено изменение прочностных свойств композитной арматуры под воздействием электромагнитных полей).

· Не теряет свои прочностные свойства под воздействием сверхнизких температур.

· Легче металлической арматуры в 5 раз, а при равнопрочной замене в 9 раз.

· Любая строительная длина.

· Экономическая целесообразность (сокращение затрат на транспортировку).

Сравнительная характеристика металлической и стеклопластиковой арматуры представлена в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Сравнительные характеристики арматуры

Характеристики	Металлическая класса А-III (А400С)	Арматура композитная полимерная стеклопластиковая (АКС)
Материал	Сталь	Стеклоровинг, связанный полимером на основе эпоксидной смолы
Предел прочности при растяжении, МПа	390	1000
Модуль упругости, МПа	200 000	55 000
Относительное удлинение, %	25	2,2
Плотность, т/мі	7	1,9
Коррозионная стойкость к агрессивным средам	Коррозирует	Нержавеющий материал
Теплопроводность	Теплопроводна	Нетеплопроводная
Электропроводность	Электропроводна	Неэлектропроводная - является диэлектриком
Выпускаемые профили, мм	6 - 80	4 - 20
Длина	Стержни длиной 6-12 м	В соответствии с заявкой покупателя. Любая строительная длина. Возможна поставка в бухтах.
Экологичность	Экологична	Не токсична, по степени воздействия на организм человека и окружающую среду относится к 4 классу опасности (малоопасные)
Долговечность	В соответствии со строительными нормами	Прогнозируемая долговечность не менее 80 лет
Параметры равнопрочного арматурного каркаса при нагрузке 25 т/мІ	При использовании арматуры 8 А-III размер ячейки 14Ч14 см. Вес 5,5 кг/мІ	При использовании арматуры 8 АКС размер ячейки 23Ч23 см. Вес 0,61 кг/мІ. Уменьшение веса в 9 раз

Таблица 2. Равнопрочная замена арматуры по физико-механическим свойствам:

Металлическая класса А-III (А400С)	Арматура композитная полимерная стеклопластиковая (АКС)
6 А-III	4 АКС
8 А-III	5,5 АКС
10 A-III	6 АКС
12 А-III	8 АКС
14 А-III	10 АКС
16 А-III	12 АКС
18 А-III	14 АКС
20 А-III	16 АКС

История применения композитной арматуры

Исследования по созданию и изучению свойств высокопрочной неметаллической арматуры, определению областей её применения были начаты в СССР в 60-х годах прошлого века.

Была разработана непрерывная технология изготовления 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. Установлено влияние на эти показатели различных замасливателей, покрывающих волокно. Определена возможность получения 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*10-6.

Для улучшения сцепления арматуры с бетоном перед их термической обработкой стержней на них навивалась по спирали с усилением стеклянная нить, которая создавала ребристую поверхность. Стеклопластиковую арматуру с такими свойствами целесообразно использовать в предварительно напряжённых бетонных конструкциях, в конструкциях, к которым предъявляются особые требования в отношении коррозионной, электроизоляционной стойкости, немагнитность и радиопрозрачность.

Использование неметаллической арматуры в сочетании со специальными бетонами (полимерным, полимерсиликатным) повышает эффективность её применения.

В 70-ых годах XX века неметаллическая арматура была применена в конструкциях из лёгких бетонов (ячеистых бетонов, арболита и др.), а также в фундаментах, сваях, электролизных ваннах, балках и ригелях эстакад, опорных конструкциях конденсаторных батарей, плитах крепления откосов, безизоляторных траверсах и других конструкциях.

В 1976 г. построены два надвижных склада в районах гг. Рогачев и Червень. Несущие наклонные элементы верхнего пояса арок армированы четырьмя предварительно напряжёнными стеклопластиковыми стержнями диаметром 6мм. Стержни расположены в двух пазах сечением 10х18 мм, выбранных в нижней пластине элементов. Приопорные участки элементов (в коньковом и опорных узлах) усилены деревянными накладками из досок толщиной 20 мм.

Экономия древесины в несущих армированных элементах составила 22% , на 9% была снижена стоимость, масса конструкций уменьшена на 20%. Стоимость сооружения по сравнению с существующими типовыми решениями складов такой же емкости снизилась в 1,7 раза.

На кислотной станции Светлогорского комбината искусственного волокна перекрытия над технологическими галереями выполнены из полимербетона ФАМ со стеклопластиковой арматурой. Плиты армировали стеклопластиковыми стержнями диаметром 6 мм с предварительным напряжением ребер и плиты в поперечном направлении. Распределительная арматура полки выполнена без предварительного напряжения. Экономический эффект в результате снижения приведенных затрать на 1 м2 перекрытия составил 57,95 руб.

В 1969 г. ИСиА Госстроя БССР совместно с ГПИ «Сельэнергопроект» (г. Москва) разработаны и исследованы электроизолирующие траверсы для ЛЭП-10 кВ и ЛЭП-35 кВ. В 1970г. в районе Костромы сдан в эксплуатацию опытный участок ЛЭП-10 кВ со стеклопластбетонными траверсами. 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 стеклопластбетонных элементов (лучей), соединённых болтами на стальной пластине, которая хомутами закреплялась на вершине железобетонной опоры.

В 1975 г. в Гродно и Солигорске сданы в эксплуатацию два опытных участка ЛЭП-10 кВ с траверсами из стеклопластбетона. Конструкция траверсы сборная, трёхлучевая, состоит из двух прямолинейных предварительно напряжённых стеклопластбетонных элементов: горизонтального, на котором расположены два провода, и вертикального на вершине которого крепится третий провод. Сборная траверса основанием вертикального элемента присоединена к железобетонной опоре ЛЭП с применением стальных хомутов. Траверсы изготовлены из электроизолирующего бетона. Арматура - четыре стержня диаметром 6 мм в каждом элементе.

