Первое производство композитной арматуры состоялось в СССР в конце 1960-начале 1970-х годов. Тогда это была стеклокомпозитная арматура (именовалась стеклопластиковой, сокращенно — СПА), которую выпускали диаметром до 6 мм. Высокая прочность арматуры при растяжении (до 1000 МПа) сразу же указала и наиболее рациональную область ее применения — предварительно напряженные конструкции.
Однако широкого распространения арматура не получила, и дальше опытного применения дело, по существу, не пошло. Среди причин, кроме высокой стоимости, немалое значение имела ограниченность сортамента СПА (до 6 мм). Натягивать арматуру можно было либо одиночно (что было трудоемко и требовало дорогостоящих захватов), либо т. н. струнопакетами, от которых к тому времени в стройиндустрии повсеместно отказывались (кроме производства железнодорожных шпал) и переходили к использованию более мощных арматурных элементов — канатов (прядей) и высокопрочных стержней.
Сегодня композитная арматура переживает второе рождение. К стеклокомпозитной (АСК), добавилась базальтокомпозитная (АБК), углекомпозитная (АУК), арамидокмпозитная (ААК) и комбинированная (АКК), сортамент намного расширил свои границы — от 4 до 32 мм, производство арматуры освоено многими предприятиями, разработан ГОСТ [2].
В 2013 году в Интернете опубликован проект Свода правил [3], регламентирующего проектирование конструкций из бетона с такой арматурой. Правда, некоторые производители утверждают, что можно пользоваться существующими нормами проектирования железобетонных конструкций [4], подставляя в формулы соответствующие характеристики композитной арматуры, и, вроде бы, эффект получится сам собой. Ниже будет показано, что такой оптимизм несколько преждевременен, а пока рассмотрим основные особенности композитной арматуры. Их учет позволит избежать двух крайностей — вначале восторга, а потом «анафемы» (эти крайности сыграли в свое время негативную роль в деле распространения первой стеклопластиковой арматуры).
Как и любой строительный материал композитная арматура обладает своими технологическими особенностями. Например снижение прочности при температуре выше +60°С. Из этого следует, что либо температура термообработки бетона, вместо обычных для сборных изделий 80°С, должна быть не выше 60°С (что приведет к удлинению технологического цикла и удорожанию изделий), либо к расчетному сопротивлению арматуры необходимо вводить понижающий коэффициент (а это приведет к дополнительному расходу арматуры и тоже к удорожанию изделий). Из этого также следует, что огнестойкость конструкций с композитной арматурой намного ниже, чем со стальной.
Предел прочности при растяжении, согласно ГОСТ [2], составляет: для АСК и АБК — не менее 800 МПа, для АУК и ААК — не менее 1400 МПА, для АКК — не менее 1000 МПа. Эти показатели совпадают с величинами нормативного сопротивления стальной арматуры классов соответственно А800, Вр1400 и А1000, которую используют только в преднапряженном железобетоне (в обычном железобетоне проку от столь высокой прочности нет).
Предел прочности при сжатии для АУК составляет не менее 1000 МПа, для остальных видов не менее 500 МПа. Но данный показатель никакого практического значения не имеет, о чем будет сказано ниже.
Модуль упругости при растяжении Еs установлен не менее 50 ГПа для АСК и АБК, не менее 130 ГПа для АУК, не менее 70 ГПа для ААК и не менее 100 ГПа для АКК, что существенно ниже модуля упругости стальной арматуры, равного 200 ГПа.
Поскольку арматура работает (деформируется) совместно с бетоном, расчетное сопротивление сжатию Rscопределяется не ее прочностью, а предельной сжимаемостью бетона (ebu), по достижении которой происходит разрушение сжатого бетона и выключение из работы сжатой арматуры. Отсюда
(1)
Расчетная же величина ebu, согласно СП [4], при кратковременном действии нагрузки равняется 0,002 % (при продолжительном действии — 0,0025 %). При таких значениях ebuпрочность сжатой композитной арматуры используется не более чем на треть (см. табл. 1). Отметим, что именно по этой причине сжатую стальную арматуру классов выше А600 не применяют.
Таблица 1
|
Наименование показателей |
АСК |
АБК |
АУК |
ААК |
АКК |
|
Расчетное сопротивление сжатию – Кратковременному – Продолжительному |
100 125 |
100 125 |
260 125 |
140 175 |
200 250 |
|
Величина относительного удлинения при разрыве 𝛿, % |
1,6 |
1,6 |
1,1 |
2,0 |
1,0 |
, МПа
По причине невысокого модуля упругости вряд ли целесообразно применение композитной арматуры и в качестве рабочей растянутой арматуры в обычных изгибаемых конструкциях.
Если при проектировании конструкций пользоваться современными нормами [4], то ширину раскрытия нормальных трещин следует определять по формуле:
(2)
из которой видно, что при прочих равных условиях ширина раскрытия трещин acrcувеличивается во столько же раз, во сколько раз уменьшается модуль упругости арматуры E. (Эта обратная зависимость существовала и во всех предыдущих редакциях норм.) То есть там, где со стальной арматурой ширина раскрытия достигает предельного значения 0,3 мм, с композитной она будет составлять от 0,45 мм (АУК) до 1,2 мм (АСК, АБК). Чтобы уменьшить величину acc, потребуется уменьшать величину напряжений ст, а значит — увеличивать расход арматуры.
