На главную / СТАТЬИ / Зарубежный опыт применения композитов / Композитная арматура. Опыт применения композитов при бетонировании зарубежом

Композитная арматура. Опыт применения композитов при бетонировании зарубежом

Преимущества композитных материалов хорошо проявляются при армировании бетона

Недорогой и широко распространенный, бетон является одним из лучших строительных материалов во многих сферах строительства. В этой статье пойдет речь о том, как сделать бетон стойким к внешним воздействиям и структурным нагрузкам для обеспечения длительного срока службы. Обычный бетон уже сам по себе является композитом, так как состоит из гравия и песка, связанных вместе цементом и металлической арматуры, добавляемой для увеличения прочности. Бетон хорошо ведет себя при сжатии, но плохо переносит растяжение. Растягивающие напряжения, как и пластическая усадка во время отверждения, приводят к образованию трещин. В эти трещины попадает вода, что приводит к коррозии металлической арматуры и существенной потере монолитности бетона при разрушении металла.

Армирующие пластиковые волокна (в основном стекловолокно и базальтоволокно) давно рассматривались как материалы, способные улучшить характеристики бетона. «Институт Бетона Америки» (The American Concrete Institute (ACI)) и другие организации, такие как «Японское Сообщество Гражданских Инженеров» (Japan Society for Civil Engineers), помогали разработать спецификации и методы тестирования для материалов, армированных пластиковыми волокнами. Многие из этих материалов на основе бетона уже допущены к использованию и твердо закрепились в строительстве. «В добавление к конструкторским документам, теперь у нас есть и методики тестирования», — говорит Джон Бюсел, председатель ACI’s Committee 440, основанного в 1990 году для обеспечения инженеров и конструкторов информацией о композиционных материалах. Методики тестирования описаны в руководстве ACI’s Committee 440. «Мы также работаем над редакцией нашего доклада 1996 года, для обеспечения специалистов по бетону обновленной информацией о новых приложениях и рынках», — говорит Бюсел.

Композитная арматура и композитные армирующие сетки продолжают находить всё новые сферы применения в строительстве.

КОМПОЗИТНАЯ АРМАТУРА — ПРИЗНАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

За последние 15 лет композитная арматура прошла путь от экспериментального прототипа к реальному и эффективному заменителю стали во многих строительных проектах, особенно в связи с ростом цен на сталь. «Стеклопластиковая арматура часто используется, и это очень перспективный рынок», — говорит Дуг Гремел (Doug Gremel), руководитель направления неметаллического армирования компании Hughes Bros. (Seward, Neb.), которая является известным производителем материалов на основе полимерной арматуры. «Сейчас состояние знаний об этом материале существенно выше, чем 10 лет назад».

Для некоторых строительных проектов, таких как помещения магниторезонансной томографии в больницах, или пункты взимания дорожной платы использующие технологию радиочастотной идентификации для определения уже оплативших водителей, — композитная арматура является единственным выбором. В некоторых подобных проектах, металлическая арматура не может быть использована, так как интерферирует с электромагнитными сигналами. В добавление к радиопрозрачности, полимерная арматура ещё и необычайно устойчива к коррозии, имеет малый вес – около одной четверти от веса аналогичной по прочности металлической арматуры, и является теплоизолятором (так как препятствует протеканию тепла в строительных конструкциях – не являясь «мостиком холода»). Двумя самыми известными западными производителями композитной полимерной арматуры являются компании Hughes Bros и Pultrall.

Основной технологией для производства полимерной арматуры является пултрузия, с использованием ровинга из Е-стекла и винилэфирной смолы. Линейка арматуры с названием «Aslan» производства компании Hughes изготавливается со спиралевидной закруткой для придания волнообразного профиля, в то время как линейка арматуры с названием «V-ROD» производимая компанией Pultrall изготавливается без спиралевидной закрутки ровинга. Оба вида арматуры имеют наружное покрытие в виде песка, напыляемого в процессе производства для придания дополнительной шероховатости с целью увеличения адгезии (сцепления) с бетоном. По словам Гремела, для достижения наилучших коррозионных свойств и сопротивления щелочам в цементе — необходима винилэфирная смола высокого качества и правильный подбор размера волокон.

