• Материалы
  • 13.05.2015

Композитная арматура в строительстве

Сегодня применение композитной арматуры в строительстве значительно расширилось, особенно это актуально для сооружений, эксплуатируемых в агрессивных средах, где трудно обеспечить коррозийную стойкость стальной арматуры и минимизировать теплопотери. Возникла также необходимость обеспечения антимагнитных и диэлектрических свойств некоторых изделий и сооружений. Поэтому ещё в 60-ые гг. прошлого века получила распространение арматура из стеклопластика в качестве альтернативы металлической.

ПОМНЯ О ПЛЮСАХ, НЕ ЗАБЫВАЕМ О МИНУСАХ

Основные плюсы композитной арматуры – диэлектричность, малый вес, высокая проч­ность на разрыв, высокая химическая и ан­тикоррозионная устойчивость, низкая тепло­проводность, малый коэффициент теплового расширения. Высокая прочность на разрыв, значительно превышающая аналогичный па­раметр у стальной арматуры при равном диа­метре, позволяет применять композитную ар­матуру меньшего диаметра взамен стальной.

Теперь вспомним про существенные мину­сы этого материала, о которых производите­ли нередко умалчивают:

  • модуль упругости композитной арматуры почти в 4 раза ниже, чем у стальной, даже при равном диаметре (она легко изгибается): ее можно применять в фундаментах, дорож­ных плитах и т.д., но применение в пере­крытиях требует дополнительных расчетов;
  • при нагреве до температуры в 600°С компаунд, связывающий волокна арматуры, размягчается настолько, что арматура пол­ностью теряет свою упругость. Для увеличе­ния устойчивости конструкции к огню нуж­ны дополнительные меры по теплозащите конструкций, в которых используется ком­позитная арматура;
  • композитную арматуру, в отличие от стальной, невозможно сваривать электро­сваркой. Как вариант – установка на кон­цы арматурных стержней стальных трубок (в заводских условиях), к которым уже мож­но будет применять электросварку;
  • композитной арматуре невозможно придать изгиб непосредственно на строй­площадке. Решение – изготовление арма­турных стержней требуемой формы еще на производстве по чертежам заказчика.

ОТ ТЕОРИИ — К ПРАКТИКЕ

Эффективность применения стеклопласти­ковой арматуры (СПА) в качестве гибких связей позволяет решить два направления в строительстве за счет эффективного ис­пользования СПА:

  • при производстве наружных стен;
  • в построенных зданиях.

ris1.jpg

К примеру, расчеты трехслойных стено­вых панелей показали экономическую целе­сообразность замены металлических гибких связей на стеклопластиковые. Эксплуатация таких панелей на 10–15% эффективнее по теплопередаче.

Конструкция СПА представляет собой вы­сокопрочный стеклопластиковый стержень диаметром 5,5 мм с цилиндрическими ан­керными уширениями на концах диаметром 7,5 мм. Анкерные уширения обеспечивают надежное сцепление арматуры с бетоном или строительным раствором. Для прокалывания утеплителя можно использовать пластмассо­вый конический наконечник. При установке СПА в многослойных стенах необходимое количество связей определяется из расчета несущей способности стены. При нормаль­ных условиях количество связей составляет 4–5 шт. на 1 м² стены. При возведении сте­ны СПА устанавливается в горизонтальные швы кирпичной кладки перпендикулярно пло­скости стены не более чем через 600 мм по длине стены и не более чем через 500 мм по ее высоте (7 рядов кирпичной кладки). Не­обходимо наличие защитного слоя раствора, который рассчитывается из условий пожаро­безопасности и составляет не менее 20 мм.

Стеклопластиковая арматура в качестве гиб­ких связей применяется также в трехслой­ных бетонных и железобетонных панелях. Это возможно потому, что стеклопластик, из которого изготовлена арматура, значительно превосходит сталь по прочности, обладает низкой теплопроводностью и высокой кор­розионной стойкостью.

В бетонных и железобетонных панелях используют 4 вида связей: растянутые на­клонные подвески, сжатые и рядовые рас­порки, подкосы.

