Достоинства и недостатки композитной арматуры

Достоинства и недостатки композитной арматуры

Композитная арматура

Арматура, которая изготовлена из волокон неметаллического происхождения и соединена композитным веществом называется композитной. Для изготовления применяют вид базальтового или стекловолокна.

Достоинства композитной арматуры:

  • легкий вес не создает излишнего давления на фундамент, благодаря чему эксплуатационные характеристики здания увеличиваются;
  • композитная арматура обладает хорошей устойчивостью к агрессивным факторам. Бетон является отличной защитой для металлических конструкций, но металл, имеет особенность, окисляться, что меняет технические характеристики построек. Композитный материал такими недостатками не обладает.
  • арматура, изготовленная из стекловолокна не способна пропускать электричество;
  • при одинаковом диаметре композитная арматура обладает большей прочностью на разрыв. Стальные стержни в некоторых видах конструкций, можно поменять на волокно, но только меньшего диаметра, для сохранения надежности.

Характеристики арматуры определяют по параметрам:

  • коэффициент расширения равен бетонному;
  • отсутствует теплопроводность;
  • прекрасно выдерживает низкий температурный режим;
  • есть возможность изготавливать арматуру различной длины. Для металла она фиксированная.

Опираясь на технические характеристики, композитная арматура применяется для армирования конструкций фундамента, которые находятся ниже уровня поверхности земли.

Характеристики арматуры дают возможность использовать ее для усиления дорожного покрытия, в строительстве различных мостов и опор.

Она максимально востребована в строительстве причалов, морских доков и других монтажных работах, где металл подвергается быстрой коррозии.

Композитная арматура

Недостатки композитной арматуры:

  1. модуль упругости в несколько раз меньше чем стальных;
  2. при высоких температурах стекловолокно утрачивает упругость, и арматура начинает терять свои первоначальные формы. Для того чтобы полностью обезопасить постройки, требуется усиление теплоизоляции;
  3. при монтаже, характеристики арматуры, не позволяют применить электросварку. Для того чтобы ее произвести на концы устанавливают стальные стержни.
  4. на строительных площадках изменить форму методом сгибания невозможно. Формы придают в процессе производства.

Делая выводы можно отметить, что стеклянная арматура отличается от металлической, сложностью разрыва, а также сложностью в монтажных работах. Для использования в перекрытиях композитная арматура не подходит.

Дефекты конструкций и приемы устранения дефектов

Дефекты конструкций в процессе строительства и современные приемы их устранения

В статье дается анализ основных дефектов, возникающих при строительно-монтажных работах, а также проявляющихся в ходе эксплуатации зданий и сооружений.

Лаборатории ГУП «НИИМосстрой» осуществляют обследования на строящихся строительных объектах и довольно часто выявляют целый ряд нарушений и дефектов. Дефекты зачастую приводят к значительным экономическим и материальным потерям в виде затрат на переделку и исправления. Есть случаи, когда дефекты могут привести к аварии с обрушением отдельных элементов конструкций или всего сооружения.

Анализ причин аварий на строящихся и эксплуатируемых зданиях и сооружениях показал, что их причинами в 60-80% являются низкое качество выполнения строительно-монтажных работ.

Для улучшения качества строительства большое значение имеет изучение дефектов, допускаемых при строительстве (вклад ученых В.Г. Гвоздева, В.Л. Клевцова, М.Н. Лашенко, И.А. Физделя и др.)

Скол бетона с оголением и коррозией рабочей арматуры
Рисунок 1а. Скол бетона с оголением и коррозией рабочей арматуры
Скол бетона с оголением и коррозией рабочей арматуры
Рисунок 1б. Скол бетона с оголением и коррозией рабочей арматуры
Непровибрированные участки с образованием каверн под металлической балкой
Рисунок 2а. Непровибрированные участки с образованием каверн под металлической балкой
Непровибрированные участки с образованием каверн под металлической балкой
Рисунок 2б. Непровибрированные участки с образованием каверн под металлической балкой
Рисунок 3. Пористая структура бетона
Рисунок 3а. Пористая структура бетона
Пористая структура бетона
Рисунок 3б. Пористая структура бетона
Пористая структура бетона
Рисунок 3в. Пористая структура бетона
Пористая структура бетона
Рисунок 3г. Пористая структура бетона

При выполнении строительно-монтажных работ часто наблюдаются отклонения от проектных величин в размерах, прочности и физических свойствах материалов.

Статистика аварий, вызванных дефектам и строительномонтажных работ, подтверждает вышесказанное:

  • устройство оснований и фундаментов — 11%;
  • монтажно-сварочные работы — 31%;
  • монолитные бетонные работы — 3%;
  • кровельные работы — 2%.

