История композитной арматуры
Исследования по созданию и изучению свойств высокопрочной неметаллической арматуры, определению областей её применения были начаты в СССР в 60-х годах прошлого века. Была разработана непрерывная технология изготовления арматуры диаметром 6 мм из щелочестойкого стекловолокна мало- циркониевого состава марки Щ-15ЖТ, подробно изучены физико-механические свойства. Особое внимание уделялось изучению химической стойкости и долговечности стеклянного волокна и арматуры на её основе в бетоне и различных агрессивных средах. Установлено влияние на эти показатели различных замасливателей, покрывающих волокно.
Определена возможность получения стеклопластиковой арматуры со следующими показателями: временное сопротивление разрыву до 1500 МПа, начальный модуль упругости порядка 50000 МПа, плотность 1,8-2,0 т/м3 при весовом содержании стекловолокна 80%. Диаграмма арматуры при растяжении практически прямолинейна до разрыва, предельные деформации к этому моменту достигают 2,5-3,0%; долговременная прочность арматуры в нормальных температурно-влажностных условиях составляет 65% её временного сопротивления, коэффициент линейного расширения 5,5-6,5•10-6.
Для улучшения сцепления арматуры с бетоном перед их термической обработкой стержней на них навивалась по спирали с усилением стеклянная нить, которая создавала ребристую поверхность. Стеклопластиковую арматуру с такими свойствами целесообразно использовать в предварительно напряжённых бетонных конструкциях, в конструкциях, к которым предъявляются особые требования в отношении коррозионной, электроизоляционной стойкости, немагнитность и радиопрозрачность. Использование неметаллической арматуры в сочетании со специальными бетонами (полимерным, полимерсиликатным) повышает эффективность её применения.
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 1976 г. построены два надвижных склада в районах гг. Рогачев и Червень. Несущие наклонные элементы верхнего пояса арок армированы четырьмя предварительно напряжёнными стеклопластиковыми стержнями диаметром 6мм. Стержни расположены в двух пазах сечением 10х18 мм, выбранных в нижней пластине элементов. Приопорные участки элементов (в коньковом и опорных узлах) усилены деревянными накладками из досок толщиной 20 мм.
Экономия древесины в несущих армированных элементах составила 22% , на 9% была снижена стоимость, масса конструкций уменьшена на 20%. Стоимость сооружения по сравнению с существующими типовыми решениями складов такой же емкости снизилась в 1,7 раза.
На кислотной станции Светлогорского комбината искусственного волокна перекрытия над технологическими галереями выполнены из полимербетона ФАМ со стеклопластиковой арматурой. Плиты армировали стеклопластиковыми стержнями диаметром 6 мм с предварительным напряжением ребёр и плиты в поперечном направлении. Распределительная арматура полки выполнена без предварительного напряжения. Экономический эффект в результате снижения приведенных затрать на 1 м2 перекрытия составил 57,95 руб.
В 1969 г. ИСиА Госстроя БССР совместно с ГПИ «Сельэнергопроект» (г. Москва) разработаны и исследованы электроизолирующие траверсы для ЛЭП-10 кВ и ЛЭП-35 кВ. В 1970г. в районе Костромы сдан в эксплуатацию опытный участок ЛЭП-10 кВ со стеклопластбетонными траверсами.
В 1972 г. в районе Ставрополя сдан в эксплуатацию опытный участок ЛЭП-35 кВ с электроизолирующими стеклопластбетонными траверсами. Конструкция траверса состояла из трёх предварительно напряжённых стеклопластбетонных элементов (лучей), соединённых болтами на стальной пластине, которая хомутами закреплялась на вершине железобетонной опоры.
В 1975 г. в Гродно и Солигорске сданы в эксплуатацию два опытных участка ЛЭП-10 кВ с траверсами из стеклопластбетона. Конструкция траверсы сборная, трёхлучевая, состоит из двух прямолинейных предварительно напряжённых стеклопластбетонных элементов: горизонтального, на котором расположены два провода, и вертикального на вершине которого крепится третий провод. Сборная траверса основанием вертикального элемента присоединена к железобетонной опоре ЛЭП с применением стальных хомутов. Траверсы изготовлены из электроизолирующего бетона. Арматура – четыре стержня диаметром 6 мм в каждом элементе.
В 1979г. в районе г. Батуми сданы в эксплуатацию два опытных участка опор ЛЭП на 0,4 и 10 кВт с траверсами из бетонополимера, армированного стеклопластиковой арматурой диаметром 6 мм. Годовой экономический эффект от внедрения стеклопластбетонных безизоляторных траверс на 1 км линии электропередач составил 61,01 руб.
На Усть-Каменогорском комбинате цветной металлургии освоено производство предварительно напряжённых электролизных ванн из ФАМ полимербетона, армированного стеклопластиковыми стержнями диаметром 6 мм. Размерами ванны в плане 1080х2300 мм, высота 1650 мм, толщина стенки 100 мм. Стенки и днище армированы двойной симметричной арматурой с шагами стержней 200 мм. Экономический эффект на одну ванну без учёта затрат, связанных с остановкой производства при замене железобетонных ванн, - 1015, 5 руб.
