1. Применение композитной арматуры

Определение композитной арматуры.

Композитная арматура — это строительная арматура на основе минеральных или синтетических волокон, связанных между собой полимерной матрицей на основе эпоксидных, полиэфирных или других синтетических смол. Для изготовления арматуры обычно используется стеклянное волокно, базальтовое волокно, углеродное волокно и т.д., волокна различных типов так же могут использоваться в виде комбинации. На практике наибольшее распространение получило два вида композитной арматуры: на основе стеклянного волокна и на основе базальтового волокна, отсюда произошли такие названия как «стеклопластиковая арматура» и «базальтопластиковая арматура». Максимальное распространение в мире получила стеклопластиковая арматура, т.к. стеклянное волокно наиболее распространенное.

 Физическое тело композитной арматуры условно состоит из двух частей:

• Несущий стержень, задающий основные прочностные характеристики арматуры, который обычно представляет собой пучок параллельных волокон, связанных полимерным связующим на основе эпоксидных или полиэфирных смол;
• Рельефный слой, отвечающий за свойства сцепления с бетоном, как правило, представляет собой однонаправленную навивку волокон по спирали (напоминает стальную арматуру периодического профиля). Также этот слой имеет такие распространённые у различных производителей вариации, как разнонаправленная перекрестная навивка волокон, либо песчаное напыление. Фактически, модель физического тела арматуры может иметь огромное количество вариаций, число которых ограничивается лишь фантазией производителя и экономическими соображениями. Так, например, есть разработки арматуры, у которой несущий стержень представляет собой заплетённую косичку из базальтового волокна и углеродного волокна, скреплённую полимерной матрицей, а внешний слой представляет собой двунаправленную навивку из базальтовых волокон, которые не просто перекручены, а сплетены в косичку, как и основной ствол арматуры. Такая конструкция обладает намного большим относительным удлинением, чем композитная арматура, тело которой представляет собой пучок параллельных волокон.

Какие нормативные документы по композитной арматуре существуют?

В настоящее время основные параметры композитной арматуры определены ГОСТом 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций», дата введения 01.01.2014 г. Стандарт устанавливает общие технические условия и распространяется на композитную полимерную арматуру периодического профиля (АКП) предназначенную для армирования обычных и предварительно напряженных строительных конструкций.

Кроме этого дополнительно к ГОСТу 31938-2012 выпущены следующие ГОСТы:

 ГОСТ 32492-2015 Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Методы определения физико-механических характеристик

​ГОСТ 32487-2015 Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Методы определения характеристик стойкости к агрессивным средам

​ГОСТ 32486-2015 Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Методы определения характеристик долговечности

Что касается нормативных документов по применению композитной арматуры, то начало было положено еще в 1978 году:

Р-16-78 «Рекомендаций по расчету конструкций со стеклопластиковой арматурой» Рекомендации содержат основные положения по расчету конструкций из бетона со стеклопластиковой арматурой, но это всего лишь рекомендации. В предисловии к Рекомендациям описывается, что «Принимая во внимание небольшой опыт применения стеклопластиковой арматуры, каждый тип стеклопластбетонных конструкций должен подвергаться испытаниям с целью определения несущей способности и пригодности к нормальной эксплуатации. В Рекомендациях обобщены результаты исследований, выполненных в НИИЖБ Госстроя СССР, ИС и А Госстроя БССР и ряде других научно-исследовательских организации. Большая часть экспериментальных данных, положенных в основу Рекомендаций, получена на круглой, стеклопластиковой арматуре периодического профиля диаметром до 6 мм.»

В 2003 году неметаллическая композитная арматура была разрешена к применению в СНиП 52-01-2003. В этом документе, в разделе 5.3 читаем: «Для железобетонных конструкций следует применять следующие виды арматуры, установленные соответствующими стандартами: …неметаллическую композитную арматуру». И в этом же разделе ниже: «К неметаллической арматуре (в том числе фибре) предъявляют также требования по щелочестойкости и адгезии к бетону». То есть, по сути в СНиПе признаётся лишь факт существования композитной арматуры и возможность её использования в железобетонных конструкциях.

