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 |
Статья из журнала «Кирпич» № 5 (август 2012 г.)
Скачать номер журнала «Кирпич» № 5 (август 2012 г.) с нашего сайта