Дефекты возникают в основном за счет:

  • непроектного выполнения конструкций;
  • нарушений технологии производства;
  • применения материалов, изделий, конструкций с дефектами;
  • некачественного уплотнения бетонной смеси;
  • неудовлетворительного ухода за бетоном в процессе твердения;
  • применения бетонной смеси с прочностными показателями ниже проектных;
  • применения арматуры с явлением коррозии, что также вызывает снижение прочности, образование трещин, снижение долговечности и эксплуатационных свойств.
Таблица 1. Основные дефекты при возведении монолитных железобетонных конструкций и их влияние на качество
Возможные отклонения (нарушения)Дефекты
1. Несоответствие параметров прочности, морозостойкости, плотности, водонепроницаемости бетона проекту и нормамСнижение прочности и долговечности
2. Несоответствие арматуры по прочности и химическому составуСнижение прочности
3. Положение рабочих стержней не соответствует проектуСнижение прочности
4. Нарушение требований проекта и норм в расположении рабочих швов при бетонированииСнижение прочности
5. Нарушение правил зимнего бетонированияСнижение прочности
6. Невыполнение правил по уходу за бетономСнижение прочности
7. Загружение конструкций до проектной прочностиВозможно разрушение конструкции
8. Отклонение в толщине защитного слоя, превышающего нормуСнижение прочности
9. Бетонная поверхность имеет поры, раковины, обнажение арматурыСнижение долговечности
Косослой бетона, дефектный холодный шов
Рисунок 4а. Косослой бетона, дефектный холодный шов
Косослой бетона, дефектный холодный шов
Рисунок 4б. Косослой бетона, дефектный холодный шов
Оголение арматуры, отсутствие защитного слоя бетона
Рисунок 5а. Оголение арматуры, отсутствие защитного слоя бетона
Оголение арматуры, отсутствие защитного слоя бетона
Рисунок 5б. Оголение арматуры, отсутствие защитного слоя бетона

Таким образом, следует, что для обеспечения качества возводимых монолитных конструкций необходимо в обязательном порядке организовать постоянный контроль всех строительно-монтажных работ на объекте квалифицированными кадрами.

Значительное количество дефектов наблюдается при устройстве оснований и фундаментов:

  • за счет нарушения производства земляных работ;
  • рыхлая песчаная подсыпка вызывает неравномерную осадку фундаментов и появление трещин;
  • повреждения сооружений могут быть также вследствие пучения грунта при его промораживании.

Некачественное выполнение гидроизоляции фундаментов повышает влажность стен, что может привести к разрушению фундамента.

При несоблюдении толщины защитного слоя бетона арматурные стержни либо выходят на поверхность, либо закрыты тонким слоем цементного раствора, что приводит к коррозии арматуры, снижению сцепления арматуры с бетоном.

При понижении температуры наружного воздуха ниже 0°С процессы твердения бетона, уложенного в этот период, значительно снижаются. Понижение прочности монолитного бетона может привести к обрушению конструкций.
При применении при зимнем бетонировании добавок — ускорителей твердения бетона следует иметь в виду, что введение добавок, содержащих хлористые соли, вызывает коррозию арматуры.

Влияние дефектов, допущенных в ходе строительства, может оцениваться с позиций обеспечения надежности и безаварийности сооружений или с экономических позиций.

Существует целый ряд приемов и технологий, за счет которых возможно не допустить дефекты конструкций.

  1. Расчет на прочность является определяющим, и при его невыполнении может произойти разрушение конструкции.
  2. В расчетах по оценке несущей способности следует принимать наихудший вариант, т.е. максимально выявленную величину дефекта в конструкции, так как наибольший дефект приводит к разрушению.

Таким образом, дефекты в конструкциях должны рассматриваться с позиций надежности сооружения. Оценку можно определять по методике, разработанной Добромыс-ловым А.Н. «Оценка надежности зданий и сооружений по внешним признакам» (М.: Издательство АС В, 2004 г.).

Методика дает возможность:

  • в короткие сроки оценить надежность и техническое состояние строительных конструкций;
  • учитывать влияние повреждений на надежность конструкций, что позволит вовремя выполнить ремонт и усиление и тем самым обеспечить их надежность при эксплуатации.

Также надежность сооружения косвенно может быть оценена в виде коэффициента запаса прочности сооружения, категорий его технического состояния.

Наплывы бетона с нарушением геометрии конструкции
Рисунок 6. Наплывы бетона с нарушением геометрии конструкции

Большое значение также имеет материал книги Добромыслова А.Н. «Диагностика повреждений зданий и сооружений» для проведения обследований качества строительства: рассмотрены признаки аварийного состояния строительных конструкций и сооружений, прогнозирования деформаций сооружений, представлен полный анализ повреждений конструкций.