Так как механические свойства стекла отличны от свойств стали, структура бетона с композитной полимерной арматурой разрабатывается в соответствии с ACI 440.1R-03; руководством для проектирования бетонных конструкций, армированных стеклопластиковой арматурой (Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars). Компании Hughes и Pultrall являются членами Совета Производителей композитной арматуры (FRP Rebar Manufacturers Council), под покровительством Американского Общества Производителей Композитов (American Composites Manufacturers Association. (ACMA)), и вместе с ACI участвуют в разработке минимальных требований и норм для полимерной арматуры. Несмотря на то, что композитная арматура не может быть согнута подрядчиком непосредственно на объекте строительства для получения нужной формы, Гремел считает, что это не является проблемой. «Металлическая арматура, покрытая антикоррозионным слоем эпоксидной смолы, также не может быть согнута без повреждения покрытия», — сказал Гремел. «Но мы можем согнуть стеклопластиковую арматуру непосредственно при производстве в соответствии с требованиями инженерного проекта и пожеланиями инженеров». С появлением новых методик тестирования бетона, армированного композитной арматурой, у собственников и конструкторов теперь появилась гарантия, что готовая конструкция будет вести себя так, как и планировалось. Гремел отмечает, что руководство по тестированию будет приведено к стандарту ASTM.

Эксклюзивным поставщиком арматуры «V-ROD» компании Pultrall на территории США является компания Concrete Protection Products Inc. (CPPI, Даллас, Техас). Сэм Стир (Sam Steere), президент компании CPPI, докладывает о нескольких последних проектах с использованием арматуры «V-ROD», включая новый мост на шоссе I-65 в Графсте Ньютон (Newton County), штат Индиана. Мост состоит из трех пролетов, длиной 58 метров, шириной 10,5 метров, с армированным полимерной арматурой бетонным полотном, находящимся наверху I-образных стальных балок, поддерживаемых бетонными опорами. Полотно моста представляет собой бетонную плиту толщиной 203 мм усиленную стальной арматурой с антикоррозионным эпоксидным покрытием в нижней половине, а в верхней половине использованы коррозионно-устойчивые композитные прутки «V-ROD», вследствие того, что в этой (верхней) половине плиты очень высока вероятность контакта с солями, использующимися для борьбы с обледенением. При армировании использовались два вида арматуры, с расстоянием между центрами стержней 152 мм – арматурой #5 (16 мм в диаметре) в поперечном направлении, и арматурой #6 (19 мм в диаметре) в продольном направлении. Для непрерывного мониторинга характеристик бетонного полотна посредством удаленного соединения, вся конструкция была оборудована оптоволоконными сенсорами при помощи специалистов из Университета Purdue University. Это первое использование композитной арматуры в мостовом полотне, сделанное Департаментом перевозок штата Индиана (Indiana Department of Transportation).

Композитная стеклопластиковая арматура «Aslan 100» производимая компанией Hughes Bros. также недавно была использована при строительстве бетонного моста в Моррисон, штат Колорадо (Morrison, Colo.). Этот мост был построен Департаментом Перевозок Колорадо (Colo. Dept. of Transportation (CDOT)) при участии Графства Денвер Паркс (City and County of Denver Parks) и Департамента Восстановления (Recreation Dept). Для моста длиной 13.8 метра, перекрывающего Бир Крик (Bear Creek), использовалась стеклопластиковая арматура в основаниях, опорах, откосных крыльях стены, парапетах и изогнутой монолитной бетонной арке. Монолитная композитно-бетонная плита, которая находится наверху бетонной арки, была изготовлена компанией Kansas Structural Composites (Russell, Kan.). В литые элементы была вмонтирована арматура нескольких типоразмеров, включая арматуру #5, #6 и #7 (19 мм в диаметре). Для производства разработанной конструкции пришлось заранее, в заводских условиях изготовить много гнутых скоб и сложных форм, подчеркивает Гремел. Инженер Марк Леонард (Mark Leonard) из CDOT говорит, что прошлые проекты штата с применением композитной арматуры были успешны, и арматура «Aslan» компании Hughes была выбрана из-за наиболее низкой цены из всех, предложенных производителями. Хотя полотно моста подвергается минимальной транспортной нагрузке при низких скоростях, Марк Леонард говорит, что конструктор моста Парсонс Бринкерхоф (Parsons Brinkerhoff (Denver, Colo.)) следовал всем конструкторским рекомендациям ACI и использовал новые методики тестирования ACI440.3R-04 для сертификации материалов.