В 1979г. в районе г. Батуми сданы в эксплуатацию два опытных участка опор ЛЭП на 0,4 и 10 кВт с траверсами из бетонополимера, армированного стеклопластиковой арматурой диаметром 6 мм.

Годовой экономический эффект от внедрения стеклопластбетонных безизоляторных траверс на 1 км линии электропередач составил 61,01 руб.

На Усть-Каменогорском комбинате цветной металлургии освоено производство предварительно напряжённых электролизных ванн из ФАМ полимербетона, армированного стеклопластиковыми стержнями диаметром 6 мм. Размерами ванны в плане 1080х2300 мм, высота 1650 мм, толщина стенки 100 мм. Стенки и днище армированы двойной симметричной арматурой с шагами стержней 200 мм. Экономический эффект на одну ванну без учёта затрат, связанных с остановкой производства при замене железобетонных ванн, - 1015, 5 руб.

В 1975 г. по проекту кафедры «Мосты и тоннели» Хабаровского политехнического института закончено строительство первого в мире клееного деревянного моста длиной 9 м, балки которого с поперечным сечением 20х60 см изготовлены из древесины ели и армированы четырьмя предварительно напряжёнными пучками из четырёх стеклопластиковых стержней диаметром 4 мм.

Второй мост в СССР со стеклопластиковой арматурой построен в 1981г. в Приморском крае через р. Шкотовка. Пролётное строение моста состоит из шести металлических двутавров №45, предварительно напряженных затяжками из 12 стеклопластиковых стержней диаметром 6 мм. Балки объединены монолитной железобетонной плитой проезжей части. Пролетное строение имеет длину 12 м, габариты проезжей части и тротуаров - Г8+2х1 м, расчётные нагрузки Н-30, НК-80.

В Хабаровском крае мост с применением стеклопластиковой арматуры построен в 1989 г. 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 начальные 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-I и А-II было оставлено без изменений.

В Германии в начале 80-х годов стеклопластиковую 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.

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 портом сооружений.

В США стеклопластиковая арматура Parafil применена в конструкциях фундамента и пола при строительстве госпиталя Сан-Антонио (штат Техас).

Высокая коррозионная стойкость каната Parafil даёт возможность применять их вместо стальной арматуры в условиях, в которых сталь корродирует. С использованием канатов Parafil можно изготавливать фундаментные балки и плиты, сваи и элементы конструкций, эксплуатируемых в морской воде.

Канаты можно применять в качестве внешней напрягаемой арматуры при строительстве мостов. С использованием такой арматуры построен виадук в Великобритании, а также мост в США.

Канаты Parafil пригодны при ремонте различных конструкций, в качестве вант в конструкциях платформ для добычи нефти в открытом море и других случаях.

Фирмой Statestyle, Ltd. (Великобритания) предложен способ производства полужестких сеток из стеклопластика Fibremesh-G. В процессе производства на сетку из стекловолокна наносится полиэфирная смола, которая пропитывает пряди стекловолокна, и, отверждаясь, образует долговечный материал. Сетки из стеклопластика предназначены для различных целей, в том числе для использования в строительстве. При проведении отделочных работ на них наносится штукатурка. Сетки можно крепить к поверхности древесины, кирпича, бетона вместо обычных металлических сеток. Размеры отверстий сеток из стеклопластика 4 и 2,5 мм, линейная плотность 410 и 260 г/м. Сетки поставляются в рулонах шириной 1,5 м и длиной до 50 м. Прочность на растяжение сеток марок 410 G соответственно 5,05 и 2,60 кН/5 см.

Разработаны и смонтированы две опытно-промышленные установки по традиционному принципу пултрузии и по новой безфильерной технологии. Последняя технология обеспечивает значительно более высокую производительность производства композитной неметаллической арматуры базальтопластиковой и стеклопластиковой, поэтому эта технология выбрана как наиболее перспективная.

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

Неметаллическую композитную арматуру (НКА) рекомендуется использовать в бетонах, которые характеризуются пониженным защитным действием по отношению к стальной арматуре:

· в бетонах на портландцементе с содержанием щелочей не более 0,6% шлакопортландцементе, пуццолановом цементе, смешанных вяжущих (гипсоцементно-пуццолановом, цементах с низкой водопотребностью, с высоким содержанием активных минеральных добавок);

· в монолитных бетонах с хлоридсодержащими противоморозными добавками, не содержащими щелочей (хлорид кальция ХК, нитрат-хлорид кальция НХК, нитрат-хлорид кальция с мочевиной НХКМ и др.);

· в крупнопористых бетонах для дренажных труб, лёгких крупнопористых бетонах, монолитных ячеистых бетонах;

· для армирования конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных хлоридных сред: тротуарных плит, дорожных покрытий и др.

Рекомендуемой областью применения НКА является наружный слой трёхслойных панелей и гибкие связи, что позволяет улучшить внешний вид здания (отсутствие потеков ржавчины) и повысить теплотехнические характеристики стен, а также в слоистых стенах с гибкими связями.

ПКМ используются и исследуются достаточно давно [1], однако, полученные в результате исследований знания позволяют оценивать качественное или приближенное количественное поведение композиционного материала (КМ), но не позволяют для конкретного изделия или конкретной конструкции назвать значения тех или иных механических, а, тем более, предсказать значения этих характеристик с учетом условий длительной эксплуатации. Кроме того, для круглых стеклопластиковых стержней малого сечения практически отсутствуют надежные, достоверные и удобные для применения в заводских лабораториях методы определения характеристик. Необходима адаптация методов испытаний с учетом геометрических параметров стержней и условий применения методик испытаний.