Целый ряд дефектов могут снизить прочность и устойчивость конструкции.

Например, дефект, снижающий прочность конструкции на 25% и более, является критическим, представляющим опасность на стадии монтажа и при эксплуатации сооружения.

Дефект, снижающий несущую способность конструкции более чем на 35%, свидетельствует об аварийном состоянии конструкции.

Физико-механические свойства бетона определяются характером процесса гидратации цемента и внутренним напряженным состоянием. Это связано с условиями выдерживания бетона — температурой и влажностью среды. Температура и влажность среды влияют на термические напряжения в массивных конструкциях за счет тепловыделения цемента.

Залогом роста прочности является поддержание влажности бетона, т.е. влажность среды оказывает влияние на твердение и на содержание воды в цементах.

При полном насыщении влагой гидратация цемента проходит полно и длительное время, что улучшает показатели водонепроницаемости и морозостойкости бетона.

Увлажнение бетона после его обезвоживания частично только восстанавливает его влагосодержание.

Особенно отрицательно сказывается на свойствах бетона испарение воды вскоре после уплотнения бетонной смеси.

Раннее обезвоживание бетона отрицательно влияет на его прочность и сцепление с арматурой.

В результате пластической усадки появляются поверхностные трещины с раскрытием до нескольких миллиметров.

Температура твердения бетона, также как и влажность, влияет на процессы гидратации цемента.

Нормальные условия выдерживания бетона приняты следующие:

  • температура (20±2)°С;
  • относительная влажность >90%.
Пустоты глубиной более толщины защитного слоя бетона, оголение арматуры, мусор в бетоне
Рисунок 7а. Пустоты глубиной более толщины защитного слоя бетона, оголение арматуры, мусор в бетоне
Пустоты глубиной более толщины защитного слоя бетона, оголение арматуры, мусор в бетоне
Рисунок 7б. Пустоты глубиной более толщины защитного слоя бетона, оголение арматуры, мусор в бетоне

Структура бетона, набравшего 30-40% марочной прочности, достаточно прочная.

Для получения качественной продукции важно выполнять мероприятия по уходу за бетоном, т.е. создать необходимые условия для твердения (необходимая влажность и благоприятная температура).

Влагу в бетоне можно сохранить следующими способами:

  • задержкой распалубки, распылением воды;
  • применением влагоудерживающих ковров;
  • при помощи защитного слоя, который наносится на бетон в жидком виде и при затвердевании образует тонкую пленку.

Необходимо предохранять поверхности от высыхания и в промежутках между распылением воды, т.к. процесс попеременного увлажнения и высыхания свежеуложенного бетона приводит к образованию волосяных трещин и даже к растрескиванию поверхности.

Поэтому часто применяется непрерывное разбрызгивание воды, которое обеспечивает более постоянный приток влаги, чем обильная поливка водой.

Продолжительность ухода за бетоном до достижения прочности 50-70% устанавливается проектом.
Следует соблюдать правила по уходу за бетоном при зимнем бетонировании.

Методы ухода за бетоном при зимнем бетонировании должны обеспечить твердение бетона в теплой и влажной среде в течение срока до набора бетоном необходимой прочности, характеризующее сохранение структуры бетона за счет выполнения следующих мероприятий:

  1. Использование внутреннего запаса теплоты бетона, которое обеспечивается:
    а) применением высокопрочного и быстротвердеющего портландцемента;
    б) ускорителей твердения бетона;
    в) уменьшением количества воды в бетонной смеси.

Внутренний запас тепла в бетоне создают путем подогрева материалов бетонной смеси и воды до температуры 50°С. Бетонная смесь при выходе из бетоносмесителя должна иметь температуру не выше 30-40°С. Применяется также «способ термоса» при зимнем бетонировании: подогретая бетонная смесь твердеет в условиях теплоизоляции. Это считается рациональным способом при сохранении тепла в течение 5-7 суток. Но этот метод возможен только в массивных конструкциях.

  1. а) применение дополнительной подачи бетону теплоты извне методом электроподогрева, пропуская через бетон электрический переменный ток;
    б) при зимнем бетонировании применяется также обогрев окружающего воздуха;
    в) возможно обеспечить твердение бетона в тепляках из фанеры, а также под брезентовыми навесами, где устанавливаются временные печи, специальные газовые горелки или используется воздушное отопление;

  2. введение в состав бетона химических добавок.

На рисунках представлены основные дефекты конструкций на строящихся объектах в городе Москве.

