На главную / СТАТЬИ / Композитная арматура / Что такое композитная арматура?

Что такое композитная арматура?

19.08.2012 Композитная арматура, СТАТЬИ, Стеклопластиковая арматура Оставить комментарий 19,294 Просмотры

Наша статья из журнала «Кирпич» № 5 (август 2012 г.)

Композитная арматура — это строительная арматура на основе неметаллических волокон, связанных композитным составом. Для изготовления арматуры обычно используется стекловолокно, базальтоволокно, углеволокно и т.д. Эти волокна могут использоваться как самостоятельно, так и в виде комбинации. На практике наибольшее распространение получило два вида композитной арматуры: на основе одного только стекловолокна и на основе одного только базальтоволокна. Отсюда произошли такие названия как «стеклопластиковая арматура» и «базальтопластиковая арматура». Из этих двух видов вторая по некоторым своим свойствам незначительно превосходит первую, но при этом она значительно дороже. По этой причине максимальное распространение в мире получила именно стеклопластиковая арматура. Физическое тело композитной арматуры условно состоит из двух частей:

Основной ствол, задающий основные прочностные характеристики арматуры, который обычно представляет собой пучок параллельных волокон, связанных композитным связующим на основе эпоксидных, полиэфирных смол;
Внешний слой, отвечающий за свойства сцепления с бетоном, как правило, представляет собой однонаправленную навивку волокон по спирали (напоминает стальную арматуру периодического профиля). Также этот слой имеет такие распространённые у различных производителей вариации, как двунаправленная навивка волокон, либо песчаное напыление. Фактически, модель физического тела арматуры может иметь огромное количество вариаций, число которых ограничивается лишь фантазией производителя и экономическими соображениями. Так, например, есть разработки арматуры, у которой основной ствол представляет собой заплетённую косичку из базальтоволокна и углеволокна, скреплённую композитом, а внешний слой представляет собой двунаправленную навивку базальтоволокон, которые не просто перекручены, а сплетены в косичку, как и основной ствол арматуры. Такая конструкция обладает намного большим относительным удлинением, чем композитная арматура, тело которой представляет собой пучок параллельных волокон.

Когда появилась композитная арматура?

Сейчас тяжело установить, в какой стране придумали композитную арматуру. Исследования по созданию и изучению свойств высокопрочной неметаллической арматуры, способов её применения были начаты и в СССР, и в США в 60-х годах прошлого века. Начиная с 70-х годов, в СССР, ФРГ, США, Канаде, Великобритании и Японии построено довольно большое количество гражданских и промышленных объектов с использованием различной композитной арматуры.

На сегодняшний день наибольшее распространение такая арматура получила именно за рубежом, так как там намного быстрее замечают и внедряют передовые технологии, чем в России. Например, первое серийное производство композитной арматуры было начато в США уже в 1974 году. Наибольшее количество крупных мировых производителей композитной арматуры также находится в США. К сожалению, в СССР исследования и разработки композитной арматуры были свёрнуты, и на сегодняшний день в России есть не так много производителей композитной арматуры, находящихся в разных регионах.

Какие нормативные документы по композитной арматуре существуют?

Вследствие недостатка внимания к композитной арматуре в нашей стране сегодня в России нет ГОСТа, описывающего неметаллическую композитную арматуру. Существует лишь проект такого ГОСТа, утверждение которого ожидается в конце 2012 года. Однако неметаллическая композитная арматура уже разрешена к применению в СНиП 52-01-2003 (ещё в 2003 году). В этом документе, в разделе 5.3 читаем: «Для железобетонных конструкций следует применять следующие виды арматуры, установленные соответствующими стандартами: …неметаллическую композитную арматуру». И в этом же разделе ниже: «К неметаллической арматуре (в том числе фибре) предъявляют также требования по щелочестойкости и адгезии к бетону». То есть, по сути в СНиПе признаётся лишь факт существования композитной арматуры и возможность её использования в железобетонных конструкциях.

