Сдерживающие факторы использования композитной арматуры

В статье представлена информация о свойствах композитной арматуры, основных ее достоинствах и недостатках по сравнению с традиционной стальной арматурой. Рассмотрены области применения композитной арматуры, приведены примеры, в которых использовать данный вид арматуры целесообразно. Сделан обзор российской и зарубежной нормативной литературы. Все выводы подтверждены числовыми данными.

Ключевые слова: арматура, стеклопластик, стекловолокно, композитная арматура, стальная арматура, бетон, свойства арматуры, коррозия

Полимеркомпозитная арматура (ПКА) представляет собой инновационную разработку в области современных материалов для строительной индустрии. Такая арматура превосходит стальные аналоги по прочности, устойчивости к действию внешних факторов и ценовым характеристикам. Она активно используется при армировании бетонных конструкций, укреплении дорожного полотна, строительстве фундаментов и прочих строительных процессах.

В результате производства ПКА получается материал, который в полной мере удовлетворяет всем современным требованиям качества, безопасности и надежности. Кроме того, композитная арматура отличается неприхотливостью в эксплуатации. Ее можно использовать в большом температурном диапазоне — от -70°C до +100°C. При этом ПКА обладает длительным сроком службы и отличается высокой степенью устойчивости к коррозии [1–3].

Однако применение полимеркомпозитной арматуры возможно лишь с определенной осторожностью. Это связано с тем, что нормативная база развита недостаточно, и для широкого использования ПКА при проектировании должна быть разработана на основе всесторонних исследований.

Обзор литературы

Железобетон был создан ненамеренно в середине XIX в. и принципиально изменил развитие строительной науки и техники. К первой трети XX в. железобетон уже завоевал лидирующие позиции в строительстве и до сих пор остается основным современным конструкционным материалом. Как показала строительная практика, несмотря на многочисленные преимущества, железобетон обладает рядом недостатков, в результате чего в настоящее время ведутся исследования по разработке нового материала, который исключит недостатки арматурной стали и будет иметь все ее преимущества. Альтернативой стальной арматуре, как заявляют изобретатели, становится композитная (полимеркомпозитная) арматура [4].

Последние 15 лет композитные материалы стали наиболее выгодными при применении их в изгибаемых бетонных конструкциях. В настоящее время каждый год в мире используется более 10 миллионов погонных метров такой арматуры [5].

Первые упоминания о полимеркомпозитной арматуре относятся ко второй половине XX в., а исследования по созданию высокопрочной неметаллической арматуры, изучению ее свойств и рациональной области использования были начаты в СССР и США еще в 1960-м году. Позже в ряде других стран (Япония, ФРГ, Великобритания, Канада) ПКА довольно успешно была внедрена на некоторых объектах нового строительства. На строительном рынке сегодня работает более 50 производителей композитной арматуры.

Первыми крупными производителями неметаллической арматуры являются знаменитые компании из Канады и Соединенных Штатов Америки: Marshall Vega Corporation (Маршал Вега Корпорэйшион) — компания наладила производство в 1974 году; другая компания Хьюгз Брозерз (Hughes Brothers, расположенная в Небраске, США) — изготовление композитной арматуры было начато в 1984 году. Эта компания до сих пор является одной из крупнейших на территории Северной Америки; а крупнейший производитель в Канаде, находится в Квебеке — это компания Пултрал — современные производственные площадки обеспечивают изготовление неметаллической арматуры с 1987 года.

Соотношение преимуществ инедостатков ПКА

В рамках реализации плана мероприятий «Развитие отрасли производства композитных материалов», согласно распоряжению Правительства РФ от 24 июля 2013 г N° 1307-р, создана группа научных производственных предприятии, специализирующихся на разработке, производстве и маркетинге композитной стеклопластиковой арматуры. Указанные предприятия должны выполнять работы по распространению композитных материалов, обеспечивающие полный цикл использования: от расчетов в проектной документации до сопровождения строительно-монтажных работ на объекте.

Рис. 1. Композитная арматура [7]

Одним из самых продолжительных этапов, в частности на крупных объектах, является обоснование необходимости применения ПКА и разработка специальных технических условий на конструктивную часть проектной документации с последующим согласованием их в ООО «НИИЖБ» г. Москва и Министерстве строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации. Этот этап является дополнительным и необходимым для использования той продукции, чья нормативная база недостаточна для свободного применения [8–11].

