Rinforzo in materiali compositi: un passo verso il futuro

Gusevsky Andrey Anatolyevich

Aste a profilo periodico in fibra di vetro

Sappiamo tutti che i prodotti e le strutture in cemento sono rinforzati internamente, in quanto ciò aumenta significativamente la loro forza e resistenza alle crepe. Coni retinici di acciaio o filo, affrontano perfettamente il compito loro assegnato, ma presentano due inconvenienti. Il primo è la bassa resistenza alla corrosione del metallo e il secondo è il suo prezzo elevato.

Il rinforzo realizzato sulla base della plastica è due o tre volte più economico, ha meno peso, non ha paura della corrosione e la sua resistenza è abbastanza per l'uso in costruzioni a pochi piani, e non solo. Tuttavia, molte persone non sospettano nemmeno della sua esistenza - quindi abbiamo deciso di colmare questa lacuna.

Rinforzo non metallico: la storia dell'aspetto e dello sviluppo

Come al solito, qualsiasi novità a un esame più attento non risulta affatto. Semplicemente, dal momento in cui è nata la prima idea, alla sua attuazione e al suo riconoscimento universale, spesso passano decenni. La stessa storia è avvenuta con raccordi non metallici, l'interesse per il quale è nato nel paese mezzo secolo fa.

La corrosione del rinforzo in acciaio provoca la distruzione dello strato protettivo di calcestruzzo

Così:

• Era associato alla necessità di erigere strutture in cemento armato, che dovevano funzionare in condizioni aggressive. In modalità umida - e anche quando non si tratta di acqua pura, ma di liquidi chimici, è molto difficile e costoso fornire resistenza alla corrosione per il tradizionale rinforzo in acciaio.
• A volte è anche necessario creare strutture con proprietà dielettriche e antimagnetiche, ad esempio durante la costruzione di istituti di ricerca o centri medici in cui sono state installate apparecchiature sensibili.
• Nei progetti in cui le costruzioni leggere dovevano essere utilizzate con un livello di resistenza sufficientemente elevato, solo una combinazione di cemento di alta qualità con rinforzo composito poteva soddisfare questi requisiti. A proposito, il calcestruzzo stesso, quando viene aggiunto polimero o fibra d'acciaio, può anche essere considerato un materiale composito.

Inoltre, nel paese, con una domanda in costante aumento di acciaio, c'era una carenza di produzione di minerale che poteva soddisfarli e mancava anche gli additivi con cui veniva effettuata la lega. Era ovvio che maturasse la necessità di creare armature non metalliche, il che spinse gli sviluppatori, per così dire, a nuovi traguardi.

Come è iniziato tutto con noi

La prima tecnologia per la produzione di armature con un diametro di 6 mm, basata su fibra di vetro con additivi di zirconio, fu sviluppata nell'Unione negli anni Settanta. La sua base di supporto è stata creata da una fibra di vetro alcalina senza saldatura con un diametro fino a 15 micron, le cui travi sono state combinate in barre usando resine sintetiche.

• Naturalmente, non iniziarono immediatamente a utilizzare tale rinforzo, ma all'inizio ne studiarono solo le proprietà: meccanica, resistenza chimica e durata. Secondo i risultati delle osservazioni, la composizione del composito è migliorata fino a quando non è stato possibile ottenere barre con modulo elastico di 50 mila MPa e resistenza alla trazione di 1,5 mila MPa.
• La loro resistenza alla flessione è stata testata realizzando prototipi di prodotti in calcestruzzo realizzati con rinforzo in fibra di vetro e sottoposti a carichi statici.I primi prodotti di questo tipo erano supporti trasversali per linee elettriche montate su siti sperimentali.
• Sulla base dei risultati degli esperimenti, sono state sviluppate TU per la fabbricazione di rinforzi in fibra di vetro, nonché le condizioni per la progettazione di strutture in calcestruzzo con il suo utilizzo. Parallelamente, sono state raccomandate aree di applicazione del nuovo materiale, che includevano non solo l'edilizia, ma anche l'industria chimica, la metallurgia.

Tuttavia, l'uso su larga scala di rinforzi non metallici non ha funzionato allora. Fondamentalmente, ha iniziato ad essere utilizzato per la produzione di pile di cemento, pendii, strutture di cavalcavia e il rafforzamento di alcune strutture di supporto.

