Wzmocnienie z materiałów kompozytowych - krok w przyszłość

Gusevsky Andrey Anatolyevich

Okresowe pręty z włókna szklanego

Wszyscy wiemy, że produkty i konstrukcje wykonane z betonu podlegają wewnętrznemu wzmocnieniu, ponieważ znacznie zwiększa to ich wytrzymałość i odporność na pękanie. Stalowe pręty lub drut doskonale radzą sobie z przypisanym im zadaniem, ale mają dwie wady. Pierwszy to niska odporność metalu na korozję, a drugi to jego wysoka cena.

Zbrojenie wykonane na bazie tworzywa jest dwa do trzech razy tańsze, ma mniejszą wagę, nie boi się korozji, a jego wytrzymałość wystarcza do zastosowania w konstrukcjach niskich i nie tylko. Niemniej jednak wiele osób nawet nie podejrzewa jej istnienia - dlatego postanowiliśmy wypełnić tę lukę.

Zbrojenie niemetaliczne: historia wyglądu i rozwoju

Jak zwykle żadna nowość po bliższym zbadaniu wcale się nie okazuje. Po prostu, od momentu pojawienia się pierwszego pomysłu, do jego wdrożenia i powszechnego uznania, często minęły dziesięciolecia. Ta sama historia wydarzyła się w przypadku armatury niemetalowej, która zainteresowała się tym krajem pół wieku temu.

Korozja zbrojenia stalowego powoduje zniszczenie warstwy ochronnej betonu

Więc:

• Wiązało się to z koniecznością wznoszenia konstrukcji betonowych, które miały być eksploatowane w agresywnych warunkach. W trybie mokrym - nawet gdy nie jest to czysta woda, ale jakiekolwiek płyny chemiczne, bardzo trudno i kosztownie jest zapewnić odporność na korozję tradycyjnego zbrojenia stalowego.
• Czasami konieczne stało się również tworzenie struktur o właściwościach dielektrycznych i antymagnetycznych - na przykład podczas budowy instytutów badawczych lub ośrodków medycznych, w których zainstalowano wrażliwy sprzęt.
• W projektach, w których miały być zastosowane lekkie konstrukcje o wystarczająco wysokiej wytrzymałości, tylko kombinacja wysokiej jakości betonu ze zbrojeniem kompozytowym mogła spełnić te wymagania. Nawiasem mówiąc, sam beton, gdy dodaje się do niego włókno polimerowe lub stalowe, można również uznać za materiał kompozytowy.

Ponadto w kraju, przy stale rosnącym popycie na stal, brakowało produkcji rudy, która mogła je zaspokoić, a także brakowało dodatków, z którymi przeprowadzono stopowanie. Oczywiste było, że dojrzała potrzeba stworzenia zbrojenia niemetalicznego, co skłoniło twórców, że tak powiem, do nowych osiągnięć.

Jak to wszystko się u nas zaczęło

Pierwsza technologia wytwarzania zbrojenia o średnicy 6 mm, oparta na włóknie szklanym z dodatkami cyrkonu, została opracowana w Unii w latach siedemdziesiątych. Podstawę nośną wykonano ze szklanego bezszwowego włókna alkalicznego o średnicy do 15 mikronów, którego wiązki połączono w pręty za pomocą żywic syntetycznych.

• Oczywiście nie od razu zaczęli stosować takie wzmocnienie, ale na początku badali tylko jego właściwości: mechanikę, odporność chemiczną i trwałość. Zgodnie z wynikami obserwacji skład kompozytu poprawił się, aż możliwe było uzyskanie prętów o module sprężystości 50 tys. MPa i wytrzymałości na rozciąganie 1,5 tys. MPa.
• Ich wytrzymałość na zginanie została przetestowana podczas produkcji prototypów wyrobów betonowych wykonanych przy użyciu zbrojenia z włókna szklanego i poddanych obciążeniom statycznym.Pierwszymi takimi produktami były wsporniki trawersowe dla linii energetycznych, które zostały zamontowane w miejscach eksperymentalnych.
• Na podstawie wyników eksperymentów opracowano TU do produkcji zbrojenia z włókna szklanego, a także warunki do projektowania konstrukcji betonowych z jego wykorzystaniem. Równolegle zalecono obszary zastosowania nowego materiału, które obejmowały nie tylko budownictwo, ale także przemysł chemiczny i metalurgię.

Jednak zastosowanie zbrojenia niemetalicznego na dużą skalę nie działało wtedy. Zasadniczo zaczął być stosowany do produkcji pali betonowych, skarp, konstrukcji wiaduktowych i do wzmacniania niektórych konstrukcji wsporczych.

