Перспективы применения неметаллической арматуры в преднапряженных бетонных конструкциях

Михайлов К. Перспективы применения неметаллической арматуры в преднапряженных бетонных конструкциях // Бетон и железобетон. 2003 . №5. C. 29-30

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 учитывать на перспективу ограниченность запаса руд, пригодных для удовлетворения непрерывно растущих потребностей в стали и всегда дефицитных легирующих присадках.

Практическое решение возникшей проблемы стало возможным благодаря ускоренному развитию химической промышленности. В ряде технически развитых стран (Германия, Нидерланды, CCCР Япония, США и др.) были начаты соответствующие научные исследования.

В качестве несущей основы разработанной высокопрочной неметаллической арматуры было сна-чала принято непрерывное щелочестойкое стеклянное волокно диаметром 10-15 микрон, пучок которой объединялся в монолитный стержень посредством синтетических смол (эпоксидной, эпоксифенольной, полиэфирной и др.). В СССР (Минск, Москва, Харьков) была разработана непрерывная технология изготовления такой арматуры диаметром 6 мм из щелочестойкого стекловолокна малоциркониевого состава марки Щ-15 ЖТ, подробно исследованы ее физико-механические свойства. Особое внимание уделялось изучению химической стойкости и долговечности стекловолокна и арматуры на ее основе в бетоне в различных агрессивных средах. Выявлена возможность получения стеклопластиковой арматуры со следующими показателями: временное сопротивление разрыву до 1500 МПа, начальный модуль упругости ? 50 000 МПа, плотность 1,8-2 т/м3 при весовом содержании стекловолокна 80%, рабочая диаграмма при растяжении прямолинейна вплоть до разрыва, предельные деформации к этому моменту достигают 2,5-3%, долговременная прочность арматуры в нормальных температурно-влажностных условиях составляет 65% от временного сопротивления, коэффициент линейного расширения 5,5-6,5?10-6.

Были всесторонне исследованы опытные предварительно напряженные изгибаемые элементы с такой арматурой под воздействием статических нагрузок, разработаны технологические правила по изготовлению арматуры и рекомендации по проектированию бетонных конструкций с неметаллической арматурой, намечены целесообразные области их применения.

Были разработаны экспериментальные образцы электроизолирующих траверс опор ЛЭП, изготовленные экземпляры установлены на опытных участках линий электропередачи в Белоруссии, России и Аджарии. Проведены исследования по использованию стеклопластиковой арматуры в опорах контактной сети и в напорных трубах. Стекло-пластиковая арматура нашла также применение в ваннах из полимер-бетона в цехах электролиза на предприятиях цветной металлургии, в плитах на нескольких складах минеральных удобрений.

К сожалению, заводского производства стеклопластиковой арматуры организовать не удалось; в небольших количествах такая арматура изготавливается на лабораторной установке в Минске в НТПО "Белстройнаука".

В последние годы в России начали больше внимания уделять изучению неметаллической арматуры из базальтового волокна, производство которого менее трудоемко, а сырье вполне доступно. Можно констатировать, что в нашей стране разработаны основные исходные данные для промышленного производства стеклопластиковой арматуры диаметром 6-8 мм, проектирования и изготовления различных предварительно напряженных конструкций с такой арматурой, намечены области их целесообразного применения.

В ряде стран научные исследования в области неметаллической арматуры и использования ее в различных сооружениях в последние десятилетия продвинулись значительно дальше.

В Германии разработана и подробно изучена стеклопластиковая арматура диаметром 7,5 мм из алюмоборосиликатного стекловолокна и полиэфирной смолы под названием "Полисталь". Испытания на статические, динамические и длительные нагрузки позволили установить следующие исходные характеристики этой арматуры: кратковременная прочность на растяжение 1650 МПа, модуль упругости 51 000 МПа, удлинение при разрыве 3,3%, долговременная прочность 1 100 МПа, потери напряжения от релаксации 3,2%, перепад напряжений при 2?106 циклов нагружений 55 МПа, коэффициент температурного расширения 7?10-6.