Ma alla fine degli anni '80, sulla base del rinforzo in fibra di vetro, fu costruito un ponte di 15 metri nel Territorio di Khabarovsk, ognuna delle cinque travi fu rinforzata con una trave composita a 24 aste, più una tipica trave di filo d'acciaio. Il risultato è stato eccellente e il ponte funziona ancora oggi. Era solo l'inizio ...

E com'è all'estero?

Se rintracci la storia del rinforzo composito nel suo insieme, proviene dagli anni Quaranta del secolo scorso, cioè dagli anni del dopoguerra. Il nostro paese non era quindi all'altezza della creazione di nuovi materiali, tuttavia, negli Stati Uniti, la formula composita è stata intensamente lavorata. In questi anni, ha già iniziato ad essere ampiamente utilizzato, perché i materiali economici erano semplicemente necessari per un'economia in via di sviluppo.

Fu in questo paese che fu creato il rinforzo in fibra di vetro con una sezione trasversale costante, che inizialmente fu usato solo per la fabbricazione di inventario. Un'applicazione più seria è iniziata già negli anni '60, quando il composito ha iniziato a essere considerato un'alternativa al rinforzo in metallo.

Prima di tutto, hanno iniziato a usarlo per rinforzare le pavimentazioni, che, come sai, non solo con loro, ma anche con noi, sono cosparse di sale per rimuovere il ghiaccio in inverno. E rovina non solo le ruote delle automobili, ma anche, filtrando sotto forma di soluzione attraverso lo spessore del cemento, corrode il rinforzo interno.

Così:

• È in questo settore che la resistenza della plastica alla corrosione si è dimostrata la migliore. L'unica cosa che serviva da ostacolo alla completa sostituzione del metallo con un composito era il suo costo elevato, che era possibile ridurre solo in venti anni. Pertanto, all'inizio lo zinco o il rivestimento epossidico sono stati semplicemente applicati al metallo.
• Ma dal momento che si è scoperto che il rinforzo in fibra di vetro per calcestruzzo polimerico è più efficace del rinforzo in acciaio - colpite diverse caratteristiche dell'espansione termica, quindi nel 1983, negli Stati Uniti è stato sviluppato il primo documento che regola l'uso delle tecnologie composite nella progettazione di ponti.
• Perché ponti Sì, perché le loro cattive condizioni erano associate alla corrosione dei raccordi, il che ha disturbato notevolmente i servizi responsabili del loro funzionamento. Il rinforzo composito è stato quindi considerato la principale opportunità per risolvere questo problema.
• In seguito, ha già iniziato a essere utilizzato per tecnologie avanzate: nella progettazione di laboratori e centri medici pieni di elettronica, piste aeroportuali e persino reattori in sottostazioni elettriche.
• In Giappone, l'uso diffuso di rinforzi non metallici iniziò a metà degli anni novanta. Quindi hanno avuto più di cento progetti di grandi dimensioni, principalmente commerciali, in cui è stato utilizzato il rinforzo in fibra di vetro. Più o meno nello stesso periodo, a partire dalla Germania, iniziò ad essere utilizzato in Europa e in Canada.

Ma il consumatore più solido del rinforzo composito, ovviamente, era la Cina.In questo paese, è stato utilizzato non solo nella costruzione di ponti, ma è stato anche il primo ad essere utilizzato per la progettazione di strutture sotterranee e tunnel.

Cosa è cambiato oggi

Tutte le informazioni di cui sopra parlano dei solidi vantaggi del rinforzo composito e, tuttavia, non solo la maggior parte degli operatori privati, ma molti costruttori non ne sono a conoscenza. E quelli che ancora lo sanno, a volte sono scettici su questo materiale.

Per dissipare i dubbi, descriveremo più dettagliatamente quale rinforzo polimerico viene prodotto oggi, in quali aree può essere utilizzato e in quali no.

Varietà di rinforzo polimerico

Oggi esistono diverse tecniche di produzione per raccordi non metallici che utilizzano diverse materie prime.

