Versterking van composietmaterialen - een stap in de toekomst

Gusevsky Andrey Anatolyevich

Glasvezel periodieke profielstaven

We weten allemaal dat producten en constructies gemaakt van beton intern zijn versterkt, omdat dit hun sterkte en scheurweerstand aanzienlijk verhoogt. Stalen staven of draad zijn perfect bestand tegen de taak die eraan is toegewezen, maar hebben twee nadelen. De eerste is de lage corrosieweerstand van het metaal en de tweede is de hoge prijs.

Wapening gemaakt op basis van plastic is twee tot drie keer goedkoper, heeft minder gewicht, is niet bang voor corrosie en de sterkte is voldoende voor gebruik in laagbouw, en niet alleen. Desalniettemin vermoeden veel mensen het bestaan ​​niet eens - dus besloten we deze kloof te overbruggen.

Niet-metalen versterking: de geschiedenis van uiterlijk en ontwikkeling

Zoals gebruikelijk blijkt elke nieuwigheid bij nader onderzoek helemaal niet te zijn. Vanaf het moment dat het eerste idee opkwam, tot de implementatie en universele erkenning, gaan decennia vaak voorbij. Hetzelfde verhaal gebeurde met niet-metalen fittingen, de interesse waarin het land een halve eeuw geleden ontstond.

Corrosie van stalen wapening veroorzaakt de vernietiging van de beschermende betonlaag

Zo:

• Het ging gepaard met de noodzaak om betonconstructies te bouwen, die onder agressieve omstandigheden moesten worden gebruikt. In natte modus - en zelfs als het geen zuiver water is, maar sommige chemische vloeistoffen, is het erg moeilijk en niet goedkoop om corrosiebestendigheid te bieden voor traditionele staalwapening.
• Soms werd het ook nodig om structuren te creëren met diëlektrische en antimagnetische eigenschappen, bijvoorbeeld tijdens de bouw van onderzoeksinstituten of medische centra waarin gevoelige apparatuur werd geïnstalleerd.
• Bij projecten waar lichte constructies met een voldoende hoge sterkte zouden worden toegepast, kon alleen een combinatie van hoogwaardig beton met composietwapening aan deze eisen voldoen. Trouwens, beton zelf, wanneer polymeer of staalvezel eraan wordt toegevoegd, kan ook als een composietmateriaal worden beschouwd.

Bovendien was er in het land, met een constant groeiende vraag naar staal, een tekort aan ertsproductie dat daaraan kon voldoen, en ook waren er niet genoeg additieven waarmee gelegeerd werd. Het was duidelijk dat de noodzaak om niet-metalen wapening te creëren verviel, wat de ontwikkelaars als het ware tot nieuwe prestaties bracht.

Hoe het bij ons allemaal begon

De eerste technologie voor het vervaardigen van wapening met een diameter van 6 mm, op basis van glasvezel met zirkoniumadditieven, werd in de jaren zeventig in de Unie ontwikkeld. De ondersteunende basis is gemaakt van een glas naadloze alkalische vezel met een diameter tot 15 micron, waarvan de balken werden gecombineerd tot staven met behulp van synthetische harsen.

• Natuurlijk begonnen ze dergelijke wapening niet meteen te gebruiken, maar aanvankelijk bestudeerden ze alleen de eigenschappen ervan: mechanica, chemische weerstand en duurzaamheid. Volgens de resultaten van de waarnemingen verbeterde de samenstelling van de composiet totdat het mogelijk was om staven te verkrijgen met een elastische modulus van 50 duizend MPa en een treksterkte van 1,5 duizend MPa.
• Hun buigsterkte werd getest door prototypes te vervaardigen van betonproducten gemaakt met glasvezelversterking en onderworpen aan statische belastingen.De eerste van dergelijke producten waren dwarssteunen voor hoogspanningslijnen, die op experimentele locaties waren gemonteerd.
• Op basis van de resultaten van de experimenten zijn TU's ontwikkeld voor de vervaardiging van glasvezelwapening, evenals de voorwaarden voor het ontwerp van betonconstructies met het gebruik ervan. Tegelijkertijd werden toepassingsgebieden van het nieuwe materiaal aanbevolen, waaronder niet alleen de bouw, maar ook de chemische industrie, de metallurgie.

Grootschalig gebruik van niet-metalen wapening werkte toen echter niet. In feite werd het gebruikt voor de productie van betonnen palen, hellingen, viaductconstructies en de versterking van sommige ondersteunende constructies.