После испытания опытных балок были разработаны основные положения по расчету и конструированию ответственных инженерных сооружений. За последние годы было возведено десять одно-, двух- и трехпролетных автодорожных и пешеходных мостов с арматурой "Полисталь". Пролетные строения мостов, достигавшие 25 м, армировались пучками из стеклопластиковых стержней диаметром 7,5 мм с натяжением на бетон. На стержни наносилось защитное полиамидное покрытие толщиной 0,5 мм. Стержней в пучке было 19, рабочее усилие натяжения пучка составляло 600 кН.

Особое внимание разработке проблемы создания и применения высокопрочной неметаллической арматуры уделяется в Японии. Освоено производство фибропластической арматуры на базе углеродных и арамидных волокон, исследованы их физико-механические свойства. Проволока и канаты изготавливаются из углеродного волокна диаметром 7 микрон с пределом прочности 3 600 МПа. Проволока собирается из 12 тыс. волокон, соединяемых между собой пластиком. Из проволоки свиваются канаты различной несущей способности, подвергаемые после свивки термической обработке.

Разработан перспективный сортамент арматуры, в который входят проволока и 7-, 9- и 37-проволочные канаты с разрывным усилием от 10 до 100 кН. Так, например, установлены следующие характеристики 7-проволочных углепластиковых канатов: временное сопротивление 1 750 МПа, модуль упругости 140 000 МПа, удлинение при разрыве 1,6%, плотность 1,5 т/м3, релаксация напряжений 2,5%, теплостойкость 200?С, высокая кислото- и щелочестойкость.

Разработана арматура из арамидных волокон диаметром от 3 до 16 мм с разрывным усилием от 8 до 250 кН. Стержни получают путем сплетения жгутов из непрерывных волокон с последующей пропиткой пластиком и тепловой обработкой. Предельные удлинения арматуры при разрыве равны 2%, модуль упругости составляет 66 000 МПа. Следует отметить, что эта арматура малых диаметров (до 5 мм) пригодна для поперечного спирального армирования конструкций.

В Японии учеными проведен значительный комплекс исследований опытных балочных конструкций с различными видами неметаллической арматуры, возведены автомобильные и пешеходные мосты небольших пролетов. Ведутся активные поиски целесообразного применения углепластиковой арматуры в различных областях строительства: так, например, высокопрочные ленты различного поперечного сечения из углепластика начали применять для усиления железобетонных конструкций в эксплуатируемых ответственных сооружениях.

Необходимо отметить пионерные работы, выполненные в Нидерландах с неметаллической арматурой из арамидных волокон. Накопленный материал по свойствам такой арматуры прямоугольного и круглого сечений был впервые доложен на конгрессе ФИП в 1986 г. и вызвал большой интерес. Позднее в этой стране была разработана композитная проволока диаметром 5 мм из углеродных волокон и эпоксидного связующего. Временное сопротивление такой проволоки колеблется от 2 300 до 3 300 МПа в зависимости от прочности волокна и доли его содержания в сечении. Освоено производство такой проволоки и получен опыт ее применения в качестве напрягаемой арматуры в сваях. Отмечается перспективность применения пучков из композитной проволоки в канатах большепролетных мостов и для внешнего армирования различных пред-напряженных конструкций.

В последние десятилетия к исследованиям конструкций с высокопрочной неметаллической арматурой присоединились ученые ряда других технически развитых стран (США, Канада, Франция, Англия и др.). Большой эсперимент был выполнен учеными США и Канады на одном пролете предварительно напряженного балочного автодорожного моста, армированного проволокой и канатами из углепластика японского производства. Широкое применение современных измерительных систем и продолжение испытания вплоть до разрушения позволили получить обширный комплекс данных, необходимых для положительной оценки мостов с такой арматурой.

Постоянный рост числа различных публикаций о высокопрочной неметаллической арматуре в мировой научно-технической литературе и активная деятельность комиссии ФИБ по этой тематике подтверждают перспективность этого материала для предварительно напряженного железобетона и необходимость более широкой разработки этой проблемы в России.