Предполагается, что рынок композитной арматуры станет еще более конкурентоспособным, когда упрочнится положение нового материала – базальтового волокна. Компания Sudaglass Fiber Technology (Хьюстон, Техас), производитель базальтового волокна, производства которой также расположены в России и Украине, имеет задел на производственных мощностях в северном Техасе, говорит исполнительный вице президент «Sudaglass», Грэхам Смит (Graham Smith). По его словам, арматура на основе базальтового волокна и эпоксидной смолы сейчас производится также по технологии пултрузии на Украине, и находится в процессе сертификации для использования в строительстве в США.

Базальтовое волокно имеет немного большую плотность, чем у стеклянного волокна, однако базальтовое волокно имеет существенно более широкий диапазон рабочих температур от -260°C до 982°C, по сравнению с диапазоном температур для стекловолокна от -60°C до 650°C. Температура плавления базальта составляет 1450°C делает его пригодным для использования в конструкциях, от которых требуется высокая устойчивость к огню. Также Грэхам Смит подчеркивает, что базальт демонстрирует превосходную устойчивость к щелочной среде бетона без обращения к специальным сортировкам по размеру, используемым для защиты стеклянного волокна.

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

КОМПОЗИТНЫЕ СЕТКИ В СБОРНЫХ БЕТОННЫХ ПАНЕЛЯХ — ВЫСОКИЙ ПОТЕНЦИАЛ

С момента первой публикации журнала «Composites Technology» о использовании полимерных сеток в бетонных конструкционных панелях («Composite Solutions Meet Growing Civil Construction Demands,» Composites Technology, Август 2002, стр. 40), рынок показал значительный рост, говорит Бюсел. «Область применения этой технологии огромна м в ней есть значительный потенциал», — добавляет он.

Данное направление ведется группой AltusGroup, которая представляет собой консорциум из пяти производителей сборных бетонных панелей и производителя арматуры — компании TechFab LLC (Anderson, S.C.). Консорциум сформирован специально для продвижения технологии CarbonCast, при использовании которой недавно разработанные углеродно-эпоксидные сетки C-GRID заменили традиционную сталь и арматуру в сборных конструкциях в качестве вторичного армирования. Компания TechFab, в свою очередь, — является 50/50 объединением компаний Hexcel (Дублин, Калифорния) и Chomarat Group (Le Cheylard, Франция). Кроме того, членами AltusGroup являются Oldcastle Precast (Edgewood, Md.) и HIGH Concrete Structures (Denver, Pa.), — две компании, владельцем которых является Cretex Companies (Elk River, Minn.) и Metromont Prestress (Greenville, S.C.). Благодаря возрастающему объему продаж, в AltusGroup могут быть приняты новые участники, — говорит Джон Карсон (John Carson), руководитель коммерческого развития TechFab и глава программы развития технологии «C-GRID».

«C-GRID» является крупной сеткой из жгутов на основе углеволокна и эпоксидной смолы. Используется как замена вторичной стальной армирующей сетки в бетонных панелях и архитектурных приложениях. Размер сетки меняется как в зависимости от бетона и типа заполнителя, так и от требований к прочности панели.