На данный момент, отсутствие соответствующего ГОСТа компенсируется ТУ (техническими условиями), которые разрабатываются каждым из производителей подобной арматуры и регистрируются в установленном порядке. Сейчас все российские производители с точки зрения нормативно-технической документации находятся в равном положении. У всех производителей есть:

Собственное ТУ с заявленными характеристиками выпускаемой арматуры;
Протокол испытаний, подтверждающий характеристики, указанные в ТУ;
Сертификат соответствия, который подтверждает соответствие характеристик, указанных в ТУ, фактическим значениям;
Санитарно-гигиенический сертификат (который, в принципе, мало интересует строителей).

У производителей арматуры есть также рекомендации НИИЖБ, но это всего лишь рекомендации. Есть и такие документы, как стандарты организаций (СТО), но они разрабатываются ими самостоятельно, а утверждаются и вводятся в действие приказом руководителя самой организации, что само по себе объясняет невысокую ценность данного документа с точки зрения нормативной документации.

В чём преимущества композитной арматуры?

Композитная арматура не коррозирует, она устойчива к агрессивным средам. Относится к материалам первой группы химической стойкости, в том числе, к щелочной среде бетона. Строители знают, что слой коррозии, наращиваясь на традиционной стальной арматуре, может современем увеличить её диаметр в 8 раз, что приводит к появлению трещин и даже разрыву бетонной конструкции.
Композитная арматура имеет примерно в 2,5-3 раза большую прочность на разрыв, чем стальная при равном диаметре. По этой причине введено понятие «равнопрочностной замены», при которой стальная арматура заменяется на композитную с меньшим диаметром, но с той же прочностью на разрыв.
Композитная арматура в 5 раз легче стальной при равном диаметре и в 11 раз легче при равнопрочностном диаметре. Это позволяет экономить на транспортировке, уменьшает вес конечной бетонной конструкции.
Композитная арматура значительно дешевле стальной при равнопрочностной замене.
Такая арматура имеет коэффициент температурного расширения, который практически идентичен коэффициенту температурного расширения бетона.
Композитная арматура имеет низкую теплопроводность и не является мостиком холода. Например, у стеклопластикового композита теплопроводность 0,48 Вт/м•К, а у металла в среднем — 56 Вт/м•К. Таким образом, стеклопластик в 100 раз менее теплопроводен, чем металл.
Являясь диэлектриком, композитная арматура (за исключением углепластиковой) радиопрозрачна и магнитоинертна.
Не теряет прочность под воздействием низких температур. Диапазон температур эксплуатации от -70 °С до +100 °С.

Композитная арматура, области применения

Композитная арматура применяется:

в фундаментах ниже нулевой отметки залегания (на сегодняшний день стеклопластиковая арматура является лучшим армирующим материалом для устройства ленточных фундаментов и заливки фундаментных плит);
в качестве гибких связей;
для изготовления осветительных опор, опор ЛЭП, изолирующих траверс ЛЭП;
для дорожного строительства: при усилении дорожного полотна, мостов, ограждений;
для усиления таких изделий как: дорожные и тротуарные плитки, заборные плиты, бордюрные камни, столбики и опоры, железнодорожные шпалы;
в конструкциях, работающих в условиях ускоренной коррозии стальной арматуры и бетона (причалы, сухие доки, укрепление набережной полосы путём бетонирования), а также в конструкциях, подвергаемых в процессе эксплуатации действию общей коррозии и динамическим нагрузкам.

Недостатки композитной арматуры

Нужно помнить о том, что у композитной арматуры есть и существенные минусы. Большинство российских производителей не афишируют эти минусы, хотя квалифицированный строитель может заметить их самостоятельно. Основными минусами любой композитной арматуры являются следующие:

модуль упругости композитной арматуры почти в 4 раза ниже, чем у стальной, даже при равном диаметре (другими словами, она легко изгибается). По этой причине её можно применять в фундаментах, дорожных плитах и т.д., но применение в перекрытиях требует дополнительных расчетов;
при нагреве до температуры в 600 °С, компаунд, связывающий волокна арматуры, размягчается настолько, что арматура полностью теряет свою упругость. Для увеличения устойчивости конструкции к огню в случае пожара требуется предпринимать дополнительные меры по теплозащите конструкций, в которых используется композитная арматура;
композитную арматуру, в отличие от стальной, невозможно сваривать электросваркой. Решение проблемы — установка на концы арматурных стержней стальных трубок (в заводских условиях), к которым уже можно будет применять электросварку;
такой арматуре невозможно придать изгиб непосредственно на строительной площадке. Решение проблемы — изготовление арматурных стержней требуемой формы ещё на производстве по чертежам заказчика. Есть уверенность, что принятие в ближайшем будущем отдельного ГОСТа по неметаллической композитной арматуре поднимет интерес к композитной арматуре на новый уровень.