Ультразвуковой контроль сварных соединений

Ультразвуковой контроль сварных соединений

Ультразвуковой контроль сварных соединений арматуры железобетонных конструкций

Схема контроля стыков арматуры зеркально-теневым методом
Рис. 1. Схема контроля стыков арматуры зеркально-теневым методом: 1 — наклонные ПЭП;
2 — сварное соединение; 3 — скоба-накладка; Г и П — кабели излучающего и приемного ПЭП соответственно

Долговечности и эксплуатационной безопасности зданий и сооружений из монолитного и сборного железобетона уделялось и уделяется серьезное внимание. В результате исследований, проведенных в МВТУ им. Н.Э. Баумана и НИИЖБ в 1970-80 гг., разработана и внедрена технология ультразвуковой контроль качества сварных соединений арматуры железобетонных конструкций [1]. Она базируется на теневом и зеркально-теневом методах, в данном случае отличающихся высокой помехоустойчивостью, простотой и оперативностью [2].

Основной характеристикой качества соединения служит изменение амплитуды Азт, дБ, прошедшего через сварной шов ультразвукового сигнала. Зеркально-теневым методом осуществляется контроль стыковых соединений стержней, выполненных на стальных скобах-накладках или подкладках (рис. 1).

Схема сканирования стыкового соединения
Рис. 2. Схема сканирования стыкового соединения

При этом используются наклонные пьезопреобразователи (ПЭП) с углами ввода 50 и 60° на частоту 2,5 — 1.8 МГц, которые устанавливаются в механическое устройство, обеспечивающее:

  • возможность установки расстояния между точками ввода пучка ПЭП с учетом диаметра сваренных стержней;
  • установку ПЭП на контролируемое соединение так, что плоскости падения ультразвуковой волны совпадают с плоскостью оси стержней;
  • постоянное, независимое от оператора, прижатие ПЭП к стержням;
  • возможность дискретного перемещения всей системы вдоль и вокруг стержня.
Схема механического устройства системы МАСКА
Рис. 3. Схема механического устройства системы МАСКА: 1 — жесткая направляющая; 2 — точки выхода луча; 3 — подвижная направляющая; 4 — система магнитного прижатия принимающего ПЭП; 5 — вертикальная направляющая; 6 — система магнитного прижатия излучающего ПЭП; 7 — винт-фиксатор; 8 — фиксаторы; 9 -высокочастотный кабель; 10 — коммутатор; 11 — высокочастотный кабель к прибору с разъемами

Информация о качестве изделия обеспечивается в процессе контроля. Признаком обнаружения дефекта является ослабление ΔА амплитуды Азт сигнала в дефектном месте относительно амплитуды А0 опорного сигнала, измеренной в бездефектном месте в зоне шва или на основном материале, т. е. ΔА = А0 — Азт. Измерения амплитуд Азт проводится в трех точках (рис. 2) при перемещении системы искателей в одной плоскости. В крайних положениях (позиции 1-1 и 3-3) один из ПЭП следует помещать вплотную к сварному шву, а в среднем положении (позиция 2-2) искатели следует располагать симметрично шву. Сканирование выполняется с шагом, равным шагу профиля арматуры. При среднем значении ΔА ≥ 6 отр. дБ соединение подлежит ремонту.

С введением ГОСТ 23858-79 ультразвуковой метод контроля сварных соединений заменил разрушающие выборочные механические испытания сварных соединений арматуры железобетонных конструкций. Серийный выпуск специализированных приборов АРМС-МГ4, Арматура-1, Арматура-2, обучение и аттестация операторов-дефектоскопистов способствовали широкому применению этого метода НК при строительстве зданий и сооружений.

Из-за большого разнообразия типов и размеров соединений в целях широкого применения неразрушающего контроля в жилищном строительстве были унифицированы средства контроля, создана единая методика контроля разных типов соединений, разработана и изготовлена более совершенная механико-акустическая система контроля арматуры (МАСКА) с магнитным прижатием ПЭП (рис. 3). которая успешно применяется и в настоящее время.

Акустическая схема системы МАСКА
Рис. 4. Акустическая схема системы МАСКА

К сожалению, с развалом СССР объем применения методов неразрушающего контроля в строительстве резко снизился. Это вызвано отсутствием эффективной системы инспекции качества и стремлением к снижению стоимости строительства даже в ущерб качеству. Тем не менее, в МГТУ им. Н. Э. Баумана продолжалось развитие метода ультразвукового контроля в целях автоматизации измерений с документированием результатов контроля. Введение в акустическую систему МАСКА дополнительного прямого ПЭП (рис. 4), позволяющего принимать дифрагированные сигналы, упростило процесс контроля. Величина Адmin прошедшего сигнала измеряется при настройке излучающего ПЭП на дефект по уровню АΔ дифракционного сигнала от вершины дефекта, а принимающего ПЭП — по уровню АтΔ дифрагированного сигнала от корня дефекта, фиксируя в этом положении наклонные ПЭП. При сравнении с уровнем А0 опорного сигнала определяется ΔА=А0дmin, т. е. критерий оценки остается прежним, но число замеров Ад уменьшается. Кроме того, измеряя и фиксируя в памяти прибора уровни дифракционных сигналов АΔ и АтΔ, можно точнее определить местоположение дефекта и его тип [3]. Использование многоканального дефектоскопа позволит автоматизировать процессы настройки и измерений, используя простой алгоритм оценки результатов измерений (табл. 1), что, в свою очередь, повысит оперативность оценки.