AltusGroup предлагает ассортимент продукции «CarbonCast», включая конструкционные панели, не строительные изолированные панели и наружную облицовку. «C-GRID» обычно заменяет вторичные армирующие элементы, которые ранее выполнялись на основе стальной сетки. В качестве первичного армирования по-прежнему используется обычная металлическая арматура. «C-GRID» производится в непрерывном, запатентованном полу-тканном процессе. Размеры ячейки сетки могут изменяться в пределах от 25.4 мм до 76 мм, в зависимости от требований к прочности панели, типа бетона и размера фракции наполнителя. В процессе производства, поверхности сетки придается определенная шероховатость, цель которой – улучшить величину адгезии между сеткой и бетоном. В линейке «MeC-GRID» продукции компании TechFab доступны также сетки на основе стеклянных, арамидных и прочих полимерных волокон в сочетании с любым типом смол. Сетки на основе углеволокна и других волокон, находят применение не только в строительстве, но и в других областях, таких как декоративные элементы, ремонт и восстановление.

«Панели «CarbonCast» имеют значительные преимущества»,- говорит Карсон. Они гораздо более легкие и обладают свойствами растяжения почти в 7 раз лучшими, чем сталь. Вероятность разломов вследствие усадки при высыхании существенно снижена. Кроме того, сетка «C-GRID», применяемая в панелях, — не корродирует, что устраняет часто проявляемые неприглядные пятна на поверхности бетонных панелей, армированных традиционной металлической арматурой. Коррозионная стойкость позволяет использовать укрывное покрытие бетона толщиной всего 6.35 мм, в то время как для защиты стальной сетки от воздействия влаги может потребоваться слой с толщиной до 76.2 мм. Таким образом, вес панели может быть уменьшен на 66% по сравнению с обычными панелями. Как следствие, более легкие панели позволяют снизить общий вес стены, что в свою очередь требует меньшей стальной подструктуры. Всё это позволяет значительно снизить общие затраты на строительство. «C-GRID» почти не является проводником тепла, так что величина изоляции панели не меняется. Более того, при помощи пилы в сетках могут быть прорезаны отверстия непосредственно на месте работ, что невозможно сделать при использовании стальной сетки для армирования. Все эти преимущества способствуют снижению расходов на строительство.

На сегодняшний день было продано более 3 млн. кв. футов панельной продукции «CarbonCast» и спрос так высок, что компания «TechFab» недавно анонсировала крупные планы по развитию. Новая фабрика вместит добавочную линию по производству сетки, что, по словам Карсона, должно быть сделано в уже октябре этого, 2005 года. Анонс планов соответствует и долгосрочному соглашению с Zoltek Corp. (St. Louis, Mo.), — компанией-поставщиком волокна «Panex 35», использующегося в «C-GRID». По словам Карсона, соглашение обеспечит планомерные поставки волокна для «C-GRID» на этапе первых лет запуска продукции. «Компания Zoltek была нашим первым партнером и поставщиком волокон с первого для этого проекта», — заметил Карсон.

На момент публикации данной статьи подобные панели уже были использованы в большом количестве различных проектов, таких как кинотеатры, церкви и парковочные гаражи. Последним проектом был офисно-складской комплекс «Cardinal Health», расположенный рядом с Балтимором (Baltimore) и имеющий площадь 332 000 кв. футов. Для данного проекта были отлиты панели «CarbonCast» длиной до 15.5 метров — для формирования двухэтажных наружных вертикальных стен здания. Каждая панель представляет собой сэндвич структуру с изоляционным слоем пены толщиной 152 мм между облицовочными слоями, состоящими из наружной кирпичной перегородки толщиной 50 мм и внутренней кирпичной перегородки толщиной 100 мм. «C-GRID», расположенная перпендикулярно к поверхностям панелей, соединяет внутреннюю и наружную облицовки, обеспечивая усиление на срез (выполняет функцию гибкой связи).