Maar eind jaren 80 werd op basis van glasvezelversterking een 15 meter lange brug gebouwd in het Khabarovsk-gebied, waarvan elk van de vijf balken werd versterkt met een composietbalk met 24 staven, plus een typische staaldraad. Het resultaat was uitstekend en de brug functioneert nog steeds. Het was nog maar het begin ...

En hoe is het in het buitenland?

Als je de geschiedenis van composietwapening als geheel volgt, dan komt die uit de jaren veertig van de vorige eeuw - dat wil zeggen uit de naoorlogse jaren. Ons land was toen niet in staat om nieuwe materialen te creëren, maar in de Verenigde Staten werd intensief aan de composietformule gewerkt. In deze jaren wordt het al op grote schaal gebruikt, omdat goedkope materialen eenvoudigweg nodig waren voor een zich ontwikkelende economie.

Het was in dit land dat glasvezelversterking met een constante doorsnede werd gecreëerd, die aanvankelijk alleen werd gebruikt voor de vervaardiging van inventaris. Een serieuzere toepassing begon al in de jaren 60, toen het composiet werd beschouwd als een alternatief voor metalen wapening.

Allereerst begonnen ze het te gebruiken voor het versterken van bestratingen, die, zoals u weet, niet alleen bij hen, maar ook bij ons, worden besprenkeld met zout om ijs in de winter te verwijderen. En het bederft niet alleen de wielen van auto's, maar ook, sijpelt in de vorm van een oplossing door de dikte van beton, corrodeert de interne wapening.

Zo:

• Op dit gebied bleek de weerstand van kunststoffen tegen corrosie de beste. Het enige dat een belemmering vormde voor de volledige vervanging van metaal door een composiet, waren de hoge kosten, die alleen in twintig jaar konden worden verlaagd. Daarom werd zink- of epoxycoating eerst eenvoudig op het metaal aangebracht.
• Maar aangezien bleek dat glasvezelversterking voor polymeerbeton effectiever is dan staalwapening - verschillende kenmerken van thermische uitzetting beïnvloedden, werd in 1983 het eerste document ontwikkeld in de Verenigde Staten dat het gebruik van composiettechnologieën bij het ontwerpen van bruggen regelt.
• Waarom bruggen? Ja, omdat hun slechte staat werd geassocieerd met corrosie van de fittingen, die de diensten die verantwoordelijk waren voor hun werking enorm hinderden. Composietwapening werd toen beschouwd als de belangrijkste mogelijkheid om dit probleem op te lossen.
• Hierna wordt het al gebruikt voor geavanceerde technologieën: bij het ontwerpen van laboratoria en medische centra gevuld met elektronica, landingsbanen van luchthavens en zelfs reactoren in elektrische onderstations.
• In Japan begon halverwege de jaren negentig op grote schaal gebruik te worden gemaakt van niet-metalen wapening. Vervolgens hadden ze meer dan honderd grote projecten - voornamelijk commerciële, waarbij glasvezelversterking werd gebruikt. Rond dezelfde tijd, beginnend vanuit Duitsland, werd het zowel in Europa als in Canada gebruikt.

Maar de meest solide consument van composietwapening was natuurlijk China.In dit land werd het niet alleen gebruikt bij de constructie van bruggen, maar het was ook het eerste dat werd gebruikt voor het ontwerp van ondergrondse en tunnelconstructies.

Wat is er vandaag veranderd

Alle bovenstaande informatie spreekt over de solide voordelen van composietwapening, en niet alleen de meeste particuliere handelaren, maar veel bouwers weten er niets van. En wie het nog weet, staat soms sceptisch tegenover dit materiaal.

Om twijfels weg te nemen, zullen we in meer detail beschrijven welke polymeerwapening tegenwoordig wordt geproduceerd, op welke gebieden het kan worden gebruikt en op welke niet.

Soorten polymeerversterking

Tegenwoordig zijn er verschillende productietechnieken voor niet-metalen fittingen die verschillende grondstoffen gebruiken.