Табл. 1. Алгоритм оценки результатов измерений
АΔΔА↑Дефект
АΔ≈0ΔА↑Нарушение контакта
АΔ≈0ΔА↓Хорошее качество

Реализация изложенных принципов ультразвукового контроля сварных соединений арматуры повысит эксплуатационную надежность строительных конструкций.

Литература
1. Гурвич А. К. Зеркально-теневой метод ультразвуковой дефектоскопии. -М.: Машиностроение, 1970. — 34 с.
2. ГОСТ 23858-79. Соединения сварные стыковые и тавровые арматуры железобетонных конструкций. Ультразвуковые методы контроля качества. — М.: Изд-во стандартов, 1980.
3. Белый B.E., Баранов В. Ю., Вощанов А. К. и др. Пути повышения безопасности трубопроводов АЭС. — Сварочное производство. 2003. № 10. С. 39-41.

Несъемная опалубка, возведение дом из несъемной опалубки.

Несъемная опалубка, возведение дом из несъемной опалубки.

«Возьми дырку, обей ее бронзой, и получишь пушку». Этот старинный рецепт оружейных мастеров может показаться шуткой, но, как и во всякой шутке, здесь есть доля истины. Не исключено, что именно эта крылатая фраза натолкнула сотрудников австрийской компании с непростым для русского человека названием EVG Entwicklungs-und Verwertungs-Gesellschaft m.b.H. на создание передовой системы несъемной опалубки. Принцип ее почти также прост, как и тот старинный рецепт: возьми утеплитель, добавь к нему арматуру, собери из полученных панелей нужную конструкцию и нанеси сверху слой бетона. Но эту простую идею австрийские специалисты поставили на серьезную промышленную основу. Созданная ими производственная линия полностью автоматизирует процесс изготовления основного элемента технологии — 3D панели — и позволяет достичь производительности в 1 млн 500 тыс. кв. м в год. Такого количества панелей достаточно для строительства небольшого городка на 20-30 тыс. жителей.

Несъемная опалубка
Особенности 3D конструкций:
1 — наружный слой торкретбетона (50-60 мм); 2 — сварная арматурная сетка;
3 — сердечник из вспененного полистирола; 4 — диагональ из оцинкованной проволоки; 5 — внутренний слой торкретбетона (50 мм).

В основе ЗD-технологии строительства лежит использование стеновых панелей (3D panel), представляющих собой пространственную ферменную конструкцию, состоящую из арматурных сеток, оцинкованных или нержавеющих стержней, приваренных под углом к сеткам, сердечника из пенополистирола и двух слоев бетона, нанесенного методом торкретирования.
Данная строительная технология базируется на методе монолитного строительства быстровозводимых зданий, так как стены и несущие конструкции, возведенные с применением 3D панели, представляют собой единую монолитную конструкцию, а не отдельно взятый элемент стены.
Монтаж осуществляется без применения тяжелой строительной техники в виду легкости строительного материала.
Применение технологии 3D панелей возможно не только в малоэтажном строительстве, где панель является несущей, но и при реконструкции и капитальном ремонте зданий в условиях плотной городской застройки, затрудняющей использование подъемных кранов и тяжелой техники. Незначительный вес конструкции позволяет вести строительство в местах с ограниченной нагрузкой на грунт и проводить надстройку этажей существующих зданий без усиления фундаментов и стен. Особо стоит отметить возможность использования технологии на неосвоенных и труднодоступных для транспорта территориях, а также в сейсмоопасных зонах.

Технология 3D является инновацией в области строительства и совершенно меняет традиционное представление о возможностях, способах и сроках выполнения строительных работ.