В 1975 г. по проекту кафедры «Мосты и тоннели» Хабаровского политехнического института закончено строительство первого в мире клееного деревянного моста длиной 9 м, балки которого с поперечным сечением 20х60 см изготовлены из древесины ели и армированы четырьмя предварительно напряжёнными пучками из четырёх стеклопластиковых стержней диаметром 4 мм.
Второй мост в СССР со стеклопластиковой арматурой построен в 1981г. в Приморском крае через р. Шкотовка. Пролётное строение моста состоит из шести металлических двутавров №45, предварительно напряженных затяжками из 12 стеклопластиковых стержней диаметром 6 мм. Балки объединены монолитной железобетонной плитой проезжей части. Пролетное строение имеет длину 12 м, габариты проезжей части и тротуаров – Г8+2х1 м, расчётные нагрузки Н-30, НК-80.
В Хабаровском крае мост с применением стеклопластиковой арматуры построен в 1989 г. В поперечном сечении пролётного строения длиной 15 м установлено 5 ребристых без уширения в нижней зоне балок. Армирование балок пролётного строения моста было принято комбинированным: создание начальные напряжений в них осуществлялось четырьмя пучками по 24 стеклопластиковых стержня диаметром 6 мм в каждом и одним типовым пучком из стальных проволок. Армирование балок не напрягаемой арматурой классов А-I и А-II было оставлено без изменений.
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.
В США стеклопластиковая арматура Parafil применена в конструкциях фундамента и пола при строительстве госпиталя Сан-Антонио (штат Техас). Высокая коррозионная стойкость каната Parafil даёт возможность применять их вместо стальной арматуры в условиях, в которых сталь корродирует. С использованием канатов Parafil можно изготавливать фундаментные балки и плиты, сваи и элементы конструкций, эксплуатируемых в морской воде.
Канаты можно применять в качестве внешней напрягаемой арматуры при строительстве мостов. С использованием такой арматуры построен виадук в Великобритании, а также мост в США. Канаты Parafil пригодны при ремонте различных конструкций, в качестве вант в конструкциях платформ для добычи нефти в открытом море и других случаях.
Фирмой Statestyle, Ltd. (Великобритания) предложен способ производства полужестких сеток из стеклопластика Fibremesh-G. В процессе производства на сетку из стекловолокна наносится полиэфирная смола, которая пропитывает пряди стекловолокна, и, отверждаясь, образует долговечный материал. Сетки из стеклопластика предназначены для различных целей, в том числе для использования в строительстве. При проведении отделочных работ на них наносится штукатурка. Сетки можно крепить к поверхности древесины, кирпича, бетона вместо обычных металлических сеток. Размеры отверстий сеток из стеклопластика 4 и 2,5 мм, линейная плотность 410 и 260 г/м. Сетки поставляются в рулонах шириной 1,5 м и длиной до 50 м. Прочность на растяжение сеток марок 410 G соответственно 5,05 и 2,60 кН/5 см.
По инициативе Московского правительства в 2000 г. были возобновлены исследования по разработке базальтопластиковой арматуры повышенной долговечности. Разработаны и смонтированы две опытно-промышленные установки по традиционному принципу пултрузии и по новой безфильерной технологии. Последняя технология обеспечивает значительно более высокую производительность производства композитной неметаллической арматуры базальтопластиковой и стеклопластиковой, поэтому эта технология выбрана как наиболее перспективная.
Замена стальной арматуры на неметаллическую исключает повреждение армированных конструкций из-за коррозии стали и разрушения защитного слоя, и позволяет сохранить качество и внешний вид конструкций в процессе эксплуатации, снизить эксплуатационные расходы за счёт увеличения межремонтного периода.
Неметаллическую композитную арматуру (НКА) рекомендуется использовать в бетонах, которые характеризуются пониженным защитным действием по отношению к стальной арматуре:
- в бетонах на портландцементе с содержанием щелочей не более 0,6% шлакопортландцементе, пуццолановом цементе, смешанных вяжущих (гипсоцементно-пуццолановом, цементах с низкой водопотребностью, с высоким содержанием активных минеральных добавок);
- в монолитных бетонах с хлоридсодержащими противоморозными добавками, не содержащими щелочей (хлорид кальция ХК, нитрат-хлорид кальция НХК, нитрат-хлорид кальция с мочевиной НХКМ и др.);
- в крупнопористых бетонах для дренажных труб, лёгких крупнопористых бетонах, монолитных ячеистых бетонах;
- для армирования конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных хлоридных сред: тротуарных плит, дорожных покрытий и др.
Рекомендуемой областью применения НКА является наружный слой трёхслойных панелей и гибкие связи, что позволяет улучшить внешний вид здания (отсутствие потеков ржавчины) и повысить теплотехнические характеристики стен, а также в слоистых стенах с гибкими связями. Эффективной областью применениям НКА являются конструкции, подвергаемые воздействию токов утечки. С получением экспериментальных данных за более длительные сроки испытаний, совершенствованием свойств БПА область применения неметаллической арматуры может быть расширена.