АРМИРОВАННЫЙ ВОЛОКНАМИ БЕТОН: ПОЯВЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ

Использование коротких волокон в бетоне для улучшения его свойств было применялось на протяжении десятилетий, и даже веков, если принять во внимание, что даже в Римской Империи в строительные растворы добавляли конский волос для их армирования. Армирование волокнами усиливает прочность и упругость бетона (способность к пластической деформации без разрушения) посредством удерживания части нагрузки при повреждении матрицы и препятствуя росту трещин. Доктор Виктор Ли (Dr. Victor Li) из Университета Мичиган (University of Michigan) исследовал свойства цементных композитов, армированных волокнами, бетона армированного волокнами, и считает, что признание этого материала будет расти, до тех пор пока сохраняются характеристики, низкая стоимость и простота исполнения.

«Использование данного материала может привести к прекращению использования арматуры, работающей на срез, что приведет к снижению материальных и трудовых затрат», — говорит Ли. «Прореживаемая структура снижает объем материала и собственный вес, что делает транспортировку более легкой. Общее снижение затрат по этим факторам может легко оправдать расходы на армированный волокнами материал».

Официальное признание бетона армированного волокнами способствовало появлению стандартов и руководств по его использованию за последние пять лет (смотрите Composites Technology, Июль/Август 2001, стр. 44). С этого времени начался расцвет коммерческого применения этой технологии.

Гигант в области строительных материалов, компания Lafarge SA (Париж, Франция), продвигает свой армированный волокнами бетонный материал, торговое название «Ductal», вот уже около 10 лет, нацеливаясь на широкий диапазон гражданской инфраструктуры и архитектурных приложений. «Ductal» является смесью цемента, кварцевой крошки, кварцевой муки, мелкого кварцевого песка, пластификаторов, воды и стальных или органических волокон, обычно 12 мм длиной. Вик Перри (Vic Perry), вице президент и генеральный директор направления Ductal, говорит, что комбинация мелкозернистых порошков, выбранных по определенным размерам зерен, создает максимальную плотность при отверждении, что выражается в полном отсутствии пористости и фактически исключает доступ влаги и потенциальную коррозию стальных волокон. Волокна из поливинила обычно используются в архитектурных и декоративных приложениях, для предотвращения вероятности поверхностного травления, которое может иметь место при коррозии стальных волокон, а также для удаления абразивности в местах, где предполагается контакт человека с поверхностью. Производителям изделий из бетона и поставщикам растворов материалы поставляются в мешках.

«Добавление волокон позволяет материалу пластично деформироваться и выдерживать растягивающие нагрузки», — говорит Перри. «Волокна привносят прочность и улучшают микроструктурные свойства».

В зависимости от типа используемых волокон, выдерживаемые материалом «Ductal» нагрузки на сжатие варьируются от 150 МПа до 200 МПа, для сравнения у стандартного бетона эта величина 15-50 МПа. Проверенная прочность на изгиб составляет 40 МПа, говорит Перри. «Ductal», армированный стальными волокнами Lafarge’s Forta steel fibers, был использован для сборного строительства и в нескольких предварительно напряженных мостовых балках. В Saint Pierre La Cour, (Франция) 20-ти метровый перевозочный мост был сконструирован с применением 10-ти I-образных балок из материала «Ductal», поддерживающих традиционную монолитную армированную стальной арматурой бетонную плиту толщиной 170 мм. Сборные балки, не содержащие арматуры, углублены на 600 мм и были предварительно напряжены при помощи стальных плетеных кабелей толщиной 13 мм, размещенных в нижней кромке. Напряжение прикладывается к кабелям перед тем, как «Ductal» заливается в форму балки. Как только бетон покрывает кабели и материал начал твердеть, они обрезаются, что, в сущности, прикладывает напряжение сжатия к бетонной смеси.

Когда вы подвергаете предварительно напряженную балку любому изгибу, объясняет Перри, она не испытывает растягивающих нагрузок, а вместо этого «разжимается», значительно улучшая характеристики. Вследствие прочности «Ductal», балки не требуют армирования арматурой, что значительно снижает вес.