      СТО НОСТРОЙ 2.6.90-2013 «Применение в строительных бетонных и геотехнических конструкциях неметаллической композитной арматуры».

 «13» июля 2015 года к СП 63.13330.2012 «СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» было выпущено Изменение № 1 в котором уже излагались правила расчета бетонных конструкций армированных композитной арматурой.

В 2017 году АО «НИЦ «Строительство» — НИИЖБ им. А.А. Гвоздева совместно с АНО «Стандарт-композит» и объединением юридических лиц «Союз производителей композитов» выпустили свод правил СП 295.1325800.2017 «Конструкции бетонные, Армированные полимерной композитной арматурой. Правила проектирования», в которых наиболее подробно изложены все методики расчета бетонных конструкций армированных композитами.

В настоящее время компанией ООО «Лира сервис» выпущено программное обеспечение ПК ЛИРА САПР 2018 в которой реализован расчет неметаллической композитной базальтовой арматуры в соответствии с ДСТУ-Н Б В.2.6-185:2012 (Украинский стандарт). Расчет арматуры производится по нормам ДБН В.2.6-98:2009 (Украинский стандарт). При расчете армирования используются следующие классы неметаллической композитной базальтовой арматуры АНПБ 800 и АНПБ 1000, которые могут использоваться только в качестве продольной арматуры. При этом в качестве поперечной используется стальная арматура. Реализован расчет неметаллической композитной базальтовой арматуры для следующих типов стандартных сечений: брус, тавр с полкой сверху, тавр с полкой снизу, двутавр, коробка, кольцо, круг, крест, уголковые сечения, несимметричный тавр с полкой сверху, несимметричный тавр с полкой снизу. Также реализован расчет композитной базальтовой арматуры для пластинчатых элементов: оболочек, плит, балок-стенок. Реализован расчет ЖБК с композитной арматурой по СП 63.13330.2012 (Российский стандарт). Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Приложение Л. (R2) Надеемся что в скором времени будет добавлен более ёмкий расчет по нормам СП 295.1325800.2017 (Российский стандарт).

Недостатки композитной арматуры

            В основном на данный момент в конструкциях армированных композитной арматурой  применяется ненапрягаемая арматура, это связанно, прежде всего, с технологической сложностью её натяжения (применение различного рода захватов с системой натяжения), поэтому при армировании ненапряженной композитной арматурой реализуется не весь её потенциал.

           Каждый раз применяя композитную арматуру необходимо специально обосновывать ее применение и производить специальные расчеты, что приведет к увеличению сроков выпуска проектной документации.

           В п. 1.16. «Предел огнестойкости изгибаемых стеклопластбетонных элементов на основе цементных бетонов, в зависимости от их конструкции, составляет от 15 до 20 мин, что дает основание для их применения в зданиях, относящихся к IV степени огнестойкости».

В наших проектах, согласно требованиям пожарной безопасности необходимо обеспечить огнестойкость несущих конструкций зданий 1,5 – 2 часа, следовательно, применение стеклопластбетонных несущих элементов невозможно или необходимо несущие конструкции дополнительно защищать от пожара, что может привести не к экономии, а к удорожанию проектной стоимости.

Преимущества неметаллической арматуры

Композитная арматура не коррозирует, она устойчива к агрессивным средам. Относится к материалам первой группы химической стойкости, в том числе, к щелочной среде бетона. Строители знают, что слой коррозии, образуясь на традиционной стальной арматуре, может со временем увеличить её диаметр в 8 раз, что приводит к появлению трещин и даже растрескиванию бетонной конструкции.

Композитная арматура в 5 раз легче стальной при равном диаметре и в 11 раз легче при равном диаметре. Это позволяет экономить на транспортировке, уменьшает вес конечной бетонной конструкции.

Композитная арматура значительно дешевле стальной при равнопрочной замене. Такая арматура имеет коэффициент температурного расширения, который практически идентичен коэффициенту температурного расширения бетона.

Композитная арматура имеет низкую теплопроводность и не является мостиком холода. Например, у стеклопластикового композита теплопроводность 0,48 Вт/м•К, а у металла в среднем — 56 Вт/м•К. Таким образом, стеклопластик в 100 раз менее теплопроводен, чем металл.

