Исследования возможных областей использования неметаллической композитной арматуры, впервые упоминаемые в литературе, проводились в СССР в 50-е годы XX века [1]. В то время рассматривались различные способы усиления бетонных конструкций при помощи дисперсного армирования, сосредоточенного армирования, создания сплошных стеклопластиковых обойм. Применение композитных стеклопластиковых стержней оценивалось как наиболее перспективный способ армирования бетонных конструкций, так как в отличие от дисперсного армирования, защитный слой из эпоксидной смолы в стрежнях препятствовал разрушению стеклянных волокон не стойких к воздействию щелочей.
Первые образцы исследуемой в СССР композитной арматуры выполнялись из алюмоборосиликатного волокна и эпоксифенольного связующего, в литературных источниках они имели сокращенное обозначение СПА — стеклопластиковая арматура. Создание первых экспериментальных конструкций, армированных композитной арматурой в СССР стало возможным благодаря масштабным исследованиям, выполненных в разные годы учёными: А. А. Гвоздевым [2], К. В. Михайловым [2, 3, 4], Ю. М. Вильдавским [4, 5] Н. А. Мощанским [6], О. Я. Бергом [7], Ю. М. Нагевичем [7], Г. Д. Андреевской [8], С. С. Жавридом [9], Ю. В. Кондратьевой [10], Ю. В. Дегтярём [9], И. Никулой [2], В. Ф. Залого [12], Н. П. Фроловым [1, 10, 13] и др.
Первые технологические линии для производства арматуры и применяемое сырье позволяли производить арматуру стеклокомпозитную диаметром 6 мм, с пределом прочности не более 1500 МПа, начальным модулем упругости при растяжении менее 55 000 МПа, плотности 1800–2000 кг/м3. При растяжении предельные деформации у образцов арматуры в момент разрыва составляли 2,5–3 %, диаграмма деформирования при растяжении прямолинейна, длительная прочность при растяжении составляла 0,6–0,8 от предела прочности при растяжении, значение коэффициента линейного теплового расширения 5,5–6,5⋅10-6 К-1.
Было установлено, что прочность тонких стеклянных волокон определяется их толщиной, чем тоньше волокно — тем выше его прочность и в то же время стоимость изготовления, изучено влияние масштабного фактора на значения модуля упругости при растяжении отдельных волокон, процессы старения волокна, влияние условий получения волокон на их характеристики, влияние влажностного режима на длительную прочность волокна. Полученные данные определили дальнейшее направление исследований по совершенствованию свойств неметаллической арматуры: поиск наиболее универсального связующего, разработка и модернизация схемы процесса изготовления, новых автоматических технологических линий. Схема первой опытной технологической линии для изготовления композитной арматуры приведена на рисунке 1. Линия для изготовления стержневой композитной арматуры методом пуллтрузии состояла из следующих основных узлов: 1 — магазин первичной стеклянной нити, 2 — натяжители для устранения разнодлинности нитей, 3
— электрическая печь для удаления замасливателя, 4 — ванная со свящующим для пропитки волокна полимером, 5 — электрическая печь, 6 — формовочный узел, 7 — обмотчик, 8 — электропечь, 9, 11 — резервуары со связующим, 10, 12 — вертикальные печи, 13 — барабан для проволочной арматуры, 14 — тянущее устройство, 15 — отрезное устройство, 16 — склад готовых изделий.
Рис. 1. Схема опытной технологической линии
Экспериментально-теоретические исследования в период с 1950-е по 1980-е годы, проведенные на образцах, армированных стеклокомпозитной арматурой показали, что некоторые ее особенности: несвариваемость, отсутствие технологической возможности производства гнутых элементов, низкий модуль упругости (по сравнению со стальной) сильно ограничивают ее область применения, исключают возможность изготовления полноценных арматурных каркасов. Таким образом, конструкции армированные стеклокомпозитной арматурой, предполагалось проектировать с применением только прямолинейных преднапряжённых стержней без поперечного армирования и хомутов.