Рядовые распорки воспринимают попереч­ные силы при вертикальном сдвиге железо­бетонных слоев панели относительно друг друга, работают на осевые усилия от ветро­вой нагрузки и нагрузки при извлечении па­нели из формы, а также обеспечивают связь между слоями панели. Растянутые наклон­ные подвески воспринимают усилие от мас­сы наружного железобетонного слоя и часть усилия от массы утеплителя. Подвески в па­нели устанавливают по вертикали, как пра­вило, под углом к плоскости панели, равным 45°, таким образом, чтобы нагрузки от мас­сы облицовочного и теплоизоляционного сло­ев создавали в подвесах растянутое усилие.

Для получения надежных изделий уже на стадии проектирования важно учитывать воз­действие различных эксплуатационных фак­торов на конструкционные материалы. Опыт предприятий-изготовителей трехслойных сте­новых панелей с гибкими связями российско­го и зарубежного производства показал, что их установка требует организации высокой культуры производства, поскольку при по­вреждении стеклопластиковой связью уте­плителя наблюдается его частичное разру­шение, что ведет к снижению адгезионной прочности с бетоном.

ris2.jpg

В строительной отрасли все большее предпочтение получает пластиковая композитная армату­ра, состоящая из стекловолокна и базальтоволокна, представляющая собой стержень с непрерывной спиральной рельефностью. Бла­годаря наличию навиваемой по спирали с усилением нити та­кую стеклопластиковую армату­ру рекомендовано использовать в предварительно напряженных железобетонных изделиях.

Использование стеклопласти­ковой арматуры не только как гибких связей, но и как элемен­тов с предварительным напряже­нием требует совершенствования профиля самой арматуры и ан­керных устройств.

Недостатками известных кон­струкций являются низкая проч­ность на разрыв и изгиб изде­лия, а также низкое сопротивле­ние выдергиванию. Представлен­ная арматура решает эту пробле­му благодаря наличию несущего стержня из высокопрочного ма­териала и гексагональной обмот­ки из жгутов полимерных нитей, пропитанных полимерным связу­ющим. При этом несущий стер­жень имеет утолщения из высо­копрочных материалов, располо­женных по концам стержня и в промежутке между ними.

Утолщения обеспечивают боль­шую площадь сцепления арматуры с материалом, а несущий стержень и гексагональная навивка жгутов придают конструкции дополни­тельную жесткость и плотность.

Немаловажной составляющей композитных изделий является их пропитка полимерными связу­ющими. Существует большое ко­личество работ, посвященных те­ории пропитки волокнистых си­стем, в которых расплав полимера рассматривается обычно как нью­тоновская жидкость, при этом не учитываются такие факторы, как нелинейность вязких свойств тер­мопластичных расплавов, натяже­ние волокон в процессе пропит­ки. Сравнение значений коэффи­циентов проницаемости, рассчи­танных на основе упрощенных моделей, с экспериментальными данными указывает на несовер­шенство применяемых подходов.

Для оценки эффективных ко­эффициентов проницаемости натянутых волокнистых систем в процессе пропитки термопла­стичным полимерным распла­вом рационально использовать компьютерную модель, учиты­вающую исходное стохастиче­ское расположение и переме­щение волокон под давлением расплава.

ris3,4.jpg

В исследованиях с помощью компьютерной модели было уста­новлено, что повышение коэф­фициента вязкости расплава на порядок приводит к увеличе­нию продолжительности про­питки слоя почти на два по­рядка. Продолжительность пропитки слоя уменьшается с увеличением давления, но при этом возрастает плотность упаковки воло­кон и снижаются эффективные коэффици­енты проницаемости.

Была установлена достаточно тесная зависимость между степенью пропитки и относительной прочностью волокна при параллельном сдвиге, которая мо­жет быть использована при оценке ка­чества пропитки.

ris5,6,7,.jpg

СТЕПЕНЬ ПРОПИТКИ

При расчете и проектировании трехслой­ных панелей с гибкими связями из стекло­пластиковой арматуры каждый слой необ­ходимо рассчитывать отдельно на воспри­ятие им нагрузки. Нагрузки от покрытия и перекрытий должны передаваться толь­ко на внутренний несущий слой. Нагруз­ку от собственного веса утеплителя следу­ет распределять на облицовочный и несу­щий слои стены пропорционально их сече­нию. При расчете прочности трехслойных панелей несущая способность утеплителя не учитывается.

