Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Доцент кафедры СП, к.т.н. Постой Л.В.

Студент Кнурева А.П.

Волгодонский инженерно-технический институт. Филиал национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Россия

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПрименениЯ композитных материалов в строительстве на примере стеклопластиковой арматуры

Еще десять лет назад доля монолитного домостроения не превышала 5% от общего объема строящегося жилья, остальные 95 % приходились на панельные и кирпичные дома. Сейчас во всем мире около 80 % жилья строится по технологии монолитного домостроения. Можно предположить, что в ближайшее время и в России это станет наиболее распространенным видом строительства.

Широкое развитие монолитного домостроения обусловлено рядом преимуществ: возможность создания более гибких архитектурно-планировочных решений домов и архитектурных ансамблей в целом, любого архитектурного облика здания. [4]

Как скелет основа организма человека, так и арматура обязательный элемент любой железобетонной конструкции, и чем он прочнее, тем выше надежность сооружения. Неудивительно, что в последнее время при проектировании и строительстве зданий и сооружений предпочтение отдается полимерным материалам. Стеклопластиковая, или композитная арматура является одной из них.

Так что же из себя представляет стеклопластиковая арматура и по каким показателям она превосходит стальную? Эти вопросы будут рассмотрены в данной статье.

Исследования по созданию композитной арматуры проводились в СССР еще в 60-х годах прошлого века, а в 1974 году было начато первое серийное производство композитной арматуры в США. Эта страна и является абсолютным лидером по использованию стеклопластиковой арматуры, потребляя 40% этого материала, в то время как в России этот показатель равен 1,4%. [6] Благодаря таким свойствам, как высокая коррозионная стойкость, прочность, экономичность и низкая теплопроводность в настоящее время данный материал нашел широкое применение в промышленном, гражданском строительстве, инженерных сооружениях и бетонных конструкциях. Таким образом, при строительстве фундаментов, дорог, причалов, набережных полос и других конструкций, работающих в агрессивных средах, композитная арматура имеет преимущества перед традиционной стальной.

Композитная арматура представляет собой сердечник, внутренняя часть которого представлена в виде стеклянных волокон, связанных между собой полимерными смолами, а внешняя оболочка – это волокна, накрученные по спирали, скрепленные также смолами.

Технология производства композитной арматуры происходит в несколько стадий. На начальном этапе стеклянные волокна (ровинг) подаются на участок пропитки термореактивной синтетической смолой. Далее происходит формирование силового стержня и обмотка его жгутом, после чего стержень передается в камеру отжига, где проходит несколько камер с различной температурой нагрева в соответствии с технологическим регламентом. Затем, затвердевший стержень поступает на участок водяного охлаждения и узел протяжки. В конечном итоге, арматура скручивается в бухты различного метража, или автоматически распиливается на пруты необходимой длины по размерам заказчика.

Основной причиной разрушения железобетонных конструкций является коррозия стальной арматуры. Долговечность конструкций в зданиях и сооружениях с агрессивными средами является довольно низкой в сравнении с конструкциями, работающими в отсутствии воздействия данных сред. Например, на заводах по производству минеральных удобрений под воздействием солевой коррозии разрушаются железобетонные конструкции. На предприятиях по производству мяса, молока, фруктовых соков стальная арматура корродирует под воздействием органических солей и кислот.