Конструктивные особенности несъемной опалубки и использование материалов позволяют:

  • снизить себестоимость строительства по сравнению с традиционными технологиями;
  • увеличить срок эксплуатации и долговечности (используемый экструзионный пенополистирол практически инертен, не впитывает влагу и стоек к гниению);
  • увеличить изоляцию от ударного шума как снаружи, так и внутри дома;
  • снизить при отоплении расходы топлива и энергии, потребляемой системами кондиционирования;
  • обеспечить высокие показатели по теплоизоляции, звукоизоляции, а также санитарную и пожарную безопасность (в частности, при толщине панели 25 см обеспечивается коэффициент тепло- и звукоизоляции, соответствующий кирпичной стене толщиной 1,5 м, причем затраты на отопление и вентиляцию снижаются в 3 — 6 раз и не превышают для жилых зданий 0,05 — 0,06 ГДж: 13,9 — 16,7 кВт-ч на 1 мв год);
  • создать дополнительную полезную площадь и сэкономить материалы и средства благодаря уменьшению толщины стен (25 см);
  • обеспечить монолитность и в то же время легкость возводимых зданий благодаря армированной конструкции элементов системы в сочетании с технологическими решениями строительства;
  • использовать многообразие архитектурных форм и конструкций благодаря простоте технологии и гибкости работы с полистирольными плитами.

Малый вес панелей несъемной опалубки позволяет:

  • не использовать краны и другую тяжелую строительную технику (вес стандартной панели 1,2×3 м без торкретбетона — 20 кг);
  • сократить в 3 — 4 раза затраты на перевозку строительных материалов (например, один грузовик может доставить набор строительных элементов, необходимых для возведения здания, общей площадью до 100 м2);
  • снизить требования к фундаменту и осуществлять строительство в труднодоступных местах, на неосвоенных территориях и подвижных почвах, а также возводить мансардные надстройки на существующих зданиях.

Технология монтажных работ несъемной опалубки позволяет:

  • использовать минимальное техническое обеспечение (стандартный набор инструментов: ножницы по металлу, вязальный пистолет, сварочные клещи, опоры и торкрет-машина);
  • упростить работу (технология, не требующая специальной квалификации монтажников, позволяет бригаде из 2 — 3 человек построить монолитное трехэтажное здание);
  • значительно снизить трудозатраты на прокладку электро-, водо- и теплокоммуникаций, а также на укладку подогреваемых полов;
  • упростить финальную отделку, поскольку стены и углы уже выровнены в процессе торкретирования, а также снизить расходную часть на окончательную отделку;
  • сократить трудоемкость и стоимость возведения кровель и перекрытий по сравнению с традиционными технологиями строительства.

Также читайте:

Оконная фурнитура | Двери межкомнатные | Деревянные окна | Фурнитура для межкомнатных дверей

Применение композитной арматуры

Перспективы применения композитной арматуры. Недостатки и преимущества композитной арматуры в сравнении со стальной

Совершенствование свойств стальной арматуры достигло того уровня, развитие которого далее нецелесообразно по причине либо отсутствия необходимости в этом, либо теоретической возможности. Ее механические и технологические свойства, принимаемые по действующим стандартам, достаточны для решения подавляющего большинства задач при минимально возможной себестоимости ее применения в железобетоне. Однако существует определенный перечень задач, в которых экономически обоснованной альтернативой является композитная арматура, являющаяся диэлектриком, обладающая высокой химической стойкостью и радиопрозрачностью.

Основой композитной арматуры как изделия является материал, который формируют из композитного волокна (базальтового, стеклянного, арамидного, углеродного) и связующего — термореактивной синтетической смолы (пластика). Ввиду высокой стоимости арматуры из углеродного и арамидного волокна распространения не получили, далее в настоящей статье речь пойдет об арматуре из базальтового и стеклянного волокна (ровинга).

Композитная арматура в сравнении со стальной обладает рядом существенных недостатков:

  •  низкий модуль упругости;

—  низкая огнестойкость изделий армированных композитной арматурой;

—  невозможность изготовления гнутых арматурных изделий из арматуры в состоянии поставки;

—  невозможность использования в качестве сжатой арматуры;

—  значительно более высокая стоимость.

Несмотря на традиционно бытующее на протяжении предыдущих десятилетий мнение о наибольшей целесообразности применения композитной арматуры в конструкциях с предварительным напряжением, до настоящего реализованы лишь единичные подобные примеры и, как правило, в качестве экспериментальных образцов. Фактически практика показала, что это было неверное позиционирование по области применения, которое сдержало массовое внедрение. В результате строительная наука многие годы не занималась исследованиями в наиболее актуальном направлении применения. Получившая же широкое распространение стальная канатная арматура в оболочке, применяемая в первую очередь для выполнения постнапряженных конструкций, имеет лучшие технико-экономические показатели, при этом весьма хорошо себя зарекомендовала в общемировой практике строительства объектов различного назначения. Наличие оболочки обеспечивает необходимую степень защиты стали от коррозии. Таким образом применение композитной арматуры в качестве напрягаемой, в том числе по причине ее неконкурентоспособности, может носить исключительно единичный характер.