При расчете трехслойных стен напря­жения в стеклопластиковой арматуре, ра­ботающей в качестве связей, определяют­ся по формулам сопротивления материа­лов. Стеклопластиковая арматура должна быть представлена в виде стержня, за­щемленного в двух параллельных слоях, один из которых несущий, а другой об­лицовочный, сдвигающихся относительно друг друга. Для определения напряжений в гибких связях необходимо учитывать ве­личину наибольших краевых напряжений при действии продольной силы в упру­гой стадии работы, которая рассчитыва­ется по формуле:

σ = N/ F

где ? – напряжение в стеклопластиковом стержне;
N – растягивающая сила, рассчитывается по формуле N = 720(d – 0,3)?;
F – площадь сечения стеклопластиково­го стержня.

Для представленной гибкой связи диа­метром 7,5 мм растягивающая сила N со­ставляет 39 250 Н. Следовательно, наи­большее напряжение имеет значение около 35 МПа.

Расчет прочности трехслойных камен­ных стен с гибкими связями из стеклопла­стиковой арматуры должен вестись с уче­том прочности и деформационных свойств арматуры. При этом подразумевается, что технические условия на стеклопластиковую арматуру включают в себя нормативные и расчетные значения сопротивления армату­ры на различные виды механического воз­действия, в т.ч. и выдергивание.

Особенности сцепления арматуры с бе­тоном сказываются на всех стадиях рабо­ты строительных конструкций. Особенно велика роль сцепления после появления трещин в бетоне. Начальное раскрытие трещин и их развитие, жесткость растя­гиваемых и изгибаемых элементов нераз­рывно связаны со сцеплением. От вели­чины взаимных смещений бетона и арматуры, которые характеризуют податли­вость сцепления, прямым образом зави­сят деформации бетона, расположенного над трещинами.

На основании многочисленных исследо­ваний, проводившихся в течение ряда лет, были разработаны расчетные концепции и способы расчета на сцепление.

Главные предпосылки расчета состоят в следующем. В процессе приложения нагруз­ки к центральному армированному конструк­тивному элементу или при передаче на бетон предварительных напряжений по поверхно­сти контакта арматуры и бетона возникнут напряжения, проекцию которых на ось ар­матурного стержня называют условными ка­сательными напряжениями.

Начиная с некоторого момента при на­пряжениях сжатия от R до 3R, передача давления штампом на основную массу бе­тона происходит как бы через клиновид­ную призму разрушенного спрессованного бетона. Угол ? наклона клина обычно мало зависит от формы штампа и определяется шириной его рабочей площадки и прочно­стью бетона. Наклон клина обусловливает соотношение между поперечным давлени­ем H, которое создает штамп (распором), и продольным усилием P.

Характер кривой изменения величины H/P таков, что практически можно разделить все профили арматуры на распорные и безрас­порные в зависимости от величины Fсм. Если ширина выступа очень мала, то распор при­водит к появлению больших радиальных пе­ремещений и нарушению сцепления.

Стеклопластики и изделия из них бла­годаря высоким техническим и эксплуата­ционным характеристикам находят все более широкое применение во многих от­раслях промышленности, в т.ч. в строи­тельстве. Несмотря на то, что за рубе­жом композитная арматура успешно при­меняется уже несколько десятилетий, все ее виды являются довольно новым матери­алом в нашей стране. Ее применение име­ет большие перспективы в малоэтажном строительстве, в фундаментах различных типов, в дорожных плитах и прочих по­добных конструкциях. Но для применения такой арматуры в многоэтажном строи­тельстве, в конструкциях мостов и т.д. требуется учитывать ее физико-химиче­ские особенности еще на этапе подготов­ки к проектированию.

Автор: ВИТАЛИЙ НЕМЧЕНКО, обозреватель

Комментарии
Комментариев к материалу пока нет
Оставить комментарий