Om het verschil duidelijker te maken, presenteren we voor de duidelijkheid de belangrijkste typen in de vorm van een tabel:

Hoe ziet de wapening eruit?	Onderscheidende kenmerken
Glasvezel	De foto toont glasvezelversterking (GFRP-Rebar) - de meest voorkomende optie. Kunststof staven tot 12 m lang zijn versterkt met doorlopende glasvezel en zijn gemaakt in diameters van 4 tot 40 mm. Een dergelijke wapening wordt gebruikt als alternatief voor de stalen analoog - in constructies met ongespannen of met voorgespannen wapening.
Basalt kunststof	Dit type wapening (BFRP) verschilt van de vorige versie doordat het geen glas maar basaltvezel gebruikt voor versteviging, het verschilt niet alleen in kleur, maar heeft ook een hogere weerstand tegen agressieve omgevingen. Het niveau van brandwerendheid is ongeveer hetzelfde, aangezien elk polymeer maximaal +160 graden kan weerstaan. Ideaal voor funderingen en blinde ruimtes.
Carbon fittingen	Dit armatuur, afgekort CFRP, wordt koolstof genoemd, omdat hier, samen met synthetische thermohardende harsen, koolstofvezel wordt gebruikt. In tegenstelling tot eerdere opties, kan het een zanderige afwerking hebben, zoals we op de foto zien.Het wordt niet alleen gebruikt in de civiele, maar ook in de industriële bouw, maar ook bij het leggen van wegen, bruggen bouwen, zee- en communicatiefaciliteiten. We benadrukken dat de treksterkte van een dergelijke wapening vijf keer hoger is dan die van stalen staven van klasse AIII, en tien keer lichter dan deze.

Alle opties voor polymeerversterking kunnen worden gemaakt in de vorm van kabels, staven of geprofileerde staven. Sectieprofielvormen kunnen ook verschillen: hol, massief, vierkant, rond.

De wikkeling van de vezels kan ook verschillen en, zoals je op de foto's kunt zien, de optie van de buitenste coating. Afhankelijk van de diameter en mate van flexibiliteit, kan de wapening worden verkocht als enkele staven of in spoelen worden gedraaid.

Zijn er nadelen?

Er is veel gezegd over de voordelen van polymeerversterking, maar de potentiële gebruiker kan een legitieme vraag hebben: "Wat zijn de nadelen van het materiaal en waar is het gebruik ongewenst?"

Hier zullen we het in dit deel van het artikel beantwoorden:

• Er zijn geen perfecte materialen. Elk van hen heeft bepaalde nadelen, en hier hangt het allemaal af van de toepassing en de bedrijfsomstandigheden van de constructies.
• In het bijzonder is het polymeer inferieur aan hetzelfde staal in brandwerendheid, aangezien het plastic, omdat het in de dikte van beton is, al begint te smelten vanaf +200 Celsius. Het smeltpunt van staal is zeven keer hoger, dus in sommige constructiegebieden kan het niet worden vervangen door plastic.
• Zo wordt composietwapening niet gebruikt voor de fabricage van vloerplaten. Dienovereenkomstig worden de frame-elementen van geprefabriceerde gebouwen met meerdere verdiepingen of productiewerkplaatsen met verhoogd brandgevaar versterkt met stalen frames - en het is begrijpelijk waarom.
• Maar voor de fundering maakt deze factor helemaal niet uit, daarom is dit type wapening geschikt voor elk van zijn typen.Het montageproces van het funderingsframe, van het traditionele, is vrijwel hetzelfde. Het enige dat hier is, is om plastic stropdassen te gebruiken om te breien - hoewel je ook draad kunt gebruiken.

• Een van de ongemakken is dat het onmogelijk is om de composietwapening door eenvoudige verwarming de gewenste vorm te geven. Daarom, als het nodig is om constructies met gebogen vormen te vervaardigen, worden framedelen daarvoor door de fabrikant op bestelling gemaakt.
• Hierop eindigt in feite de lijst met tekortkomingen. Gebieden waar het gebruik van composietwapening meer de voorkeur heeft, zijn veel meer dan beperkingen.
• Merk op dat een dergelijke wapening gemakkelijk te verwerken is, u kunt het zagen met een eenvoudige ijzerzaag of, met een kleine diameter, een kniptang gebruiken. In het dagelijks leven kan het, naast het storten van funderingen en een blinde ruimte, bijvoorbeeld worden gebruikt voor de bouw van een kas.

Dus voor privéconstructies is kunststofwapening de beste optie en nog zuiniger. Als je per ton telt, is het duurder, maar als je bedenkt dat vanwege het lichtere soortelijk gewicht van de staven er meer in kwantiteit zijn, dan is het voordeel behoorlijk tastbaar.