Являясь диэлектриком, композитная арматура (за исключением углепластиковой) радиопрозрачна и магнитоинертна. Не теряет прочность под воздействием низких температур. Диапазон температур эксплуатации от -70 °С до +100 °С.

Области применения композитной арматуры.

Композитная арматура применяется:

• В фундаментах ниже нулевой отметки залегания (для устройства ленточных фундаментов и заливки фундаментных плит);
• В качестве гибких связей в кирпичной кладке между рядами;
• Для изготовления осветительных опор, опор ЛЭП, изолирующих траверс ЛЭП;
• Для дорожного строительства: при усилении дорожного полотна, мостов, ограждений;
• Для усиления таких изделий как: дорожные и тротуарные плитки, заборные плиты, бордюрные камни, столбики и опоры, железнодорожные шпалы;
• В конструкциях, работающих в условиях ускоренной коррозии стальной арматуры и бетона (причалы, сухие доки, укрепление набережной полосы путём бетонирования), а также в конструкциях, подвергаемых в процессе эксплуатации действию общей коррозии и динамическим нагрузкам.

Недостатки композитной арматуры.

Нужно помнить о том, что у композитной арматуры есть и существенные минусы.

• модуль упругости композитной арматуры почти в 4 раза ниже, чем у стальной, даже при равном диаметре (другими словами, она легко изгибается). По этой причине её можно применять в фундаментах, дорожных плитах и т.д., но применение в перекрытиях требует дополнительных расчетов;
• при нагреве до температуры в 200°С, компаунд, связывающий волокна арматуры, размягчается настолько, что арматура полностью теряет свою упругость. Для увеличения устойчивости конструкции к огню в случае пожара требуется предпринимать дополнительные меры по теплозащите конструкций, в которых используется композитная арматура;
• композитную арматуру, в отличие от стальной, невозможно сваривать электросваркой.
• такой арматуре невозможно придать изгиб непосредственно на строительной площадке. Решение проблемы — изготовление арматурных стержней требуемой формы ещё на производстве по чертежам заказчика.

Сравнение характеристик металлической и неметаллической арматуры.

Xарактеристики	Металлическая арматура класса A-III (А400) ГОСТ 5781-82	АКП-СП — Неметаллическая композитная арматура стеклопластиковая	АКП-БП — Неметаллическая композитная арматура базальтопластиковая
Материал	Сталь 35ГС, 25Г2С, 32Г2Рпс	Стеклянные волокна диаметром 13–16 микрон, связанные полимером	Базальтовые волокна диаметром 10–16 микрон, связанные полимером
Временное сопротивление при растяжении, МПа	390	1200	1300
Модуль упругости, МПа	200 000	55 000	71 000
Относительное удлинение, %	25	2,2	2,2
Характер поведения под нагрузкой (зависимость «напряжение-деформация»)	Кривая линия с площадкой текучести под нагрузкой	Прямая линия с упруголинейной зависимостью под нагрузкой до разрушения	Прямая линия с упруголинейной зависимостью под нагрузкой до разрушения
Коэффициент линейного расширения αx*10-6/°C-1	13-15	9-12	9-12
Плотность, т/м3	7	1,9	1,9
Коррозионная стойкость к агрессивным средам	Корродирует с выделением продуктов ржавчины	Нержавеющий материал первой группы химической стойкости, в том числе к щелочной среде бетона	Нержавеющий материал первой группы химической стойкости, в том числе к щелочной среде бетона
Теплопроводность	Теплопроводна	Нетеплопроводна	Нетеплопроводна
Электропроводность	Электропроводна	Неэлектропроводна — диэлектрик	Неэлектропроводна — диэлектрик
Длина	Стержни длиной 6, 12 м.п.	Любая длина по требованию заказчика	Любая длина по требованию заказчика
Экологичность	Экологична	Имеется санитарно-эпидемиологическое заключение, не выделяет вредных и токсичных веществ	Имеется санитарно-эпидемиологическое заключение, не выделяет вредных и токсичных веществ
Долговечность	По строительным нормам	Прогнозируемая долговечность не менее 80 лет	Прогнозируемая долговечность не менее 80 лет