В связи с этим для определения механических характеристик стержней круглого сечения на Бийском заводе стеклопластиков разработаны оригинальные методики испытаний, включенные в технические условия и частично опубликованные в литературе [2-6]. Большое внимание уделяется длительным испытаниям при одновременном воздействии неблагоприятных факторов - температуры, влажности, агрессивной среды, циклическим и динамическим испытаниям.

Основными видами продукции производственного назначения из однонаправленного стеклопластика Бийского завода стеклопластиков являются:

- строительная стеклопластиковая арматура (СПА);

- строительные стеклопластиковые дюбели;

- центральный силовой элемент (СЭ) для волоконно-оптического кабеля;

- стержень стеклопластиковый (СПС) для электрических изоляторов;

- анкер стеклопластиковый для шахтной крепи.

Основные характеристики этих изделий (по данным технических условий) приведены в таблице. Следует отметить, что все характеристики, гарантируемые в ТУ, имеют запас по каждому параметру, или находятся на нижнем уровне 95 %-го доверительного интервала (определенному по статистическим результатам испытаний). Среднегодовые результаты механических испытаний превосходят гарантируемые в ТУ значения как минимум в 1,2-1,5 раза.

Таблица 3. Основные физикомеханические характеристики однонаправленных стеклопластиковых стержней ООО «Бийский завод стеклопластиков»

Общие характеристики однонаправленного стеклопластика
1. Плотность, кг/м 3	1950…2200
2. Коэффициент теплопроводности, Вт/(м Ч К)	0,46…0,5
3. Коэффициент линейного расширения, К -1	(0,55…0,65)·10 -5
4. Водопоглощение, %, не более	0,05
5. Тангенс угла диэлектрических потерь	0,045…0,055
6. Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом, не менее	1,0 Ч 10 15
1. Арматура стеклопластиковая ТУ 2296-001-20994511
1.1 Диаметр, мм	От 2 до 10
1.2 Предел прочности при поперечном изгибе, МПа , не менее	1585
1.3 Предел прочности при растяжении, МПа, не менее	1000
1.4 Предел прочности при сжатии, МПа, не менее	820
1.5 Модуль упругости при растяжении, МПа, не менее	50 000
1.6 Предел прочности по напряжениям сдвига вдоль волокон при поперечном изгибе арматуры, МПа, не менее	35
1.7 Предел прочности при срезе арматуры поперек волокон, МПа, не менее	185
1.8 Температура стеклования связующего, єС , не менее	89

Перспективы применения неметаллической арматуры в преднапряженных бетонных конструкциях

Интерес к неметаллической арматуре возник 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. И, наконец, надо было учитывать ограниченность запаса руд, пригодных для производства стали и всегда дефицитных легирующих присадок.

Практическое решение возникшей проблемы стало возможным благодаря ускоренному развитию химической промышленности. В ряде технически развитых стран (Германия, Нидерланды, СССР, Япония, США и др.) были начаты соответствующие научные исследования.

В качестве несущей основы высокопрочной неметаллической арматуры сначала было принято щелочестойкое стеклянное волокно диаметром 10-15 мкм, пучок которого объединялся в монолитный стержень посредством синтетических смол: эпоксидной, эпоксифенольной, полиэфирной и др. В СССР (Минск, Москва, Харьков) была разработана непрерывная технология изготовления такой арматуры диаметром 6 мм из щелочестойкого стекловолокна малоциркониевого состава марки Щ-15 ЖТ, подробно изучены ее физико-механические свойства. Особое внимание уделялось изучению химической стойкости и долговечности стекловолокна и арматуры на его основе в бетоне при воздействии различных агрессивных сред. Выявлена возможность получения стеклопластиковой арматуры со следующими показателями: временное сопротивление разрыву - до 1500 МПа; начальный модуль упругости - 50 000 МПа; плотность - 1,8...2 т/м3 при содержании стекловолокна 80 % (по массе); рабочая диаграмма при растяжении - прямолинейна вплоть до разрыва (предельные деформации к этому моменту достигают 2,5-3 %); долговременная прочность арматуры в нормальных температурно-влажностных условиях - 65 % от временного сопротивления; коэффициент линейного расширения - 5,5...6,5 o 10-6.

Были всесторонне исследованы опытные предварительно напряженные изгибаемые элементы с такой арматурой под воздействием статических нагрузок, разработаны технологические правила изготовления арматуры и рекомендации по проектированию бетонных конструкций с неметаллической арматурой, намечены целесообразные области их применения.

В последние годы в России начали больше внимания уделять изучению неметаллической арматуры из базальтового волокна, производство которого менее трудоемко, а сырье вполне доступно. Можно констатировать, что в нашей стране разработаны основные исходные данные для промышленного выпуска стеклопластиковой арматуры диаметром 6-8 мм, проектирования и изготовления различных предварительно напряженных конструкций с такой арматурой, намечены области их применения.

В Германии разработана и подробно изучена стеклопластиковая арматура диаметром 7,5 мм из алюмоборосиликатного стекловолокна и полиэфирной смолы под названием "полисталь". Испытания на статические, динамические и длительные нагрузки позволили установить следующие исходные характеристики этой арматуры: кратковременная прочность на растяжение - 1650 МПа; модуль упругости - 51000 МПа; удлинение при разрыве - 3,3 %; долговременная прочность - 1100 МПа; потери напряжения от релаксации - 3,2 %; перепад напряжений при 2*106 циклах нагружений - 55 МПа; коэффициент температурного расширения - 7-10-6.

После испытания опытных балок были разработаны основные положения по расчету и конструированию ответственных инженерных сооружений. За последние годы было возведено десять одно-, двух- и трехпролетных автодорожных и пешеходных мостов с арматурой "полисталь". Пролетные строения мостов, достигавшие 25 м, армировались пучками из стеклопластиковых стержней диаметром 7,5 мм с натяжением на бетон. На стержни наносилось защитное полиамидное покрытие толщиной 0,5 мм. Число стержней в пучке - 19, рабочее усилие натяжения пучка - 600 кН.