В постановлении правительства РФ N1521 «Об утверждении перечня национальных стандартов и сводов правил (частей таких стандартов и сводов правил), в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» обязательно к использованию упомянут раздел СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения». В этом документе есть лишь упоминания о расчётных предпосылках для композитной арматуры, но в п. 6.2.2 в качестве арматуры упоминается только металлическая арматура, что однозначно исключает использование композитной.

Помимо этого существенного недостатка, композитная арматура имеет ряд преимуществ по сравнению со стальной арматурой, основным из которых, например, является то, что ПКА не подвержена коррозии [12–14]. Кроме того, сравнивая физико-механические характеристики материалов, представленные в таблице 1, можно сделать вывод о том, что ПКА во многом не уступает классической стальной арматуре [15].

Таблица 1

Физико-механические характеристики стальной инеметаллической арматуры

Согласно п. Л.2.5 СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положение» ПКА не работает на сжатие, и расчётное сопротивление сжатию необходимо принимать равным нулю. Кроме того, наблюдается значительно худшая работа материала по второй группе предельных состояний (прогиб и трещинностойкость). Модуль упругости композитной арматуры (50 ГПа), что примерно в 4 раза меньше чем металлической арматуры (210 ГПа).

Что касается европейских норм — Еврокодов, по которым производится расчет несущих конструкций, — согласно требованию п. 3.2.1 EN 1992–1-1 Еврокод 2 «Проектирование железобетонных конструкций. Часть1–1. Общие правила и правила для зданий» в железобетонных конструкциях допускается применение только стальной арматуры. Таким образом, на данный момент в России и Европе отсутствует нормативный документ, регламентирующий расчет и проектирование конструкций с применением стеклопластиковой арматуры.

При монтаже, на строительной площадке, ПКА имеет следующие недостатки: невозможность гнуть арматуру (необходимо сразу заказывать на заводе гнутую в размер арматуру), а также невозможность стыковать арматуры сваркой (обязательно применять соединения либо «внахлёст», либо на хомутах) [16–22].

Также, необходимо отметить, что минимальный процент армирования у композитной арматуры больше, чем у металлической. Наглядный пример представлен в таблице 2.

Таблица 2

Минимальный процент армирования согласно СП 63.13330.2012

Для обеспечения требований по пожарной безопасности защитные слои при использовании композитной арматуры будут существенно выше, чем при использовании стальной. Деградация свойств композитной арматуры наступает при нагреве до +1000С, для стальной — при +6000С. Например, для колонны сечением 200х200 мм:

‒ при требовании R30 защитный слой композитной арматуры составит не менее 50 мм, стальной арматуры — 20 мм;

‒ при требовании R60 — композитная арматура уже теряет несущую способность, так как всё сечение прогревается более чем на 100 0С, а при использовании стальной арматуры защитный слой составит лишь 30 мм.

Помимо уже перечисленных сдерживающих факторов использования ПКА можно еще назвать и то, что на текущий момент не существует расчётных комплексов, в которых можно подобрать композитную арматуру автоматизированным способом, а, следовательно, необходимо производить ручной расчёт с подбором арматуры по первому и второму предельным состояниям (по прочности — I предельное состояние, по трещиностойкости и прогибам — II второе предельное состояние) [23].

Таким образом, композитную арматуру можно применять на тех объектах, конструктивные решения которых не проходят экспертизу, либо имеют специфические требования, например, по коррозионной стойкости, что являлось бы обоснованием использования ПКА.

Кроме того, применение композитной арматуры без преднапряжения приводит либо к образованию трещин и увеличению прогибов конструкций, либо к завышению армирования для исключения прогибов и трещин [24].

На основании всего вышесказанного можно заключить, что область рационального применения композитной арматуры весьма ограничена: армирование дорожного полотна либо железнодорожных шпал, дорожных и тротуарных плит, в меньшей степени — протяженных фундаментов, либо настилов и ограждений мостов.