Помимо технических препятствий для широкого применения композитной арматуры существуют значительные организационные трудности:

  • отсутствуют единые требования на уровне государственных или международных стандартов к механическим свойствам, методам контроля и правила приемки арматуры;

—  ввиду принципиального отличия диаграммы деформирования композитной арматуры от стальной не существует понимания по назначению расчетных характеристик. Как правило, расчетные характеристики либо не известны вовсе, либо указываются производителем на основании индивидуальных соображений;

—  отсутствуют четкая терминология и классификация, отсутствует дифференциация на напрягаемую и ненапрягаемую арматуру, с соответствующими требованиями к ней;

—  не стандартизированы методики расчета композитобетонных конструкций;

—  не стандартизированы методики расчета минимального процента армирования;

—  недостаточно изучен опыт эксплуатации изделий с данной арматурой;

—  во многих случаях неверное позиционирование по области применения;

—  отсутствуют нормативные требования по ширине раскрытия трещин в конструкциях с композитной арматурой;

—  не используется единая методика для контроля механических свойств композитной арматуры;

—   не нормированы требования и никак не контролируются характеристики сцепления композитной арматуры с бетоном.

Наибольшим препятствием в применении композитной арматуры является полное отсутствие какой-либо нормативной базы. Единственным упоминанием в действующих ТИПА являются пп. 6.10 и 8.13 ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии»:

—   «п. 6.10 В среднеагрессивных и сильноагрессивных средах для армирования конструкций без предварительного напряжения рекомендуется применять неметаллическую композиционную арматуру, за исключением изгибаемых элементов»;

—   «п. 8.13 В конструкциях, подвергающихся электрокоррозии, допускается заменять стальную арматуру на неметаллическую (базальтопластиковую, стеклопластиковую и др.) при соответствующем обосновании».

Необходимо отметить, что СТБ 1103 «Арматура стеклопластиковая. Технические условия», несмотря на название, распространяется на гибкие связи для трехслойных стен. Отсутствие необходимой нормативной базы влечет за собой отсутствие классификации арматуры по необходимым признакам. Без единой классификации невозможно ввести общие правила обозначения, требования к свойствам, правилам приемки и методам контроля, что не позволяет проектировать композитобетонные конструкции без привязки к особенностям конкретного производителя арматуры.

В пять раз более низкий модуль упругости в сравнении со стальной арматурой приводит к снижению предельной нагрузки изгибаемого элемента без предварительного напряжения не только по второй группе предельных состояний, но и по первой. Высокая деформативность композитной рабочей арматуры фактически не позволяет производить большинство конструкций, которые привычно выполняются в железобетоне. Если учесть, что в качестве сжатой композитную арматуру использовать невозможно, то расчет и конструирование композитобетонных конструкций не могут выполняться по методикам, справедливым в отношении железобетона. Уравнения равновесия, действительные в отношении сечений со стальной арматурой, совершенно не работают в отношении сечений с арматурой, имеющей значительно более низкий модуль упругости [1]. При большем удлинении растянутой зоны изгибаемого элемента высота сжатой зоны уменьшается, при этом форма эпюры напряжений меняется образом, приводящим к уменьшению прочности элемента по сечению.

Расчет сечения, нормального к продольной оси, композитобетонной конструкции выполняют по формулам, выбираемым в зависимости от величины фактического процента армирования р/ и его отношения к значению т. н. сбалансированного процента армирования:

форм 12

 

 

где Eƒ— модуль упругости композитной арматуры;

β1 — коэффициент полноты эпюры в сжатой зоне;

ƒfu — расчетное сопротивление композитной арматуры.

В зависимости от соотношения ρƒ и ρƒb принято три возможных механизма разрушения изгибаемого композитобетонного элемента:

—  при достижении предельных деформаций в сжатом бетоне;

—  при одновременном достижении деформации в сжатом бетона и растянутой арматуре;

—  при достижении предельных деформаций в растянутой арматуре.

Для трех перечисленных расчетных ситуаций приняты принципиально различные уравнения равновесия и выражения для определения напряжений в бетоне и арматуре, которые при этом справедливы только в области величины процента армирования выше минимального. Вследствие низкого модуля упругости композитной арматуры при проценте армирования ниже определенного уровня и при незначительных напряжениях в арматуре композитобетонная изгибаемая конструкция может разрушиться по бетону. Такой характер разрушения невозможен в случае сечения со стальной арматурой. По этой причине высокие прочностные показатели композитной арматуры в подавляющем большинстве случаев остаются нереализованными. Учитывая данное обстоятельство, на стадии расчета обязательным является контроль минимального процента армирования индивидуально для каждого расчетного случая, т. к. в случае с композитной арматурой его величина не может иметь фиксированного значения, которая, к примеру, в американских нормах [1 ] является функцией расчетного сопротивления арматуры и геометрических параметров сечения. Таким образом, ошибки в оценке минимального процента армирования композитобетонной конструкции могут привести к разрушению сжатой зоны изгибаемого элемента на стадии образования трещин при нагрузках менее проектных.