Сравнение характеристик металлической и композитной арматуры

Xарактеристики	Металлическая арматура класса A-III (А400)ГОСТ 5781-82	Неметаллическая композитная арматура стеклопластиковая	Неметаллическая композитная арматура базальтопластиковая
Материал	Сталь 35ГС, 25Г2С, 32Г2Рпс	Стеклянные волокна диаметром 13–16 микрон, связанные полимером	Базальтовые волокна диаметром 10–16 микрон, связанные полимером
Временное сопротивление при растяжении, МПа	390	1200	1300
Модуль упругости, МПа	200 000	55 000	71 000
Относительное удлинение, %	25	2,2	2,2
Характер поведения под нагрузкой (зависимость «напряжение-деформация»)	Кривая линия с площадкой текучести под нагрузкой	Прямая линия с упруголинейной зависимостью под нагрузкой до разрушения	Прямая линия с упруголинейной зависимостью под нагрузкой до разрушения
Коэффициент линейного расширения αx*10^-6/°C^-1	13-15	9-12	9-12
Плотность, т/м³	7	1,9	1,9
Коррозионная стойкость к агрессивным средам	Корродирует с выделением продуктов ржавчины	Нержавеющий материал первой группы химической стойкости, в том числе к щелочной среде бетона	Нержавеющий материал первой группы химической стойкости, в том числе к щелочной среде бетона
Теплопроводность	Теплопроводна	Нетеплопроводна	Нетеплопроводна
Электропроводность	Электропроводна	Неэлектропроводна — диэлектрик	Неэлектропроводна — диэлектрик
Длина	Стержни длиной 6, 12 м.п.	Любая длина по требованию заказчика	Любая длина по требованию заказчика
Экологичность	Экологична	Имеется санитарно-эпидемиологическое заключение, не выделяет вредных и токсичных веществ	Имеется санитарно-эпидемиологическое заключение, не выделяет вредных и токсичных веществ
Долговечность	По строительным нормам	Прогнозируемая долговечность не менее 80 лет	Прогнозируемая долговечность не менее 80 лет
Параметры равнопрочного арматурного каркаса при нагрузке 25 т/м²	При использовании арматуры 8-А-III размер ячейки 14х14 см. Вес 5,5 кг/м²	При использовании арматуры ∅=8мм размер ячейки 23х23 см. Вес 0,61 кг/м². Уменьшение веса в 9 раз	При использовании арматуры ∅=8мм размер ячейки 23х23 см. Вес 0,61 кг/м². Уменьшение веса в 9 раз
Замена арматуры по физико-механическим свойствам	6-A-III 8-A-III 10-A-III 12-A-III 14-A-III 16-A-III 18-A-III 20-A-III 22-A-III	∅=4мм ∅=4мм ∅=6мм ∅=8мм ∅=10мм ∅=12мм ∅=14мм ∅=16мм ∅=18мм	∅=4мм ∅=4мм ∅=6мм ∅=8мм ∅=10мм ∅=12мм ∅=14мм ∅=16мм ∅=18мм
Экономика	В настоящее время отмечено увеличение стоимости металла за последние 6 месяцев в среднем на 67%	Финансовая экономия от замены металлической арматуры на равнопрочную композитную арматуру составляет 45%, из них 20-30% — экономия на стоимости самой арматуры, 15-25% — сопутствующая экономия на транспортировке, погрузочно/разгрузочных работах и т.д. Динамика роста цен составляет 2-4% в год	Финансовая экономия от замены металлической арматуры на равнопрочную композитную арматуру составляет 45%, из них 20-30% — экономия на стоимости самой арматуры, 15-25% — сопутствующая экономия на транспортировке, погрузочно/разгрузочных работах и т.д. Динамика роста цен составляет 2-4% в год