Аналогичная ситуация с жесткостью D конструкций, имеющих трещины в растянутой зоне, которую определяют по формуле [4]:
(3)
Жесткость напрямую влияет на кривизну изгибаемого элемента и на его прогиб, а сама она, как видно из формулы, напрямую зависит от модуля упругости арматуры.
Если предельно допустимое значение ширины раскрытия трещин асгси в элементах с композитной арматурой можно несколько увеличить (из-за высокой коррозионной стойкости последней), то с предельно допустимым прогибом fuсделать это нельзя, поскольку величина его связана с технологическими, эстетико-психологическими, физиологическими и др. факторами, а никак не с особенностями арматуры.
В то же время, из-за отсутствия пластических деформаций удлинение композитной арматуры при разрыве (
) невелико. Если у высокопрочной стальной проволоки оно не менее 4 %, а у стержневой термоупрочненной арматуры классов А800 и А1000 — не менее 2 %, то у композитной арматуры колеблется от 1,0 до 1,6 % и лишь у ААК достигает минимально необходимых 2 % (табл. 1). Эта особенность чревата хрупким (т. е. наиболее опасным) разрушением конструкций, поэтому при проектировании к прочности композитной арматуры следует вводить понижающие коэффициенты. Попутно отметим, что величина удлинения — одного из важнейших нормируемых параметров стальной арматуры — в ГОСТе [2] вообще не приведена.
Не дает ГОСТ также сведений о плотности композитной арматуры. Проектировщику, если ему придется разрабатывать конструкции, расход композитной арматуры предстоит определять в кубометрах или в кубодециметрах (литрах), а не в килограммах.
Вследствие низкого модуля упругости и высокой прочности эффективной областью применения были обозначены предварительно напряженные конструкции, а также электроизолирующие конструкции с применением специальных бетонов и конструкции с высокой сопротивляемостью действию агрессивных сред.
Потери напряжений в напрягаемой арматуре от усадки и ползучести бетона по Рекомендациям определялись как для стальной арматуры с умножением результата на коэффициент пропорциональности, равный отношению модулей упругости композитной и стальной арматуры. В Рекомендациях приведены также формулы потерь от релаксации напряжений и от перепада температуры при натяжении на упоры стенда. Кроме того, приведена длина зоны передачи напряжений для арматуры диаметром 6 мм: lp = 250 мм.
Рекомендации [1] устанавливали следующие коэффициенты условий работы, вводимые к расчетному сопротивлению арматуры:
– при продолжительном действии нагрузки — 0,65,
– при пропаривании изделий до температуры 60°С — 0,9, до температуры 70°С — 0,85, до температуры 80°С — 0,8.
В проекте СП записано, что «нормативные значения сопротивления растяжению, модуля упругости и предельных относительных удлинений при разрыве следует определять с обеспеченностью 0,95 по результатам испытаний... в соответствии с ГОСТ». В ГОСТ же нет не только указаний по испытанию, но и самой величины предельных удлинений (об этом сказано выше). А главное, сами величины нормативного сопротивления растяжению отсутствуют и там, и там. Поэтому не понятно, то ли временное сопротивление приведено с обеспеченностью 0,95 и уже является нормативным сопротивлением, то ли его ещё кому-то надо определять.
Расчетное сопротивлению сжатию, согласно проекту СП, принято равным нулю. Такое радикальное решение вполне объяснимо. Чтобы сжатая арматура работала, нужно ее удержать поперечными стержнями (хомутами) от потери устойчивости. Композитные же хомуты здесь применить невозможно, так как они не гнутся и не привариваются.
Что касается нормальных сечений, то в проекте СП [3], в отличие от Рекомендаций [1], указания о предпочтительности проектирования переармированных сечений (т. е. с перерасходом продольной арматуры) отсутствуют. Но, по всей вероятности, перерасход получится и без этих указаний, если применять все коэффициенты условий работы арматуры и соблюдать требуемые ограничения по жесткости и раскрытию трещин.
Как итог можно отметить, композитная арматура обладает рядом превосходных качеств, находится вне конкуренции в той специфической области, где применение стальной арматуры недопустимо в принципе. В остальных случаях ее применение не оправдано, как технологически, так и экономически.
Литература:
1. P-16–78. Рекомендации по расчету конструкции со стеклопластиковой арматурой / НИИЖБ Госстроя СССР — Ин-т строительства и архитектуры Госстроя БССР.-М., 1978.-20 с.
2. ГОСТ 31938–2012. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций
3. СП?.13330–2013. Конструкции из бетона с композитной неметаллической арматурой. Правила проектирования.
4. СП 63.13330–2013. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52–01–2003.
5. Габрусенко В. В. Особенности проектирования конструкций из бетона с композитной / Габрусенко В. В.//Проектирование и строительство в Сибири. 2013. № 6(77).