Особое внимание разработке проблемы создания и применения высокопрочной неметаллической арматуры уделяется в Японии. Освоено производство фибропластиковой арматуры на базе углеродных и арамидных волокон, исследованы их физико-механические свойства. Проволока и канаты изготовляются из углеродного волокна диаметром 7 мкм с пределом прочности 3600 МПа. Проволока собирается из 12 тыс. волокон, соединяемых между собой пластиком. Из проволоки свиваются канаты различной несущей способности, подвергаемые после свивки термической обработке.

Разработан перспективный сортамент арматуры, в который входят проволока, а также 7-, 9- и 37-про-волочные канаты с усилием от 10 до 100 кН. Например, установлены характеристики 7-проволочных угле-пластиковых канатов: временное сопротивление - 1750 МПа; модуль упругости - 140 000 МПа; удлинение при разрыве - 1,6 %; плотность - 1,5 т/м3; релаксация напряжений - 2,5 %; теплостойкость - 200 °С; высокие кислото - и щелочестойкость.

Разработана арматура из арамидных волокон диаметром от 3 до 16 мм с разрывным усилием 8*250 кН. Стержни получают путем сплетения жгутов из непрерывных волокон с последующей пропиткой пластиком и тепловой обработкой. Предельное удлинение арматуры при разрыве - 2 %, модуль упругости - 66 ООО МПа. Следует отметить, что эта арматура малых диаметров (до 5 мм) пригодна для поперечного спирального армирования конструкций.

В Японии проведен значительный комплекс исследований опытных балочных конструкций с различными видами неметаллической арматуры, возведены автомобильные и пешеходные мосты небольших пролетов. Ведутся активные исследования возможности применения углепластиковой арматуры в различных областях строительства. Так, высокопрочные ленты различного поперечного сечения из углепластика начали использовать для усиления железобетонных конструкций в эксплуатируемых ответственных сооружениях.

Необходимо отметить пионерные работы, выполненные в Нидерландах с неметаллической арматурой из арамидных волокон. Накопленный материал по свойствам такой арматуры прямоугольного и круглого сечения был впервые доложен на конгрессе FIB в 1986 г. и вызвал большой интерес. Позднее в этой же стране была разработана композитная проволока диаметром 5 мм из углеродных волокон и эпоксидного связующего. Временное сопротивление проволоки колеблется от 2300 до 3300 МПа в зависимости от прочности волокна и доли его содержания в сечении. Освоено производство такой проволоки и получен опыт ее применения в качестве напрягаемой арматуры в сваях. Отмечается перспективность применения пучков из композитной проволоки в вантах большепролетных мостов и для внешнего армирования различных предварительно напряженных конструкций [7,8,10].

Большой эксперимент проведен учеными США и Канады на одном пролете предварительно напряженного балочного автодорожного моста, армированного проволокой и канатами из углепластика японского производства. Применение современных измерительных систем и продолжение испытаний вплоть до разрушения позволили получить обширный комплекс данных, необходимых для положительной оценки мостов с такой арматурой.

Долговечность стеклопластиковой арматуры в многослойных ограждающих конструкциях

В настоящее время наиболее перспективным направлением улучшения теплозащитных характеристик наружных стен является переход на многослойные ограждающие конструкции с эффективным и легким утеплителем.

Применение таких конструкций дает возможность повысить до требуемых величин сопротивление теплопередаче без увеличения их толщины. Однако некоторую сложность представляет соединение наружного и внутреннего слоев стеновых конструкций через средний слой утеплителя. Один из возможных вариантов - применение в качестве гибких связей стеклопластиковой арматуры. В настоящее время высказываются сомнения в долговечности этих изделий. Исследовалась долговечность стержней. Общий вид испытываемого стеклопластикового стержня по ТУ 2296-001-2099451 показан на рисунке 1. По замерам средний диаметр испытываемых образцов в рабочей зоне составлял 7,09 мм. Для изготовления стержней использованы алюмосиликатные стеклянные волокна, пропитанные связующим на отверждаемых эпоксидных смолах марок ЭД-20 или ЭД-22.

Исследования проводились по специальной методике, которая предусматривала моделирование естественных условий эксплуатации стеклопластиковых стержней с анкерными зацепами в составе стеновой трехслойной панели с железобетонными наружным и внутренним слоями-пластинами.

При эксплуатации в составе многослойной стеновой панели анкерные зацепы стеклопластиковой арматуры находятся в бетоне, щелочная среда которого характеризуется рН 12,5, средняя же часть стержня находится в слабокислой среде, которая создается содержанием углекислого газа и водяных паров между слоями-пластинами, с изменяющейся рН 5...6. Кроме того, в случае изменения температур внутреннего и наружного воздуха стеклопластиковый стержень претерпевает воздействие знакопеременных температур. И, наконец, на стержень действует механическая нагрузка.

При моделировании естественного эксплуатационного режима стеклопластикового стержня в составе стеновой панели предполагалось, что при воздействии на стеклопластиковую арматуру влажной химически активной среды, имитирующей среду бетона и утеплителя, знакопеременных температур и нагрузки будет происходить старение материала, вызывающее нарушения в структуре стеклопластика (растрескивание и эрозию связующего полимера, выщелачивание стекловолокна). Предполагалось, что старение материала стеклопластиковой арматуры отразится на его физико-механических характеристиках.

Для испытаний была принята стеклопластиковая арматура, предварительно состаренная до 62 лет в условиях умеренного климата (коэффициент старения гсб= 0,695) по методике ускоренного старения, составленной на основе ГОСТ 16350 и результатов исследований Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова.