Per rendere la differenza più comprensibile, per chiarezza, presenteremo i tipi principali sotto forma di tabella:

Che aspetto ha il rinforzo?	Caratteristiche distintive
lana di vetro	La foto mostra il rinforzo in fibra di vetro (GFRP-Rebar) - l'opzione più comune. Le aste di plastica lunghe fino a 12 m sono rinforzate con fibra di vetro continua e sono prodotte con diametri da 4 a 40 mm. Tale rinforzo viene utilizzato in alternativa all'analogo dell'acciaio - in strutture con rinforzo non sollecitato o precompresso.
Plastica di basalto	Questo tipo di rinforzo (BFRP) differisce dalla versione precedente in quanto non utilizza vetro ma fibra di basalto per il rinforzo: differisce non solo per il colore, ma ha anche una maggiore resistenza agli ambienti aggressivi. Il livello di resistenza al fuoco è approssimativamente lo stesso, poiché qualsiasi polimero può resistere ad un massimo di +160 gradi. Ideale per fondazioni e aree cieche.
Raccordi in carbonio	Questo apparecchio, abbreviato in CFRP, è chiamato carbonio, perché qui, in tandem con resine sintetiche termoindurenti, viene utilizzata la fibra di carbonio. A differenza delle opzioni precedenti, può avere una finitura sabbiosa, che vediamo nella foto: viene utilizzata non solo nelle costruzioni civili, ma anche nelle costruzioni industriali, nonché durante la posa di strade, la costruzione di ponti, il mare e le strutture di comunicazione. Sottolineiamo che la resistenza alla trazione di tale rinforzo è cinque volte superiore a quella delle barre di acciaio di classe AIII e 10 volte più leggera di essa.

Tutte le versioni di rinforzo polimerico possono essere realizzate sotto forma di cavi, barre o barre profilate. Le forme del profilo di sezione possono anche essere diverse: cava, solida, quadrata, rotonda.

Anche l'avvolgimento delle fibre può differire e, come puoi vedere dalle immagini, l'opzione del rivestimento esterno. A seconda del diametro e del grado di flessibilità, il rinforzo può essere venduto come barre singole o attorcigliato in bobine.

Ci sono degli svantaggi?

Molto è stato detto sui vantaggi del rinforzo polimerico, ma il suo potenziale utente potrebbe avere una domanda legittima: "Quali sono gli svantaggi del materiale e dove è indesiderabile il suo utilizzo?"

Qui risponderemo in questa parte dell'articolo:

• Non ci sono materiali perfetti. Ognuno di essi presenta alcuni svantaggi, e qui tutto dipende dall'applicazione e dalle condizioni operative delle strutture.
• In particolare, il polimero è inferiore allo stesso acciaio in resistenza al fuoco, poiché, essendo nello spessore del calcestruzzo, la plastica inizia a fondere già da +200 gradi Celsius. Il punto di fusione dell'acciaio è sette volte più alto, quindi in alcune aree di costruzione non può essere sostituito con plastica.
• Ad esempio, il rinforzo composito non viene utilizzato per la fabbricazione di lastre per pavimenti. Di conseguenza, gli elementi del telaio di edifici prefabbricati a più piani o le officine di produzione con maggiore rischio di incendio sono rinforzati con telai in acciaio - ed è comprensibile il perché.
• Ma per la fondazione, questo fattore non ha alcuna importanza, quindi questo tipo di rinforzo è adatto a nessuno dei suoi tipi.Il processo di assemblaggio del telaio di fondazione, da quello tradizionale, è praticamente lo stesso. L'unica cosa qui è usare le fascette di plastica per lavorare a maglia, anche se puoi anche usare il filo.

• Uno degli inconvenienti è che è impossibile dare al rinforzo composito la forma desiderata con un semplice riscaldamento. Pertanto, se è necessario fabbricare strutture con forme curve, le parti del telaio vengono fabbricate dal produttore su ordinazione.
• Su questo, in effetti, l'elenco delle carenze termina. Le aree in cui l'uso del rinforzo composito è più preferibile sono molto più che limitazioni.
• Si noti che tale rinforzo è facile da elaborare, è possibile tagliarlo con un semplice seghetto o, con un diametro ridotto, utilizzare tronchesi. Nella vita di tutti i giorni, oltre a versare fondamenta e un'area cieca, può essere utilizzato, ad esempio, per la costruzione di una serra.

Quindi, per l'edilizia privata, il rinforzo in plastica è l'opzione migliore e anche più economico. Se si conta per tonnellata, è più costoso, ma se si considera che a causa del peso specifico più leggero delle aste, ce ne sono più in quantità, il vantaggio è piuttosto tangibile.