На территории Российской Федерации интерес к композитной арматуре снова вырос в 2000-е годы, когда сырье для ее производства стало доступнее, появилась возможность использовать новые виды волокон, помимо стекловолокна.
Нормативный документ ДСТУ-Н Б В.2.6.-185:2012 [37], действующий на территории Украины, содержит руководство по применению неметаллической композитной арматуры выполненной из стеклянного и базальтового ровинга.
В республике Беларусь взамен документа СТБ 1103–98 [38], содержащего общие технические условия на стеклопластиковую арматуру, применяется актуальный на территории РФ стандарт ГОСТ 31938–2012 [27].
За рубежом, в США, Канаде, Японии, странах ЕС исторически сложился более высокий уровень распространения АКП в бетонных конструкциях, хотя первые исследования и упоминания о ее применении появились практически одновременно с исследованиями, проводимыми в государствах республиках на территории бывшего СССР.
В период с 1960-х по 1970-е в США рассматривалось применение АКП (англ. FRP — Fiber Reinforced Polymer Bar) для решения проблемы коррозионной стойкости покрытий автомобильных дорог, мостов. В 1980-е годы существовал специальный проект, разработанный министерством транспорта США, направленный на изучение современных технологий эффективного применения АКП и других композитных материалов в постройке мостов. В этот же период АКП была впервые использована в сооружениях для размещения специального медицинского оборудования для магнитно-резонансной фотографии и рентген кабинетов.
Отчёты Американского института бетона (ACI — American Concrete Institute) ACI 440R-96 [40] свидетельствуют о большом количестве успешно реализованных крупных проектов, таких как: армирование АКП несущих балок перекрытия здания Университета в штате Техас в 1986 г.; армирование несущих конструкций, включая главные и второстепенные балки перекрытия, в здании госпиталя для размещения кабинета магнитно-резонансной томографии в Техасе в 1985 г.; ремонт дорожного настила автомобильного моста в Штате Огайо в 1999 году; основание для кабинета МРТ в Штате Луизиана в 1999 году, автомобильный мост через реку во Флориде в 2003 году пешеходный мост в Миссури в 2007 году и др.
В Канаде композитная арматура также часто использовалась при возведении автодорожных мостов и дорожных настилов для них в разные годы: мост Joffe Bridge в Квебеке в 1997 году; мост Taylor Bridge, бетонные несущие балки которого усилены углекомпозиной арматурой, в Манитобе в 1998 году; O`Rellys`s Bridge в Онтарио в 2010 году, Rattle Brooke Bridge в Онтарио в 2010 году и др.
В Европе также было выполнено множество демонстрационных проектов и программ по изучению неметаллической арматуры.
В Японии к середине 1990-х годов насчитывались уже сотни объектов, выполненных с применением АКП. Композитная арматура использовалась как для дорожных настилов и мостов, так и для армирования подземных конструкций.
На сегодняшний день область применения АКП за рубежом значительно расширилась и может быть классифицирована на основании рекомендаций, приводимых в источниках производителей АКП в виде нескольких крупных категорий:
- Транспортное строительство;
- Строительство промышленных и гражданских объектов;
- Гражданское строительство;
- Прочие объекты.
Литература:
- Фролов, Н. П. Стеклопластиковая арматура и стеклопластбетонные конструкции [Текст] / Н. П. Фролов — М.: Стройиздат, 1980. — 104 с.
- Гвоздев, А. А. Арматура из стеклопластиков для армирования бетонных конструкций / А. А. Гвоздев, К. В. Михайлов, И. Никула // Бетон и железобетон. — 1960.
- — № 3. — C. 103–105.
- Михайлов, К. В. Предварительно напряженные бетонные конструкции со стеклопластиковой арматурой / К. В. Михайлов // Использование стеклопластиков для армирования бетонных конструкций: материалы всесоюзной науч. техн. конференции. — Минск: Наука и техника, 1964. — С. 10–18.
- Михайлов, К. В. Исследование особенностей работы изгибаемых элементов со СПА / К. В. Михайлов, Ю. М. Вильдавский // Эффективные виды арматуры для железобетонных конструкций. — М.: Стройиздат, 1970. — C. 181–208.