Структуры из Ductal, в сечении имеющие форму греческой прописной буквы «?» (по сути балка коробчатого сечения без нижней кромки), функционируют как настил и как балки на опытном мосту, установленном на тестовом пути в Лаборатории Федеральных Магистралей США им. Тернера Фэйрбэнка (U.S. Federal Highway Authority’s (FHWA) Turner Fairbank Laboratory), для исследования пригодности дизайна к будущему строительству высокоскоростных трасс. «?»-образная балка-настил сконструирована для выдерживания нагрузок, определенных Американской Ассоциацией Государственных Магистралей и Перевозок (American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO)).

«Балки из Ductal имеют большую протяженность при том же весе балки», — говорит Перри. «В итоге, мы увидим армированный волокнами бетон в балках и мостовых настилах».

Компания SI Concrete Systems. (Chattanooga, Tenn.) является производителем армирующих волокон для бетона. SI Concrete Systems предлагает Novomesh, Fibermesh и другую продукцию из волокон которая используется в качестве альтернативы вторичной армирующей сетки из стальных нитей и легкой арматуры как в офисных, так и в жилых приложениях, говорит Хал Пэйн (Hal Payne), руководитель стратегических союзов компании SI Concrete Systems. SI предлагает полипропиленовые волокна, стальные волокна, макросинтетические волокна (macrosynthetic fibers) и промышленные смеси. По словам Пэйна, продукты на основе полипропиленовых волокон необходимы для контроля ранней стадии трещин, возникающих из-за пластической усадки, для предотвращения роста этих трещин в большие щели во время высыхания бетона. «Novomesh 950» является новым продуктом компании и состоит из смеси необработанных макросинтетических и отборных, фибрилированных микросинтетических волокон. Пэйн говорит, что этот продукт дает такой же хороший результат, как и использование стальных волокон, предназначенных для промышленных плит перекрытий.

Компания Kingspan (Sherburn, Malton, N. Yorkshire, U.K.), являющаяся специалистом по бетонному строительству, использует волоконные добавки для бетона производства Bekaert Building Products (Friedrichsdorf, Germany). Формованные стальные волокна Dramix компании Bekaert добавляются в бетон при производстве полов и кровель без армирования стальными сетками. Продукт является идеальным для строительства в сжатые сроки, такие как расширение трехэтажного Spurriergate в имеющий историческое значение город Йорк Великобритании. Т.к. бетон не требует армирования стальной сеткой, изначально устраняются стоимость стальной сетки и все трудозатраты, необходимые для доставки рулонов арматуры, ее резку и установку в многоэтажном здании до операций по заливке бетона. Бетонные полы, армированные волокнами, были установлены в единой операции, при помощи простой доставки армированного волокнами материала прямо к каждому полу, используя автоматическое насосное оборудование.

В Австралии, Франции, Японии и США, предварительные конструкторские руководства теперь дают методические указания и допуски для армированного волокнами бетона, что является значительным показателем в его возрастающем признании конструкторами, инженерами и ответственными лицами на рынке инфраструктуры. «Материал предлагает такие решения, как быстрота строительства, улучшенный внешний вид, великолепная эластичность и стойкость к коррозии», — говорит Перри. «Это переводится в снижение расходов на обслуживание и более длительное время эксплуатации структуры».

Статья из журнала «Composites Technology», апрель 2005.

Проверьте также

Композитная арматура для фундамента. Фото

Композитная арматура для фундамента дома в поселке «Ближняя пристань»

Двухэтажный дом из пенобетона в поселке «Ближняя пристань» на фундаменте, армированном композитной арматурой. Строительство дома …

Чем резать стеклопластиковую арматуру?

ЧЕМ РЕЗАТЬ СТЕКЛОПЛАСТИКОВУЮ АРМАТУРУ?

С одной стороны, если говорить просто о всех возможных вариантах, то композитную стеклопластиковую арматуру можно …

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *