История стеклопластиковой арматуры

В середине двадцатого столетия резко возрос интерес к неметаллической (композитной) арматуре. Вызван он был следующими обстоятельствами:

- увеличилось использование армированных бетонных конструкций в условиях агрессивных сред, где было сложно обеспечить коррозионную стойкость металлической арматуры.

- появилась необходимость обеспечить здания и сооружения антимагнитным и диэлектрическим свойствами.

Композитная арматура в СССР

В качестве основы композитной арматуры было использовано щелочестойкое стекловолокно диаметром от 10 до 15 микрон. Пучок которой объединялся в монолитный стержень посредством эпоксидной, эпоксифенольной, полиэфирной и других синтетических смол. В Советском Союзе была разработана технология производства этой арматуры диаметром 6 мм. из стекловолокна малоциркониевого состава марки Щ-15 ЖТ. Наибольшее внимание уделялось изучению долговечности и химической стойкости стекловолокна и композитной арматуры на ее основе в бетоне в агрессивных средах.

Выявлена возможность производства стеклопластиковой арматуры обладающей следующими показателями:

• начальный модуль упругости 50 000 МПа,
• временное сопротивление разрыву до 1500 МПа ,
• плотность 1,8-2 т/м3 при весовом содержании стекловолокна около 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 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. Стеклопластиковая арматура нашла также применение в ваннах из полимербетона в цехах электролиза на предприятиях цветной металлургии, в плитах на нескольких складах минеральных удобрений.

К сожалению, заводского производства стеклопластиковой арматуры в то время организовать не удалось. В 70-х годах XX века неметаллическая арматура была применена в конструкциях из лёгких бетонов (ячеистых бетонов, арболита и др.), а также в фундаментах, сваях, электролизных ваннах, балках и ригелях эстакад, опорных конструкциях конденсаторных батарей, плитах крепления откосов, без изоляторных траверсах и других конструкциях.

В 1976 г. построены надвижные склады в г. Рогачев и г. Червень. Несущие наклонные элементы верхнего пояса арок армированы четырьмя предварительно напряжёнными стеклопластиковыми стержнями диаметром 6мм. Стержни расположены в двух пазах сечением 10х18 мм, выбранных в нижней пластине элементов. Приопорные участки элементов (в коньковом и опорных узлах) усилены деревянными накладками из досок толщиной 20 мм. Экономия древесины в несущих армированных элементах составила 22% , на 9% была снижена стоимость, масса конструкций уменьшена на 20%. Стоимость сооружения по сравнению с существующими типовыми решениями складов такой же емкости снизилась в 1,7 раза.

На кислотной станции Светлогорского комбината искусственного волокна перекрытия над технологическими галереями выполнены из полимербетона ФАМ со стеклопластиковой арматурой. Плиты армировали стеклопластиковыми стержнями диаметром 6 мм. с предварительным напряжением ребёр и плиты в поперечном направлении. Распределительная арматура полки выполнена без предварительного напряжения. Экономический эффект в результате снижения приведенных затрать на 1 м2 перекрытия составил 57,95 руб. В 1969 г.

ИСиА Госстроя БССР совместно с ГПИ «Сельэнергопроект» (г. Москва) разработаны и исследованы электроизолирующие траверсы для ЛЭП-10 кВ и ЛЭП-35 кВ. В 1970 году в районе города Кострома возведен участок ЛЭП-10 кВ со стеклопласт-бетонными траверсами.

В 1972 году в Ставрополе возведен участок эксперементальной ЛЭП-35 кВ с электроизолирующими стеклопластбетонными траверсами. Конструкция траверса состояла из трёх предварительно напряжённых стеклопластбетонных элементов (лучей), соединённых болтами на стальной пластине, которая хомутами закреплялась на вершине железобетонной опоры.

В 1975 году в Гродно и Солигорске возведены 2 участка ЛЭП-10 кВ с использованием траверс из стеклопластбетона. Конструкция траверсы сборная, трёхлучевая, состоит из двух прямолинейных предварительно напряжённых стеклопластбетонных элементов: горизонтального, на котором расположены два провода, и вертикального на вершине которого крепится третий провод. Сборная траверса основанием вертикального элемента присоединена к железобетонной опоре ЛЭП с применением стальных хомутов. Траверсы изготовлены из электроизолирующего бетона. Арматура – четыре стержня диаметром 6 мм в каждом элементе.

В 1979 г. в районе г. Батуми сданы в эксплуатацию два опытных участка опор ЛЭП на 0,4 и 10 кВт с траверсами из бетонополимера, армированного стеклопластиковой арматурой диаметром 6 мм. На Усть-Каменогорском комбинате цветной металлургии освоено производство предварительно напряжённых электролизных ванн из ФАМ полимербетона, армированного стеклопластиковыми стержнями диаметром 6 мм. Размерами ванны в плане 1080х2300 мм, высота 1650 мм, толщина стенки 100 мм. Стенки и днище армированы двойной симметричной арматурой с шагами стержней 200 мм. Экономический эффект на одну ванну без учёта затрат, связанных с остановкой производства при замене железобетонных ванн, - 1015, 5 руб.

В 1975 году построен первый в мире клееный деревянный мост длиной 9 метров, Балки моста имеют поперечное сечени 20х60 см. Материал - древесина ели. Эти балки армированы композитными (стеклопластиковыми) стержням диаметром 4 мм. 1975 г. – мост в Амурской области. Этот же мост в наше время. Проверка состояния конструкции выполненная через 35 лет, специалистами НИИЖБ им Гвоздева, показала что арматура моста находится в хорошем состоянии. На фото видно, что отсутствуют какие-либо разрушения несущей конструкции моста связанные с коррозией. Второй мост в СССР с композитной арматурой построен в Приморском крае (1981 год) через реку Шкотовка. Пролётное строение моста состоит из шести металлических двутавров №45, предварительно напряженных затяжками из 12 полимерных стержней диаметром 6 мм. Балки моста объединены монолитной железобетонной плитой проезжей части. Пролетное строение имеет длину 12 м,етров габариты проезжей части и тротуаров – Г8+2х1 м, расчётные нагрузки Н-30, НК-80. 1981 г. – мост в Приморском крае.

В Хабаровском крае мост с применением композитной арматуры построен в 1989 г. В поперечном сечении пролётного строения длиной 15 м установлено 5 ребристых без уширения в нижней зоне балок. Армирование балок пролётного строения моста было принято комбинированным: создание начальные напряжений в них осуществлялось четырьмя пучками по 24 стеклопластиковых стержня диаметром 6 мм в каждом и одним типовым пучком из стальных проволок. Армирование балок не напрягаемой арматурой классов А-I и А-II было оставлено без изменений.

1989 г. – мост в Хабаровском крае (Еврейская авт. обл.) Самое известное сооружение, построенное исключительно с использованием стеклопластиковой арматуры, – это маяк в г. Сочи, который простоял уже более 40 лет.

Композитная арматура в США и других странах

Историческое развитие применения полимерной арматуры (по материалам Института Бетона США ) Историю разработки арматуры из композитных материалов можно проследить до начала широкого использования композитов после 2 мировой войны. В аэрокосмической промышленности были широко признаны преимущества высокой прочности и легкости полимерных материалов. Далее, в условиях быстро развивающейся экономики, США требовались недорогие материалы, отвечающие потребительскому спросу. Получение соосно-ориентированного волокнистого пластика стало быстрым и экономичным методом формирования деталей с постоянным профилем сечения, а композитные пластики, изготовленные из непрерывного волокна, использовали для изготовления клюшек для игры в гольф и удочек.

Однако, только в 60-годах, эти материалы стали серьезно рассматривать при производстве арматуры железобетона. Распространение Федеральных систем скоростных автострад в 50-х годах обострило нужду в проведении их круглогодичного техобслуживания. Широкое распространение получило применение солей для удаления льда на автодорожных мостах. В результате, главной заботой стало использование стальной арматуры в таких конструкциях, а также в конструкциях, находящихся под длительным коррозийным действием морской соли.

Было проведено исследование различных защитных покрытий, включая цинковые покрытия, покрытия с электростатическим напылением, полимербетоны, эпоксидные покрытия, а также арматуру из стеклопластика (ACI 440R). Из всего вышеперечисленного, стальная арматура с эпоксидным покрытием оказалось лучшим решением, и стала применяться в агрессивных коррозионных условиях. Использование арматуры из FRP не считалось эффективным решением по причине высокой стоимости и не имело коммерческого распространения до конца 70-х годов.

В 1983 году был основан первый проект Министерством транспорта США «Применение технологии композитных материалов в проектировании и постройке мостов» (Plecnik and Ahmad 1988). Корпорация Marshall-Vega Inc. вела изначальную разработку арматуры из стеклопластика в США. Изначально, арматура из стеклопластика считалась эффективной альтернативой стальной для полимербетона ввиду несовместимости с характеристиками температурного расширения между полимербетоном и сталью.

В конец 70-х годов, корпорация International Grating Inc. вышла на североамериканский рынок арматуры из FRP. Marshall-Vega и International Grating занимались исследованием и разработкой арматуры из FRP до 80-х. В 80-х на рынке возник спрос на неметаллическую арматуру для специфической передовой технологии. Наибольший спрос на электроизолирующую арматуру был для медицинского оборудования магнитной резонансной томографии. Арматура из FRP стала стандартом для конструкций такого типа.

Иное применение арматуры FRP стало более известным и востребованным, особенно в конструкциях волноломов, основаниях реакторов электроподстанций, взлётно-посадочных полос и лабораторий электроники (Brown and Bartholomew 1996).

В 70-х в США стали нарастать проблемы, связанные с ухудшением состояния мостов ввиду коррозии, вызванной действием хлорид-ионов, воздействие которых на стальную арматуру привело к быстрому к старению мостов. (Boyle and Karbhari 1994). Кроме того, выявление коррозии в широко распространенной арматуре с эпоксидным покрытием повысило интерес к альтернативным методам, позволяющим избежать ее. И снова арматуру из FRP стали считать основным решением проблем коррозии мостовых настилов и других конструкций (Benmokrane et al. 1996).

История использования полимерной арматуры вплоть до середины 90-х годов в Японии наиболее широко использовалась арматуры из FRP, уже тогда в стране насчитывалось более 100 коммерческих проектов с ее применением. Детальная информация по проектированию с FRP были включены в «Рекомендации по проектированию и постройке» JSCE (1997). В Азии, недавно, Китай стал крупнейшим потребителем композитной арматуры, используя ее в новых конструкциях, начиная от мостовых настилов до проведения подземных работ (Ye et al. 2003). Использование арматуры из FRP в Европе началось в Германии, при постройке автодорожного моста из преднапряженного FRP в 1986 году (Meier 1992). После постройки моста в Европе были запущены программы по исследованию и использованию арматуры из FRP. В рамках европейского проекта BRITE/EURAM Project, “Элементы из волоконных композитов и технология применения композитной арматуры» с 1991 по 1996 годы были проведены испытания и анализ материалов из FRP (Taerwe 1997). Позднее, компания EUROCRETE возглавит программу исследований и демонстрационных проектов.

Канадские инженеры разработали положения по применению композитной арматуры для Канадского свода норм проектирования автодорожных мостов. При постройке моста Headingley в Манитобе была использована арматура из CFRP и GFRP (Rizkalla 1997). При постройке моста на Kent County Road No. 10 была использована полимерная арматура ( CFRP) для армирования зон отрицательного момента (Tadros et al. 1998). При строительстве моста Joffre Bridge через реку Сен-Франсуа (Шербрук, Квебек), была использована арматура из CFRP на напорных плитах, а также арматура из GFRP на дорожном заграждении и тротуаре. Мост, который был открыт для проезда в декабре 1997, был оснащен волоконно-оптическими датчикими, интегрированными в структуру арматуры из FRP для дистанционного контроля деформаций (Benmokrane et al. 2004). Канада остается лидером в применении арматуры из FRP при постройке мостового настила (Benmokrane et al. 2004).

В США, широкое использование арматуры из FRP было зафиксировано ранее (ACI 440R). Использование арматуры из GFRP при постройке пристроек больничной палаты для магнитной резонансной томографии становится повсеместным. Также композитная арматура стала стандартным решением в таких отраслях индустрии как портовые сооружения, верхняя сетка арматуры для мостовых настилов, различные заводские армированные бетонные изделия, орнаментный и архитектурный бетон. Некоторые крупнейшие проекты включают в себя здание Gonda Building клиники Майо в городе Рочестер штата Миннесота, Национальный институт здравоохранения (Бетесда, штат Мэриленд) – для магнитной резонансной томографии, мост в городе Поттер Каунти штата Техас, а также мост в городе Беттендорф штата Айова, для армирования настила (Nanni 2001).

Арматура из GFRP была использована при проведении тоннельных работ для бетонной стены, которую требовалось строить вслед за тоннелепроходческой машиной, и далее получила широкое применение при постройке множества крупнейших метрополитеном мира, включая Азию (например, Бангкок, Гонгконг и Нью-Дели) и Европу (например, Лондон и Берлин).