Воздействие среды на образцы стеклопластиковой арматуры осуществлялось путем неплотного обертывания тканью, смоченной в химически активных растворах. В качестве химически активных модельных сред были приняты: щелочная среда -буферный раствор с рН = 13 на основе Са(ОН)2, кислая среда - буферный раствор с рН = 5,5 на основе НСl.

Часть состаренных до 62 лет образцов стеклопластиковой арматуры испытывались с обетонированными анкерными зацепами. Для обетонирования анкерных частей стеклопластиковых стержней был использован бетон класса В15 плотностью 2 100 кг/куб. м, с маркой по морозостойкости F150, заливаемый в металлическую обойму-цилиндр диаметром 60 мм, подверженный вибрированию и тепловлажностной обработке в пропарочной камере (стандартный для бетонов режим с максимальной температурой пропаривания: +85±5 0С).

Для образцов с обетонированными анкерными зацепами щелочная среда создавалась самим бетоном, а на среднюю часть воздействовал слабокислый буферный раствор, были созданы условия, приближенные к естественным. Часть этих образцов, кроме воздействия химически активной среды, воспринимала еще и воздействие внешней нагрузки, этим было достигнуто максимальное приближение к естественным условиям. Моделирование внешней нагрузки (механическое нагружение - осевая растягивающая нагрузка) проводилось при помощи специального пружинного устройства, которое поддерживало расчетное напряжение (усилие порядка 530 кгс) на протяжении всего испытания «замораживание-оттаивание».

Воздействие знакопеременных температур моделировалось путем попеременного замораживания образцов во влажном состоянии и последующего оттаивания в воде по режимам, соответствующим ГОСТ 10060.1-95. Замораживание производилось в морозильной камере при температуре t = -18±2 0Св течение 2,5 ч, оттаивание проходило в воде при t = 18±2 0С в течение 2 ч (для образцов испытуемых с химически активной средой - 1,5 ч в воде при освобождении от обертывания и 0,5 ч на воздухе с обертыванием). Количество циклов попеременного замораживания-оттаивания было принято на основании требований ГОСТ 11024-84 к марке по морозостойкости наружного слоя трехслойных стеновых панелей и составило 50 циклов.

Основными задачами исследования были определение влияния длительного воздействия среды, климатических факторов и длительного приложения нагрузки на физические, прочностные и деформационные характеристики стеклопластиковых стержней с анкерными зацепами, а также влияния на прочность и деформации гибкой связи в целом. После окончания воздействия климатических и механических воздействий определялись физические и механические характеристики стержней, а именно: плотность, водопоглощение, деформативность и прочность стеклопластикового стержня при изгибе (часть образцов), а также деформативность и прочность на вырыв стеклопластикового стержня с анкерным зацепом из бетона. Последнее не характеризует старение самого стержня, но чрезвычайно важно для проектирования конструкций с использованием этих стержней. При растяжении пластикового стержня разрушение происходило в районе головок, такое разрушение не характеризует старение собственно пластикового стержня, поэтому эти испытания были прекращены. Для каждого образца последовательно определялись, пока это было возможно, все характеристики.

По результатам исследования выяснено, что плотность стеклопластиковых стержней стабильна, не зависит от воздействия рассматриваемых факторов и находится в пределах 2,00-2,03 г/куб. см (по ТУ завода - 1,95-2,00 г/куб. см).

Водопоглощение стеклопластиковых стержней с анкерными зацепами в исходном состоянии по требованиям ТУ должно составлять 0,12%. Ускоренное климатическое старение образцов увеличило показатель водопоглощения до 1,44%. После 50 циклов замораживания-оттаивания состаренных стержней показатель водопоглощения еще несколько увеличился и в среднем составил 1,5%.

При испытании на изгиб обнаружено снижение прочности пластикового стержня при термовлажностной обработке в пределах 6%, влияние остальных факторов, если оно и имеется, находится в пределах 1%. Введение снижающего коэффициента порядка 0,9 учтет с избытком все возможные воздействия. Деформативность стержней, характеризуемая секущим модулем деформаций, имеет общий разброс порядка 7%, какой-либо закономерности в испытании не обнаружено.

Испытания на вырыв стержня из бетона показали, что вне зависимости от прочих факторов попеременное замораживание-оттаивание при отсутствии натяжения снижает прочность сопряжения. Представляется, что на контакте стеклопластикового стержня и бетона в этом случае происходит накопление влаги (образование линз воды - льда), которое при многократном замораживании приводит к повреждению контактного слоя, вызывает увеличение деформаций и их разброса и, как следствие, может влиять на характер разрушения. Целесообразно для учета этого явления ввести понижающий коэффициент порядка 0,9.

На сцепление стержня с бетоном влияет попеременное замораживание-оттаивание вне зависимости от остальных факторов. Это влияние обусловлено образованием линз воды на контакте материалов в силу их разного теплосопротивления, механическое прижатие головки стержня к бетону исключает образование линз в опасной зоне. Обнаруженное влияние может быть учтено понижающим коэффициентом 0,9 или компенсировано специальной конструкцией сопряжения.

Стеклопластиковая арматура занимает все более прочные позиции в современном дорожном строительстве. Это обусловлено, с одной стороны, ее высокой удельной прочностью (отношением прочности к удельной массе), с другой стороны, высокой коррозионной стойкостью, морозостойкостью, низкой теплопроводностью.

Конструкции, где используется стеклопластиковая арматура, неэлектропроводны, что очень важно для исключения блуждающих токов и электроосмоса. В связи с более высокой стоимостью по сравнению со стальной арматурой, стеклопластиковая арматура используется, главным образом, в ответственных конструкциях, к которым предъявляются особые требования. К таким конструкциям относятся морские сооружения, особенно те их части, которые находятся в зоне переменного уровня воды.