Производители декларируют коррозийную стойкость стеклопластиковой арматуры, как одно из главных достоинств. Сотрудниками антикоррозионной лаборатории ОАО «Сильвинит» в г. Пермь были проведены испытания, результаты которых представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты испытания композитной арматуры на стойкость против коррозионного растрескивания

Показатель	Результат испытания	Нормативная документация
Химическая стойкость к щелочам	Первая группа (до pH=14)	ГОСТ 9.071-76. Единая система защиты от коррозии и старения. Резины для изделий, работающих в жидких агрессивных средах. Технические требования
Химическая стойкость к соляной кислоте	Первая группа (до pH=4)	ГОСТ 9.071-76. Единая система защиты от коррозии и старения. Резины для изделий, работающих в жидких агрессивных средах. Технические требования
Стойкость к соляному туману	Стоек	ГОСТ 9.401-91 Метод 20. Стойкость к изменению температуры, повышению влажности, воздействию соляного тумана и сернистого газа
Стойкость к попеременному увлажнению и высыханию	Стоек	СТП 66 – 2002 Методика определения стойкости попеременному увлажнению и высыханию
Морозостойкость	Несколько изменился вид композиционного материала: появились стертости, уменьшился блеск. Но эти изменения не являются значительными	ГОСТ 10060.1-95 Базовый метод определения морозостойкости

Испытания показали, что стеклопластиковая арматура имеет стойкость к кислой среде более чем в 10 раз выше, а к растворам солей более чем в 5 раз выше аналогичных характеристик стальной арматуры. Таким образом, высокая устойчивость композитной арматуры к коррозионному растрескиванию предопределяет ее приоритетное использование при производстве строительных конструкций, работающих в агрессивных средах.

Для любого конструкционного материала основным показателем его качества является прочность. Поскольку в данной статье рассматривается арматура, то по характеру ее работы ключевым является сопротивление растяжению. ЦНИЛ Научно–производственной Компании «Армастек» в г. Липецк были проведены механические испытания согласно ГОСТ 11262 – 80 «Пластмассы. Методы испытания на растяжение», в результате которых были получены следующие данные (таблица 2).

Таблица 2

Результаты испытаний на растяжение композитной арматуры

Диаметр образца, мм	Нагрузка при разрыве, кг	Нормативная документация
4	1740	ГОСТ 11262 – 80 Пластмассы. Методы испытания на растяжение
6	3960	ГОСТ 11262 – 80 Пластмассы. Методы испытания на растяжение

На основании анализа проведенных испытаний сделан вывод, что предел прочность при растяжении композитной арматуры до трех раз выше, чем стали класса А400. Согласно ГОСТ 5781-82 «Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций» предел прочности при растяжении стальной арматуры класса А400 – 390 МПа, стеклопластиковой соответствующего диаметра – не менее 1000 МПа. Таким образом, металлическую арматуру можно заменить на композитную с аналогичной прочностью, но меньшего сечения, что позволит избежать перерасхода материала (таблица 3).

Таблица 3

Сопоставление сечений металлической и композитной арматуры при равной прочности при растяжении

Арматура композитная (АКП)		Металлическая арматура (А400)
Диаметр, мм	Вес, кг	Диаметр, мм	Вес, кг
4	0,020	6	0,260
6	0,050	8	0,395
7	0,067	10	0,617
8	0,07	12	0,888

Транспортировку арматурных изделий для строительства значимых объектов осуществляют при помощи строительных тягачей, тралов, железнодорожным транспортом. Перед тем как производить перевозку арматуры необходимо подобрать такой вид автотранспорта, который вместит в себя определенные размеры стройматериала, кроме этого необходимо учитывать способность стройматериалов к деформированию. Особое внимание при погрузке и разгрузке транспорта также уделяется проектным размерам арматуры. Все это требует дополнительных затрат. Стеклопластиковая арматура, имеет плотность 1800 – 1900 кг/м³, то есть меньше стальной равного диаметра в 4 раза. Это позволяет не только значительно снизить вес железобетонной конструкции, но и затраты на ее транспортировку. Стальная арматура в количестве 2000 погонных метров в виде двенадцатиметровых хлыстов будет иметь вес 1780 кг, тоже количество стеклопластиковой арматуры длиной мотка и диаметром 8 мм имеют массу 150 кг, что снижает затраты на транспортировку до 62%.