Литература:

1. Behаviоr оf slаbs reinfоrсed using squаre gfrp rebаrs / Tаrek E., Heshаm H., Аwаd H., Hаssаn А. // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета.2010. № 1(13). С.78–88.
2. Власенко Ф. С. Применение полимерных композиционных материалов в строительных конструкциях// Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов.2013. № 8.С.3.
3. Полилов А. Н., Татусь Н. А. Экспериментальное обоснование критериев прочности волокнистых композитов, проявляющих направленный характер разрушения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2012. № 2. С. 140–166.
4. Староверов В. Д., Бароев Р. В., Цурупа А. А., Кришталевич А. К. Композитная арматура: Проблемы применения // Вестник гражданских инженеров. 2015. № 3(50). С. 171–178.
5. Гиль А. И., Бадалова Е. Н., Лазовский Е. Д. Стеклопластиковая и углепластиковая арматура в строительстве: преимущества, недостатки, перспективы применения // Вестник полоцкого государственного университета. Серия f: строительство. Прикладные науки. 2015. № 16. С. 48–53.
6. Птухина И. С., Туркебаев А. Б., Тлеуханов Д. С., Бижанов Н. Ж., Далабаева А. Е., Далабаев А. С. Эффективность использования инновационных композитных материалов в строительстве // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 9(24). С.84–96.
7. Теплостандарт проект [Электронный ресурс]. URL: http://ts-project.ru (дата обращения 16.06.2016).
8. Пономарев А. Н., Моспан Е. А. Анализ направлений использования нанокомпозитной арматуры «астрофлекс» в промышленном и транспортном строительстве // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2011. № 3. С. 69–74.
9. Лапшинов А. Е. Исследование работы СПА и БПА на сжатие//Вестник МГСУ. 2014. № 1. С. 52–57.
10. Cередина O. C. Стеклопластиковая арматура в современном строительстве // Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли юга России материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет». 2013. С. 63–70.
11. Польской П. П., Маилян Д. Р. Композитные материалы — как основа эффективности в строительстве и реконструкции зданий и сооружений // Инженерный вестник дона. 2012. № 4–2(23). С. 162
12. Окольникова Г. Э., Герасимов С. В. Перспективы использования композитной арматуры в строительстве // Экология и строительство. 2015. № 3. С.14–21.
13. Фролов Н. П. Стеклопластиковая арматура и стеклопластбетонные конструкции. -М.: Стройиздат, 1980. -104 с.
14. Корнюшин В. М., Кущев И. Е., Коченов В. В. Стеклопластиковая и базальтопластиковая композитная арматура // Новые технологии в науке, образовании, производстве. 2014. С. 440–447.
15. ООО НПО «Структура» [Электронный ресурс]. URL: http://npostruktura.com (дата обращения 12.08.2016).
16. Gscheider Alfred. Anwendungsbeispiele fur das Auftragschwei-Ben nach dem Ellira-Verfahren. “SchwiBtechnik” (Oster) № 10. -2012. -P. 113–115.
17. Испытания на длительную прочность стержней из композиционных материалов/Блазнов А. Н., Волков Ю. П., Луговой А. Н., Савин В. Ф.//Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. № 2. С. 44–52.
18. Башара В. А., Савин В. Ф. Стеклопластиковая арматура в современном домостроении//Строительные материалы. 2000. № 4. С. 6–8.
19. Студенцов В. Н., Черемухина И. В., Кузнецов В. А. Применение полимерных стержней из реактопластов для армирования цементных бетонов// Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. Т. 4. № 1. С. 118–121.
20. Янковский А. П. Идентификация структур армирования композитных конструкций на основе результатов теплофизических экспериментов об установившихся колебаниях температуры// Инженерно- физический журнал. 2011. Т. 84. № 2. С. 324–333.
21. Мустакимов В. Р., Авхадеев Р. Р. К вопросу остаточной прочности строительных конструкций. Оптимально достаточные способы их восстановления при реконструкции// Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2011. № 1 (15). С. 104–108.
22. Логвин В. А., Жолобов А. А., Котиков П. Ф. Преимущества лезвийной обработки для формообразования валов суперкаландров // Вестник Белорусско-Российского университета. 2011. № 3. С. 82–91.
23. Rаffаellо F. Limit Stаtes design оf соnсrete struсtures reinfоrсed with FRP BАRS [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: http://www.fedoa.unina.it/1896/1/Fico_Ingegneria_dei_Materiali_e_delle_Strutture.pdf (дата обращения 17.09.2013)
24. Адищев В. В., Демешкин А. Г., Роот В. В. Экспериментальное исследование процесса возникновения трещин нормального отрыва в изгибаемых армированных элементах // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2012. № 3. С. 119–126.