Химическое действие морской воды обусловлено, главным образом, присутствием сернокислого магния, который вызывает два вида коррозии бетона - магнезиальную и сульфатную. В последнем случае в бетоне образуется комплексная соль (гидросульфоалюминат кальция), увеличивающаяся в объеме и вызывающая растрескивание бетона.

Другим сильным фактором коррозии является углекислота, которую выделяют органические вещества при разложении. В присутствии углекислоты нерастворимые соединения, обусловливающие прочность, переходят в хорошо растворимый бикарбонат кальция, вымываемый из бетона.

Морская вода действует наиболее сильно на бетон, находящийся непосредственно над верхним уровнем воды. При испарении воды в порах бетона остается твердый остаток, образующийся из растворенных солей. Постоянное поступление воды в бетон и последующее ее испарение с открытых поверхностей приводит к накоплению и росту кристаллов соли в порах бетона. Этот процесс сопровождается расширением и растрескиванием бетона. Кроме солей надводный бетон испытывает на себе действие попеременного замораживания и оттаивания, а также увлажнения и высыхания.

В зоне переменного уровня воды бетон разрушается в несколько меньшей степени, из-за отсутствия солевой коррозии. Подводная часть бетона, не подвергающаяся циклическому действию указанных факторов, разрушается редко.

В работе [11] приведен пример разрушения железобетонного свайного пирса, сваи которого, высотой 2,5 м, в зоне переменного горизонта воды не были защищены. Уже через год было обнаружено почти полное исчезновение бетона из этой зоны, так что пирс держался на одной арматуре. Ниже уровня воды бетон остался в хорошем состоянии.

Возможность изготовления долговечных свай для морских сооружений заложена в применении поверхностного стеклопластикового армирования. Такие конструкции по коррозионной стойкости и морозостойкости не уступают конструкциям, выполненным полностью из полимерных материалов, а по прочности, жесткости и устойчивости их превосходят.

Долговечность конструкций с внешним стеклопластиковым армированием определяется коррозионной стойкостью стеклопластика. Благодаря герметичности стеклопластиковой оболочки бетон не подвергается воздействию среды и поэтому его состав может подбираться только исходя из требуемой прочности.

К бетонным элементам, где используется стеклопластиковая арматура, в основном применимы принципы проектирования железобетонных конструкций. Аналогична и классификация по видам применяемой стеклопластиковой арматуры. Армирование может быть внутренним, внешним и комбинированным, представляющим собой сочетание первых двух [12,13].

Внутреннее неметаллическое армирование применяется в конструкциях, эксплуатируемых в средах, агрессивных к стальной арматуре, но не агрессивных по отношению к бетону. Внутреннее армирование можно разделить на дискретное, дисперсное и смешанное. К дискретному армированию относятся отдельные стержни, плоские и пространственные каркасы, сетки. Возможна комбинация, например, отдельных стержней и сеток и др.

Наиболее простым видом стеклопластиковой арматуры являются стержни нужной длины, которые применяются взамен стальных. Не уступая стали по прочности, стеклопластиковые стержни значительно превосходят их по коррозионной стойкости и поэтому используются в конструкциях, в которых существует опасность коррозии арматуры. Скреплять стеклопластиковые стержни в каркасы можно с помощью самозащелкивающихся пластмассовых элементов или связыванием.

Дисперсное армирование заключается во введении в бетонную смесь при перемешивании рубленных волокон (фибр), которые в бетоне распределяются хаотично. Специальными мерами можно добиться направленного расположения волокон. Бетон с дисперсным армированием обычно называют фибробетоном.

В случае агрессивности среды к бетону эффектной защитой является внешнее армирование. При этом внешняя листовая арматура может выполнять одновременно три функции: силовую, защитную и функцию опалубки при бетонировании.

Если внешнего армирования недостаточно для восприятия механических нагрузок, применяется дополнительная внутренняя арматура, которая может быть как стеклопластиковой, так и металлической.
Внешнее армирование разделяется на сплошное и дискретное. Сплошное представляет собой листовую конструкцию, полностью покрывающую поверхность бетона, дискретное - элементы сетчатого типа или отдельные полосы. Наиболее часто осуществляется одностороннее армирование растянутой грани балки или поверхности плиты. При одностороннем поверхностном армировании балок целесообразно завести отгибы листа арматуры на боковые грани, что повышает трещиностойкость конструкции. Внешнее армирование может устраиваться как по всей длине или поверхности несущего элемента, так и в отдельных, наиболее напряженных участках. Последнее делают только в тех случаях, когда не требуется защита бетона от воздействия агрессивной среды.

Основная идея конструкций с внешним армированием состоит в том, что герметичная стеклопластиковая оболочка, надежно защищает бетонный элемент от воздействий внешней среды и, одновременно, выполняет функции арматуры, воспринимая механические нагрузки.

Возможны два пути получения бетонных конструкций в стеклопластиковых оболочках. Первый включает изготовление бетонных элементов, их сушку, а затем заключение в стеклопластиковую оболочку, путем многослойной обмотки стекломатериалом (стеклотканью, стеклолентой) с послойной пропиткой смолой. После полимеризации связующего обмотка превращается в сплошную стеклопластиковую оболочку, а весь элемент - в трубобетонную конструкцию.

Второй основан на предварительном изготовлении стеклопластиковой оболочки и последующем заполнении ее бетонной смесью.

Первый путь получения конструкций, где используется стеклопластиковая арматура, дает возможность создания предварительного поперечного обжатия бетона, что существенно повышает прочность и снижает деформативность получаемого элемента. Это обстоятельство особенно важно, так как деформативность трубобетонных конструкций не позволяет в полной мере воспользоваться значительным увеличением прочности. Предварительное поперечное обжатие бетона создается не только натяжением стеклонитей (хотя в количественном отношении оно составляет основную часть усилия), но и за счет усадки связующего в процессе полимеризации.