Ale pod koniec lat 80., na bazie zbrojenia z włókna szklanego, na Terytorium Chabarowskim zbudowano 15-metrowy most, z których każda z pięciu belek została wzmocniona 24-prętową belką kompozytową oraz typową belką z drutu stalowego. Wynik był znakomity, a most nadal działa do dziś. To był dopiero początek ...

A jak to jest za granicą?

Jeśli prześledzisz historię zbrojenia kompozytowego jako całości, to pochodzi on z lat czterdziestych ubiegłego wieku - czyli z lat powojennych. Nasz kraj nie był wtedy gotowy do tworzenia nowych materiałów, jednak w USA intensywnie pracowano nad formułą kompozytową. W tych latach zaczął on być powszechnie stosowany, ponieważ niedrogie materiały były po prostu niezbędne dla rozwijającej się gospodarki.

To właśnie w tym kraju stworzono zbrojenie z włókna szklanego o stałym przekroju, które początkowo było wykorzystywane tylko do produkcji zapasów. Poważniejsze zastosowanie rozpoczęło się już w latach 60., kiedy kompozyt zaczął być uważany za alternatywę dla zbrojenia metalowego.

Przede wszystkim zaczęli go używać do wzmacniania nawierzchni, które, jak wiadomo, nie tylko u nich, ale także u nas, są posypane solą do usuwania lodu w zimie. I psuje nie tylko koła samochodów, ale także, sącząc się w postaci rozwiązania przez grubość betonu, niszczy wewnętrzne wzmocnienie.

Więc:

• To właśnie w tym obszarze odporność tworzyw sztucznych na korozję okazała się najlepsza. Jedyną przeszkodą w całkowitym zastąpieniu metalu kompozytem był jego wysoki koszt, który można było zmniejszyć dopiero po dwudziestu latach. Dlatego najpierw na metal nałożono po prostu powłokę cynkową lub epoksydową.
• Ponieważ jednak okazało się, że zbrojenie z włókna szklanego do polimerobetonu jest bardziej skuteczne niż zbrojenie stalowe - wpłynęło to na różne właściwości rozszerzalności cieplnej, a następnie w 1983 r. Opracowano pierwszy dokument w Stanach Zjednoczonych, który reguluje stosowanie technologii kompozytowych w projektowaniu mostów.
• Dlaczego mosty? Tak, ponieważ ich zły stan związany był z korozją zaworów, co martwiło służby odpowiedzialne za ich działanie. Zbrojenie kompozytowe uznano wówczas za główną okazję do rozwiązania tego problemu.
• Następnie zaczął już być wykorzystywany do zaawansowanych technologii: w projektowaniu laboratoriów i centrów medycznych wypełnionych elektroniką, pasami startowymi na lotniskach, a nawet reaktorami w podstacjach elektrycznych.
• W Japonii powszechne stosowanie zbrojenia niemetalicznego rozpoczęło się w połowie lat dziewięćdziesiątych. Następnie mieli ponad sto dużych projektów - głównie komercyjnych, w których zastosowano wzmocnienie z włókna szklanego. Mniej więcej w tym samym czasie, począwszy od Niemiec, zaczęto go stosować w Europie, a także w Kanadzie.

Ale najbardziej solidnym konsumentem zbrojenia kompozytowego były oczywiście Chiny.W tym kraju zastosowano go nie tylko przy budowie mostów, ale także jako pierwszy do projektowania konstrukcji podziemnych i tunelowych.

Co się dzisiaj zmieniło?

Wszystkie powyższe informacje mówią o solidnych zaletach zbrojenia kompozytowego, a jednak nie tylko większość prywatnych handlowców, ale wielu budowniczych nie wie o tym. A ci, którzy nadal wiedzą, są czasami sceptyczni wobec tego materiału.

Aby rozwiać wątpliwości, opiszemy bardziej szczegółowo, jakie wzmocnienie polimerowe jest obecnie produkowane, w jakich obszarach można je stosować, a w których nie.

Odmiany zbrojenia polimerowego

Obecnie istnieje kilka technik wytwarzania armatury niemetalowej, które wykorzystują różne surowce.

