О КОМПОЗИТНОЙ АРМАТУРЕ В ТЕРМОПАНЕЛЯХ КЛИНКЕР ПРОМ

Рынок строительных материалов с каждым годом непрерывно развивается, расширяется ассортимент изделий, внедряются новейшие методы оптимизации технологии. Бурное развитие промышленного и гражданского строительства обусловливает увеличение выпуска новых материалов и изделий, обладающих повышенными физико-механическими свойствами, высокой прочностью и долговечностью. Этим требованиям удовлетворяют композитные материалы, которые нашли свое применение в виде стеклопластиковой арматуры.

Стеклопластиковой арматурой называют композиционный материал, состоящий из стекловолокнистой основы, склеенной синтетическими полимерами. Основа состоит из стеклянной ткани или стеклошпона, цельного или рубленого стекловолокна, которые представлены в виде отдельных жгутов и нитей.

Стеклопластиковая арматура (АСП) выпускается в виде стержней со спиральным рельефом из стеклянных волокон. Рифленая поверхность арматуры создается посредством спиральной обмотки стержня жгутом в процессе его формирования или нанесением покрытия из песка.

Рисунок показывает, что на производстве используется определенный способ, при котором на поверхности образуются выступы, способствующие сцеплению между стержнем и материалом. В настоящее время производство и использование осуществляются в небольшом масштабе, поскольку они находятся на экспериментальной стадии на рынке.

Рисунок. Продольный срез АСП:

1 – основное тело, 2 – профиль, 3 – подтеки эпоксидной смолы.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТНОЙ СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ АРМАТУРЫ

Область применения стеклопластиковой арматуры достаточна обширна и встречается в следующих строительных областях деятельности:

перевязка рядов в каменной кладке;
реставрация поверхностей железобетонных и каменных конструкций;
усиление существующих конструкций в связи с их изменением по назначению;
в качестве сеток и стержней конструкций;
при сооружении насыпей;
при укреплении откосов дорог;
берегоукрепление (в виде сеток в основании);
использование в качестве предварительно напряженной арматуры в изделиях, работающих на изгиб;
в элементах химических производств.

СРАВНЕНИЕ СО СТАЛЬНОЙ АРМАТУРОЙ

Анализируя данные свойства, можно провести сравнение стальной и стеклопластиковой арматуры:

- композитная арматура не вступает в реакцию с химическими веществами, не подвергается коррозии, в отличие от стальной;

- стеклопластиковая арматура легче стальной примерно в 4 раза, что упрощает ее перевозку и монтаж;

- стальная арматура более подвержена воздействию высоких температур нежели композитная, однако при отрицательных температурах стальная показывает лучшие качества, чем ее конкурент, который при отрицательных температурах проявляет такие качества, как хрупкость и ломкость;

- плюсом так же является низкая стоимость композитной арматуры;

- стальная арматура менее долговечна чем композитная;

- механические свойства композитной арматуры остаются неизменными при воздействии электромагнитных волн;

- стальная арматура имеет показатель модуля упругости примерно в 4 раза выше;

- при увеличении диаметра стеклопластиковой арматуры снижаются прочностные показатели;

- коэффициент теплового расширение бетона примерно равен стеклопластиковой арматуре;

- разрушение стальной арматуры более предсказуемо, нежели стеклопластиковой, что является плюсом при выявлении аварийного состояния здания, так как металл испытывает состояние текучести перед разрывом при растяжении, в отличии от композитной.

Таблица 1. – Сравнительные характеристики металлической и стеклопластиковой арматуры

Характеристики	Металлическая класса А-III (А400С)	Арматура композитная полимерная стеклопластиковая (АКС)
Материал	Сталь	Стеклоровинг, связанный полимером на основе эпоксидной смолы
Предел прочности при растяжении, МПа	390	1000
Модуль упругости, МПа	200 000	55 000
Относительное удлинение, %	25	2,2
Плотность, т/м³	7	1,9
Коррозионная стойкость к агрессивным средам	Коррозирует	Нержавеющий материал
Теплопроводность	Теплопроводна	Нетеплопроводная
Электропроводность	Электропроводна	Неэлектропроводная – является диэлектриком
Выпускаемые профили, мм	6 – 80	4 – 20
Длина	Стержни длиной 6-12 м	В соответствии с заявкой покупателя. Любая строительная длина. Возможна поставка в бухтах.
Экологичность	Экологична	Не токсична, по степени воздействия на организм человека и окружающую среду относится к 4 классу опасности (малоопасные)
Долговечность	В соответствии со строитель- ными нормами	Прогнозируемая долговечность не менее 80 лет
Параметры равнопрочного арматурного каркаса при нагрузке 25 т/м²	При использовании арматуры 8 А-III размер ячейки 14×14 см. Вес 5,5 кг/м²	При использовании арматуры 8 АКС размер ячейки 23×23 см. Вес 0,61 кг/м². Уменьшение веса в 9 раз

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИТНОЙ СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ АРМАТУРЫ

Основные физико-механические свойства стеклопластиковой арматуры определяет стекловолокнистая основа.