Стойкость стеклопластиков к воздействию агрессивных сред в основном зависит от вида полимерного связующего и волокна. При внутреннем армировании бетонных элементов стойкость стеклопластиковой арматуры должна оцениваться не только по отношению к внешней среде, но и по отношению к жидкой фазе в бетоне, так как твердеющий бетон является щелочной средой, в которой обычно применяемое алюмоборосиликатное волокно разрушается. В этом случае должна быть обеспечена защита волокон слоем смолы или использованы волокна другого состава. В случае неувлажняемых бетонных конструкций коррозии стекловолокна не наблюдается [12]. В увлажняемых конструкциях щелочность бетонной среды можно существенно понизить, используя цементы с активными минеральными добавками.

Испытания показали [14], что стеклопластиковая арматура имеет стойкость в кислой среде более чем в 10 раз, а в растворах солей более чем в 5 раз выше стойкости стальной арматуры. Наиболее агрессивной для стеклопластиковой арматуры является щелочная среда. Снижение прочности стеклопластиковой арматуры в щелочной среде происходит в результате проникновения жидкой фазы к стекловолокну через открытые дефекты в связующем, а также посредством диффузии через связующее. Следует отметить, что номенклатура исходных веществ и современные технологии получения полимерных материалов позволяют в широких пределах регулировать свойства связующего для стеклопластиковой арматуры и получать составы с чрезвычайно низкой проницаемостью, а следовательно свести к минимуму коррозию волокна.

Традиционные способы усиления и восстановления железобетонных конструкций достаточно трудоемки и часто требуют продолжительной остановки производства. В случае агрессивной среды после ремонта требуется создать защиту сооружения от коррозии. Высокая технологичность, малые сроки твердения полимерного связующего, высокая прочность и коррозионная стойкость внешнего стеклопластикового армирования предопределили целесообразность его использования для усиления и восстановления несущих элементов сооружений. Применяемые для этих целей способы зависят от конструктивных особенностей ремонтируемых элементов.

Рис.1. Классификация конструкций с использованием неметаллической композитной арматуры и варианты их применения

Одним из элементов трехслойных ограждающих конструкций (ОК) для мостов и бетонных плит являются гибкие связи (ГС).

Теплосопротивление ОК определяется в основном теплосопротивлением слоя эффективного утеплителя (пенополистирола, минераловатной плиты).

В качестве показателя значимости теплопотерь авторы предлагают ввести коэффициент К - как отношение количества тепла (Qсв), которое может передаваться через ГС, к аналогичному показателю (Qутепл.) утеплителя.

Металлические ГС в настоящее время используются как в виде дискретных ГС (обычно их требуется на каждый квадратный метр 4 штуки диаметром 6 мм), так и в виде металлической кладочной сетки с ячейками от 50х50 мм до 150х150 мм с диаметром стержней 5 мм, которая укладывается слоями через 0,5 м или 1 м.

Средняя цена минераловатного утеплителя ROCKWOOL (Кавити баттс) при толщине слоя 150 мм на 1 м2 с накладными расходами принята авторами за 300 руб.

Базальтопластиковые ГС по 4 штуки на каждый квадратный метр обойдутся всего в 20 рублей.

ГС для ОК, кроме низкой теплопроводности, должны обладать достаточной прочностью и жесткостью для восприятия нагрузок от смещения наружного и внутреннего слоев, иметь высокую коррозионную стойкость. На металлических деталях конденсируется влага, а при замерзании конденсата происходит разрушение строительного раствора, а значит разрушение стен здания. Считается, что ГС из оцинкованной стали частично решают проблему коррозии. Среда влажного бетона и раствора является щелочной, а по данным Института физической химии РАН, скорость коррозии цинкового покрытия в агрессивной среде составляет 3-5 мкм/год. Из этого следует, что при толщине цинкового покрытия 15-20 мкм обеспечить долговечность стальных ГС порядка 40-50 лет невозможно [15]. Наиболее перспективный вариант - применение специальных ГС из композитных материалов.

Сравнительные испытания различных ГС на щелочестойкость проводились нами по методике ускоренного старения, принятой НИИЖБ. Наряду с базальтопластиковыми ГС (БПА-6) испытания проходили стеклопластиковые ГС Бийского завода (СПА-5,5) и коннекторы американской фирмы «Композит Технолоджи Корпорейшн» (СТС). Наилучшие показатели у продукции Американской фирмы СТС и продукции компании «Гален» (г. Чебоксары). Остаточная прочность составляет соответственно 88 и 85%. Стеклопластик СПА теряет 87% прочности, остаточная прочность составляет 13%.

Аналогичные результаты были получены в ходе испытаний в НИИЖБ [16] и подтверждены ранее проведенными исследованиями. Применение базальтопластиковых ГС позволяет: уменьшить потери тепла в жилых и промышленных зданиях в соответствии с требованиями СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника»; до 2-х раз снизить затраты на теплоизоляционный материал; уменьшить суммарную толщину стены; уменьшить общие затраты на строительство, а так же повысить надежность и долговечность ОК.

В существующей мировой практике основным методом оценивания сцепления арматуры с бетоном является балочный метод RILEM/CEB/FIP [1], который предусматривает испытания специальных образцов бетонной балки на изгиб.

Балка состоит из двух половинок, соединенных между собой в растянутой зоне испытуемыми арматурными стержнями, а в сжатой зоне шарниром в виде двух закладных деталей и стальным цилиндром между ними. Испытуемый арматурный стержень на середине каждой из половинок имеет сцепления с бетоном длиной 10d (d - диаметр стержня), а на других участках расположен в специальных трубках, которые исключают его сцепление с бетоном.