Распространенное мнение об отсутствии необходимости контроля ширины раскрытия трещин в конструкциях армированных композитной арматурой входит в противоречия с существующими по данному направлению национальными нормами. К примеру, в соответствии с японскими нормами допускаемая ширина раскрытия трещин — 0,5 мм. Канадские нормы: 0,5 мм для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе и 0,7 мм — для конструкций внутри помещений.

В соответствии с американским стандартом ACI 318 требования по ширине раскрытия трещин, как со стальной арматурой, так и композитной, идентичны. Однако расчет ширины раскрытия трещин для изгибаемых композитобетонных конструкций выполняют по иному соотношению:

форм 13

где Eƒ — модуль упругости арматуры, в МПа;

β — относительная высота сжатой зоны бетона, безразмерна;

kb— коэффициент, характеризующий силу сцепления арматуры с бетоном, безразмерный;

ƒƒ— напряжение в арматуре, в МПа;

h — высота сечения, в мм;

А — удвоенная площадь сжатой зоны сечения, приходящейся на один стержень растянутой рабочей арматуры, в мм2.

Вычисление напряжений в арматуре и высоты сжатой зоны сечения производится по принципиально иным выражениям относительно принятых в действующих ТИПА для расчета железобетонных конструкций. Коэффициент кь принимают от 0,71 до 1,83, в зависимости от уровня сцепления арматуры с бетоном. Для арматуры, производимой в сопредельных с Республикой Беларусь странах, значение данного коэффициента не известно, поскольку соответствующих экспериментальных исследований выполнено не было.

Серьезной технологической проблемой является невозможность выполнения гнутых арматурных изделий из композитной арматуры в состоянии поставки. Без гнутых изделий (хомутов, гнутых стержней, шпилек и т. д.) сконструировать армирование конструкции невозможно. Фактически производитель работ должен комплектовать объект арматурными изделиями исключительно по договоренности с производителем самой арматуры, что потенциально несет в себе значительные организационные сложности.

Весьма существенным недостатком композитобетонных конструкций в сравнении с аналогичными железобетонными является их меньшая огнестойкость. Огнестойкость изделий в значительной степени зависит от конструкции ее армирования и величины защитного слоя. Экспериментальные данные свидетельствуют, что минимальное значение предела огнестойкости составляет 13 минут для изгибаемых конструкций, при этом разрушение является хрупким [2]. При интенсивном разогреве рабочей арматуры до 10СГС происходит активное выделение пара из смежных со стержнем микротрещин бетона. При этом мгновенно повышается давление на поверхности арматуры, что приводит к разрушению волокна. Логично предположить, что предел огнестойкости может значительно отличаться для различных производителей арматуры, а также зависеть от материала ровинга, однако очевидно, что композитную арматуру нельзя применять без специальных конструктивных мероприятий либо дополнительной огнезащиты несущих конструкций, к которым предъявляются требования по огнестойкости.

Заключение

В железобетонных изделиях повсеместно заменить стальную арматуру на композитную невозможно. Из-за существующего соотношения цен со стальной арматурой применение композитной целесообразно и эффективно только в случае необходимости использования ее свойств, которыми стальная арматура не обладает. В первую очередь речь идет химической стойкости, радиопрозрачности и диэлектрических свойствах.

Для расширения области широкого применения композитной арматуры в строительстве необходимо выполнить следующие мероприятия:

—  разработать стандарты, регламентирующие требования к качеству арматуры, ее механическим свойствам и методам контроля;

—  разработать строительные нормы, регламентирующие правила расчета и конструирования композитобетонных конструкций и устанавливающие требования к контролируемым параметрам в предельных состояниях;

—  подготовить предложения по оценке характеристик периодического профиля арматуры;

—  разработать типовые решения, обеспечивающие требуемый уровень огнестойкости композитобетонных конструкций;

—  стандартизировать гнутые изделия, разработать правила их приемки.

До реализации данных мероприятий выполнять проектирование композитобетонных конструкций возможно только с использованием зарубежных норм проектирования и исключительно под арматуру конкретного производителя.

О. Н. Лешкевич, к. т. н., РУП «Институт БелНИИС»

Список литературы:

  1. ACI 440.1 R-06 Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Rein-forced with FRP Bars. American Concrete Institute, 2006. — 44 p.
  2. Фролов, H. П. Стеклопластиковая арматура и стек- лопластбетонные конструкции. — М.: Стройиздат, 1980. -104 с.