Композитная арматура экологична, не выделяет вредных и токсичных веществ. Она является нержавеющим материалом первой группы химической стойкости, тогда как стальная арматуры корродирует с выделением продуктов коррозии в виде ржавчины.

Таблица 2. – Основные физико-механические характеристики однонаправленных стеклопластиковых стержней

Общие характеристики однонаправленного стеклопластика
Плотность, кг/м ³	1950…2200
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м × К)	0,46…0,5
Коэффициент линейного расширения, К ^-1	(0,55…0,65)·10 ^-5
Водопоглощение, %, не более	0,05
Тангенс угла диэлектрических потерь	0,045…0,055
Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом, не менее	1,0 × 10 ¹⁵
Предел прочности при поперечном изгибе, МПа, не менее	1585
Предел прочности при растяжении, МПа, не менее	1000
Предел прочности при сжатии, МПа, не менее	820
Модуль упругости при растяжении, МПа, не менее	50 000
Предел прочности по напряжениям сдвига вдоль волокон при поперечном изгибе арматуры, МПа, не менее	35
Предел прочности при срезе арматуры поперек волокон, МПа, не менее	185
Температура стеклования связующего, ºС, не менее	89

ПРЕИМУЩЕСТВА КОМПОЗИТНОЙ СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ АРМАТУРЫ

Целесообразность применения композитной арматуры заключается в ряде преимуществ:

Прочность на разрыв в 2 раза выше прочностных характеристик стальной арматуры класса А III.
Нержавеющий материал.
Арматура кислотостойкая. Очень хорошо стоит в морской воде.
Арматура не гнется (имеет более упругие свойства).
Неэлектропроводная – является диэлектриком.
Практически не проводит тепло.
Радиопрозрачна.
Магнитоинертна (исключено изменение прочностных свойств композитной арматуры под воздействием электромагнитных полей).
Не теряет свои прочностные свойства под воздействием сверхнизких температур.
Легче металлической арматуры в 5 раз, при равнопрочной замене в 9 раз.
Любая строительная длина.
Экономическая целесообразность.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вокруг применения композитной арматуры разгорается немало споров, в которых оппонирующие стороны приводят убедительные доводы “за” и “против” ее использования, а также описывают положительные и отрицательные качества композитной арматуры. В связи с этим необходимо предоставить разъяснения путем сравнения основных характеристик стальной и композитной стеклопластиковой арматуры:

Расчетное сопротивление разрыву стеклопластиковой арматуры превышает расчетное сопротивление разрыва стальной арматуры класса A III в 3 раза.

Логично сравнивать предел текучести стальной арматуры и предел прочности на разрыв композитной, поскольку композитная арматура не имеет предела текучести, а стальная – имеет. При этом необходимо учитывать коэффициенты запаса, значений которых в нормативной литературе не представлено.

Композитная арматура не имеет площадки текучести, наблюдается прямая линия упруго-линейной зависимости до разрушения.

Т.е. при достижении определенной нагрузки она не приобретает свойство сильного удлинения как стальная, а просто лопается. Это серьезный недостаток пластика, который производители описывают как положительный момент, являющийся на самом деле сильно отрицательным. Пластичность стали определяется ее относительным удлинением при разрыве в процентах. Она способствует возникновению пластических шарниров в статически неопределимых конструкциях, учет которых ведет к экономии и упрощению армирования.

Перераспределение усилий в статически неопределимых конструкциях из-за образования пластических шарниров стали учитывать не так уж давно. До этого расчеты производили без учета пластики, что делало расчеты проще и создавало инженерам меньше проблем. Отсутствие пластики в композитной арматуре нельзя назвать ни плюсом, ни минусом. Это одно из свойств материала, которое нужно учитывать и использовать.

Модуль упругости.