Aby wyjaśnić różnicę, zaprezentujemy główne typy w formie tabeli dla jasności:

Jak wygląda wzmocnienie?	Cechy charakterystyczne
Włókno szklane	Zdjęcie pokazuje wzmocnienie z włókna szklanego (GFRP-Rebar) - najczęstsza opcja. Pręty z tworzywa sztucznego o długości do 12 m są wzmocnione ciągłym włóknem szklanym i są wykonane w zakresie średnic od 4 do 40 mm. Takie wzmocnienie jest stosowane jako alternatywa dla stalowego analogu - w konstrukcjach ze zbrojeniem nieobciążonym lub ze zbrojeniem sprężonym.
Bazaltowy plastik	Ten rodzaj zbrojenia (BFRP) różni się od poprzedniej wersji tym, że nie wykorzystuje szkła, lecz włókna bazaltowego do zbrojenia, różni się nie tylko kolorem, ale także ma wyższą odporność na agresywne środowiska. Poziom odporności ogniowej jest w przybliżeniu taki sam, ponieważ każdy polimer może wytrzymać maksymalnie +160 stopni. Idealny do fundamentów i obszarów niewidomych.
Złączki węglowe	To urządzenie, w skrócie CFRP, nazywa się węglem, ponieważ tutaj, w połączeniu z syntetycznymi żywicami termoutwardzalnymi, stosuje się włókno węglowe. W przeciwieństwie do poprzednich opcji, może mieć piaszczyste wykończenie, które widzimy na zdjęciu, jest stosowane nie tylko w budownictwie cywilnym, ale także w budownictwie przemysłowym, a także podczas układania dróg, wznoszenia mostów, konstrukcji morskich i komunikacyjnych. Podkreślamy, że wytrzymałość takiego zbrojenia na rozciąganie jest pięciokrotnie wyższa niż prętów stalowych klasy AIII i 10 razy lżejsza od niego.

Wszystkie opcje wzmocnienia polimerowego mogą być wykonane w postaci kabli, prętów lub prętów profilowanych. Kształty profili przekrojów mogą być również różne: puste, pełne, kwadratowe, okrągłe.

Uzwojenie włókien może się również różnić i, jak widać na zdjęciach, opcja powłoki zewnętrznej. W zależności od średnicy i stopnia elastyczności zbrojenie może być sprzedawane jako pojedyncze pręty lub skręcone w cewki.

Czy są jakieś wady?

Wiele powiedziano o zaletach wzmocnienia polimerowego, ale jego potencjalny użytkownik może mieć uzasadnione pytanie: „Jakie są wady materiału i gdzie jego stosowanie jest niepożądane?”

Tutaj odpowiemy na to w tej części artykułu:

• Nie ma doskonałych materiałów. Każda z nich ma pewne wady, a tutaj wszystko zależy od zastosowania i warunków pracy konstrukcji.
• W szczególności polimer jest gorszy od tej samej stali pod względem odporności ogniowej, ponieważ będąc w grubości betonu, tworzywo sztuczne zaczyna się topić już od +200 Celsjusza. Temperatura topnienia stali jest siedem razy wyższa, więc w niektórych obszarach konstrukcji nie można jej zastąpić tworzywem sztucznym.
• Na przykład zbrojenie kompozytowe nie jest stosowane do produkcji płyt podłogowych. W związku z tym elementy szkieletowe prefabrykowanych budynków wielokondygnacyjnych lub warsztatów produkcyjnych o zwiększonym zagrożeniu pożarowym są wzmocnione stalowymi ramami - i jest zrozumiałe, dlaczego.
• Ale w przypadku fundamentu ten czynnik w ogóle nie ma znaczenia, dlatego ten rodzaj zbrojenia jest odpowiedni dla każdego z jego typów.Proces montażu ramy fundamentowej, od tradycyjnej, jest praktycznie taki sam. Jedyne, co tu jest, to użyć plastikowych opasek do dziania - chociaż możesz również użyć drutu.

• Jedną z niedogodności jest to, że niemożliwe jest nadanie zbrojeniu kompozytowemu pożądanego kształtu przez proste ogrzewanie. Dlatego jeśli konieczne jest wytwarzanie konstrukcji o zakrzywionych kształtach, części ramy dla nich są wytwarzane przez producenta na zamówienie.
• Na tym właściwie kończy się lista niedociągnięć. Obszary, w których zastosowanie zbrojenia kompozytowego jest bardziej korzystne, to znacznie więcej niż ograniczenia.
• Pamiętaj, że takie wzmocnienie jest łatwe do przetworzenia, możesz je wyciąć za pomocą prostej piły do ​​metalu lub, o małej średnicy, użyć szczypiec. W życiu codziennym, oprócz wylewania fundamentów i ślepego obszaru, można go wykorzystać na przykład do budowy szklarni.

Zatem w budownictwie prywatnym zbrojenie z tworzywa sztucznego jest najlepszą i jeszcze bardziej ekonomiczną opcją. Jeśli liczysz na tonę, jest to droższe, ale jeśli weźmiesz pod uwagę, że ze względu na lżejszy ciężar właściwy prętów, jest ich więcej, to korzyść jest bardzo namacalna.