В качестве критерия соответствия сцепления с бетоном требованиям проектирования, в частности EN 1992-1-1 [2] для стальной арматуры, при испытаниях балочным методом RILEM/CEB/FIP [1] принимаются такие условия:

Где - среднее значение касательных напряжений в МПа сцепления при сдвиге свободного конца стержня на 0,001 мм, 0,1 мм и 1 мм по результатам испытаний;

- касательные напряжения при разрушении(выдергивании);

d - диаметр стержня в мм.

Проведение экспериментальных исследований включали в себя испытания на сцепление композитной базальтопластиковой и стеклопластиковой арматуры с бетоном балочным методом RILEM/CEB/FIP [1].

В качестве исследуемых образцов для проведения испытаний были приняты стержни стеклопластиковой арматуры диаметром 8 мм, 12 мм и базальтопластиковой арматуры диаметром 8 мм, 10 мм и 12 мм. Композитная арматура была изготовлена методом пультрузии, общий вид образцов арматуры приведен на рис. 3

Рис.2 Общий вид образцов стеклопластиковой (а) базальтопластиковой (б) арматуры.

Испытуемые образцы (балки) для проведения эксперимента имели прямоугольное поперечное сечение 120х220 мм, полную длину - 1230 мм, длина половинок - 600 мм, зазор между половинками балки - 30 мм (см. рис. 3).

Рис.3. Конструкция экспериментальных образцов.

1 - композитная арматура

2 - пластиковая трубка

3 - стальной цилиндр

Балки испытывались двумя сосредоточенными силами. В процессе испытания измерялись перемещения расположенных на торце балок свободного конца исследуемого стержня. Схема испытания балок приведена на рис. 4.

Рис.4 Схема испытания исследуемых образцов.

Исследуемые образцы изготавливались из бетона класса В30 с фракцией крупного заполнителя 10-20 мм.

Схватывание образцов происходило в нормальных условиях, разопалубка производилась на 3-4 сутки после бетонирования. Для контроля прочности бетона на давление (класс бетона) изготавливались кубические образцы размерами 100х100х100 мм.

Испытания образцов (балок и кубов) проводились в возрасте 30-38 суток. Загрузка образцов осуществлялась пошагово по 0,1 от предполагаемой граничной нагрузки вырова арматурного стержня из бетона. Величина нагрузки контролировалась опытным динамометром с индикатором стрелочного типа.

Сдвиг свободных концов исследуемого арматурного стержня измерялся индикатором стрелочного типа с границей измерения 1 мм и точностью 0,001 мм.

На каждом шаге нагрузки выдерживалось 15 секунд, во время которых снимались показания индикаторов.

Средние данные результатов проведенных экспериментальных исследований по пяти образцам-балкам каждого диаметра и типа арматуры приведены в табл.3 и на рис. 4-7 в виде:

· средних значений исследуемых касательных напряжений ф_m, ф_r и нормированных по (1) и (2) (см. табл.3);

· графики средних зависимостей касательных напряжения-деформации сдвига для композитной стеклопластиковой арматуры диаметром 8, 12 мм (см. рис.4);

· графики средних зависимостей касательных напряжения-деформации сдвига для композитной базальтопластиковой арматуры диаметром 8, 10, 12 мм (см. рис.5);

· графики средних зависимостей касательных напряжения-деформации сдвига для композитной стеклопластиковой и базальтопластиковой арматуры диаметром 8 мм (см. рис.6);

· графики средних зависимостей касательных напряжения-деформации сдвига для композитной стеклопластиковой и базальтопластиковой арматуры диаметром 12 мм (см. рис.7).

Таблица 3

№	Диаметр образца, мм	Тип волокна основы	Средние экспериментальные значения касательных напряжений, МПа	Нормированные значения касательных напряжений по (1) и (2), МПа
1	8	Стекло	16,00	23,15	6,90	11,25
2		Базальт	18,02	25,84	6,90	11,25
3	10	Базальт	13,84	21,55	6,66	10,88
4	12	Стекло	11,54	17,30	6,43	10,51
5		Базальт	13,34	18,08	6,43	10,51

Рис.5 Зависимость касательных напряжения-деформации сдвига для стеклопластиковой арматуры диаметрами 8, 12 мм.

Рис.6 Зависимость касательных напряжения-деформации сдвига для базальтопластиковой арматуры диаметрами 8, 10, 12 мм.

Рис.7 Зависимость касательных напряжения-деформации сдвига для стеклопластиковой и базальтопластиковой арматуры диаметром 8 мм.

Рис.8 Зависимость касательных напряжения-деформации сдвига для стеклопластиковой и базальтопластиковой арматуры диаметром 12 мм.

Самое широкое распространение получила арматура «ROCKBAR».

Использование композитной арматуры «ROCKBAR» оправдано с экономической точки зрения. Связано это не столько с экономией на транспортировке, погрузочно-разгрузочных и монтажных работах, сколько со снижением расходов на обслуживание бетонных конструкций. Несмотря на прилагаемые усилия (цинкования), сталь ржавеет, и в конечном итоге, бетонная конструкция теряет свою целостность, что приводит к необходимости полной её замены или проведения дорогостоящего ремонта. Композитная же арматура «ROCKBAR®» благодаря своим физико-техническим характеристикам, практически полностью избавляет от необходимости проведения ремонта или замены строительной конструкции. Также арматура «ROCKBAR®» обладает прочностью на растяжение выше (1300 МПа), чем у металлической арматуры (550 МПа) . Благодаря этому в некоторых случаях, по расчетам проектировщика, можно заменить больший диаметр металлической арматуры меньшим диаметром арматуры «ROCKBAR®».

Таким образом, изначально более высокая стоимость арматуры «ROCKBAR®» с течением времени окупается отсутствием необходимости в проведении ремонта или замены бетонной конструкции.

Стоимость арматуры обычно определяется ее размерами и типом. У многих компаний, специализирующихся на продаже арматуры, разработана тарифная сетка стоимости на основе технических нормативов (табл. 4).