У стеклопластика (~ 43000 МПа) в 3 – 4 раза меньше стали (200000 МПа), так что без предварительного напряжения композитная арматура в плите, установленная из условия прочности на растяжение, не успевает включиться в работу (пока арматура натянется для восприятия нагрузки, плита прогнется и бетон с нее уже, условно говоря, обсыплется). Применение композитной арматуры только из условия упругости требует увеличения сечения композитной арматуры относительно стальной как минимум в 3 – 4 раза.

Теплопроводность пластиковая арматуры в 100 раз меньше, чем у стали (отсутствие «мостиков холода» в конструкциях).

Мостики холода идут, например, по бетону, т.к. это камень или в стыках утеплителя. А тип уложенной внутри материала арматуры не имеет особого значения.

Композитная арматура обладает высокой коррозионной стойкостью к воздействию агрессивных сред (кислоты, щелочи, соли, сернистые газы, аммиачная вода и т.д.).

Это положительное качество, но пенополиуретан и клинкерная плитка вполне способны защитить арматуру от воздействия агрессивных сред.

Длина композитного арматурного стержня не ограничена (оборудование позволяет обеспечить любую мерную длину по требованиям проекта).

Судя по предложениям производителей, длина обычно ограничивается 6, 12 м для пластика толще 12 мм, который в бобины скрутить не представляется возможным. Но этот фактор не сильно важен в строительстве, т.к. длинные стержни неудобно кантовать, да и нет особой надобности в длине стержня более 12 м (стандарт для стальной арматуры).

При укладке композитной арматуры отсутствуют сварочные работы.

Затруднительно соединить пруты пластиковой арматуры без перехлеста или какой-нибудь муфты, что в условиях насыщенности арматурой элемента бывает крайне необходимо. Также отсутствует возможность выполнить закладную деталь, нарастить арматурные выпуски.

Прогнозируемая долговечность пластиковой арматуры не менее 80 лет.

Стальная арматура со временем не меняет своих свойств, а по пластиковой арматуре долговечность только прогнозируется, поскольку фактических данных об этом нет.

ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ

Исследования по созданию и изучению свойств высокопрочной неметаллической арматуры, определению областей её применения были начаты в СССР в 60-х годах прошлого века. Особое внимание уделялось изучению химической стойкости и долговечности стеклянного волокна и арматуры на её основе в бетоне и различных агрессивных средах.

В 70-ых годах XX века неметаллическая арматура была применена в конструкциях из лёгких бетонов (ячеистых бетонов, арболита и др.), а также в фундаментах, сваях, электролизных ваннах, балках и ригелях эстакад, опорных конструкциях конденсаторных батарей, плитах крепления откосов, безизоляторных траверсах и других конструкциях.

В Германии в начале 80-х годов стеклопластиковую арматуру стали применять для армирования бетонных мостов. В г. Дюссельдорф построен мост для пешеходного движения. Автодорожный двухпролётный мост шириной 15 м на Уленбергштрассей, армированный стеклопластиковыми стержнями, открыт для движения в 1987 г. Максимальная неподвижная нагрузка для транспорта составляет 600 кН. Длина пролётов – 21,3 и 25,6 м.

В 1986 г. и 1988 г. в Японии построены мосты, в конструкции которых применена напрягаемая углепластиковая арматура. Положено начало использованию неметаллической арматуры в конструкциях морских портом сооружений.

Некоторые сооружения в Канаде, такие как конструкции в портах или пристани, были упрочнены посредством использования стержней из волокон пластика. Эти конструкции состоят из толстых стен сборного железобетона, сконструированного с максимальным пределом прочности 450 кг/см2. Они подвергались изменению температур от 35 до -35ºС. Мосты в Квебеке, Онтарио и Острове Ванкувер в Канаде, для которых используется соль, чтобы растворить лед, были построены с применением такого вида арматуры. Были проведены тесты на всех этих сооружениях посредством отбора проб; армированный бетон был исследован на рентгеновском аппарате. Конструкции достигали возраста от 5 до 8 лет. Исследования показали, что различные факторы, включающие сухие и влажные циклы, не оказывают влияния на композитную арматуру.

Интерес к неметаллической арматуре возник в середине XX столетия в связи с рядом обстоятельств. Расширилось применение армированных бетонных конструкций в ответственных сооружениях, эксплуатируемых в сильно агрессивных средах, где трудно было обеспечить коррозионную стойкость стальной арматуры. Возникла необходимость обеспечения антимагнитных и диэлектрических свойств некоторых изделий и сооружений. И, наконец, надо было учитывать ограниченность запаса руд, пригодных для производства стали и всегда дефицитных легирующих присадок.