Коэффициент теплопроводности бетона соответствует 1,28-1,74 Вт/м·°С, стальной арматуры – 46 Вт/м·°С, композитной – 0,35 Вт/м·°С, следовательно, целесообразно ее широкое применение в конструкциях с повышенными требованиями по теплопроводности. При каркасно-монолитном строительстве для устройства ограждающей конструкции, как правило, применяют легкий бетон на пористых заполнителях, либо тяжелый бетон с дополнительным эффективным утеплителем, что позволяет конструкции длительное время сохранять тепло и полностью соответствует требованиям современной теплофизики. Применение стеклопластиковой арматуры при устройстве железобетонного каркаса полностью исключает возникновение «мостиков холода». [4]

Немаловажным свойством является способность композитной арматуры пропускать радиолучи. Структура данного материала представляет собой стеклянное волокно, которое является диэлектриком. Концентрация свободных носителей заряда в этом материале не превышает 10⁸ см^-3. То есть ограждающая конструкция обладает не только повышенными теплоизоляционными свойствами, но и имеет высокую способность к улавливанию радиосигналов по всему объему здания.

Однако, как у любого материала у стеклопластиковой арматуры есть недостатки. Одним из основных и самых существенных из них является значительно меньший модуль упругости по сравнению со стальной. Согласно ГОСТ 5781-82 «Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия» модуль упругости стальной арматуры соответствует 210 ГПА, композитной – 55 ГПА (в соответствии с ГОСТ 31938 – 2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций»). Таким образом, за счет низкой деформируемости, область применения данной арматуры ограничена, но возможно ее использование при устройстве фундаментов, в дорожных плитах, в плитах перекрытий (последнее предполагает дополнительные расчеты).

В соответствии с Федеральным законом №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» от 22 июля 2008 года: «…пожарная опасность веществ и материалов - состояние веществ и материалов, характеризуемое возможностью возникновения горения или взрыва веществ и материалов. К строительным материалам предъявляются особые требования». Композитная арматура относится к материалам, имеющим класс горючести Г4 (сильногорючие), температура дымовых газов превышает 450⁰С, степень повреждения образца по длине более 85%, степень повреждения по массе – более 50%. Данный материал теряет свою прочность при температуре менее 600⁰С. Следовательно, при пожаре с максимальной для твердых органических веществ температурой 1000 –1250⁰С, прочность бетонной конструкции значительно снизится.

Таким образом, на основании проведенных исследований сделан вывод, что стеклопластиковая арматура способна занять достойное место в строительном производстве. Обладая высокой прочностью, коррозийной стойкостью, высоким сопротивлением теплопередаче и экономичностью, она уже нашла широкое применение. Однако стоит учесть и то, что вследствие неспособности к деформированию и низкого модуля упругости, применение данного материала ограничивается определенной номенклатурой конструкций.

Выявлено влияние системы совокупностей факторов, среди которых прочность при растяжении, модуль упругости, деформативность, коррозионная стойкость, теплопроводность на область применения композитной арматуры в строительных конструкциях зданий и сооружений.

Обобщение и анализ представленных экспериментальных данных могут быть положены в основу модифицирования данного композиционного материала с целью придания заданных физико-механических свойств.

Литература:

1. Ефстифеев В.Г. Железобетонные и каменные конструкции: учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования. – М: Издательский центр «Академия», 2011. – с.50 – 58, с. 69-71, с.79-80.

2. Кошман Н.П. Новые технологии – в институтах и на строительных площадках. Журнал о развитии России. Национальные проекты. №4, 2006, с.9.

3. Леонтенко А.В. Армокаркасная сборно-монолитная технология. Журнал «Строительная орбита» №12, 2006

4. Постой Л.В. Обеспечение качества стружечноцементных плит посредством управления влажностными деформациями при производстве и эксплуатации. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук , 2008 – с.252, с.4, с.21.

5. Производитель композитной арматуры АрмаПлюс. Стеклопластиковая арматура. Статья, 2013 – с.1 – 2.