Волокнистые полимерные композиты (ВПК), активно использующиеся в военных целях, авиа- и ракетостроении, находят все большее применение в гражданских отраслях. Прогнозируется ежегодный прирост рынка ВПК на 11,3% в период до 2025 г. с преобладающей долей сегмента стекловолоконных композитов. Аналогичный прирост, но с меньшими долями рынка, ожидается в ряду «углепластик – базальтопластик – арамидопластик – другие волокнистые материалы, пропитанные полимерной матрицей» [1].

В массовом гражданском строительстве, в частности коттеджном, наиболее широкое применение ВПК получили в виде композитной арматуры (КА) различного назначения [2].

Объектом данного исследования является строительная арматура – как традиционная стальная арматура, так и из ВПК. Предметом исследования является выявление преимуществ и недостатков арматуры различной природы.

Следует отметить, что КА применяется для армирования бетона, в частности в смешанном армировании со стальной арматурой, в виде гибких связей в многослойных стеновых конструкциях, в зонах воздействия агрессивных сред, блуждающих токов и пр. Несмотря на то что КА имеет ряд преимуществ перед стальной арматурой (сочетание легкости и прочности, хемо- и коррозионной стойкости, термостабильности, диэлектрических свойств и др.), в исследованиях отмечаются: недостаточные модуль упругости и огнестойкость, а также невозможность сварки и изготовления гнутых изделий на стройплощадке [3]. Такие особенности КА и необходимость некоторых изменений технологии строительства (повышение огнезащиты сооружений, заказ соединительных элементов или соединение прутков стяжками), ценовые барьеры по некоторым видам КА ограничивают масштабы перехода от стальной арматуры к композитной в многоэтажном строительстве.

Кроме того, ряд исследователей на основе анализа СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения», СП 164.132580.2014. «Усиление железобетонных конструкций композиционными материалами», СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах» и других российских нормативных документов указывают на недостаточность как регламентирующей базы для расчета конструкций с КА взамен стальной, так и документально закрепленных требований контроля качества, методов испытаний, типовых решений, стандартизации изделий и т.д. [4]. Вследствие этого наибольшее использование КА получила в малоэтажном домостроении, конструктивные решения которого не требуют экспертиз и согласований. В связи с этим актуальными являются исследования, направленные на обоснование рациональности использования КА из различных ВПК и стали в малоэтажном строительстве.

Целью исследования является сравнительный анализ металлической и неметаллической КА. Для достижения цели решались задачи:

– анализа преимуществ и недостатков КА из ВПК различной природы;

– рассмотрения характеристик различных типов КА из ВПК;

– сравнения КА из ВПК с традиционной металлической арматурой.

Материалы и методы исследования

В ходе исследования накопленного научно-практического опыта применения КА в строительстве использовались теоретические (анализ, синтез, сравнение, обобщение, поиск противоречий) и эмпирические (ретроспективные изыскания, систематизация опыта) методы.

Вопросы использования ВПК, в частности в виде КА, применяемой для армирования бетонных сооружений, рассмотрены в работах: А. Авдеевой, Ю. Барабанщикова, Р. Бароева, И. Буторова, С. Дрокина, А. Дронова, Н. Макушевой, С. Меркулова, В. Староверова, А. Степанова, А. Цурупы и других авторов.

Особенности КА на основе стекло-, базальто-, арамидо-, углеволокна, их свойства, направления применения, долговечность, способы монтажа и взаимодействие с бетоном исследованы в работах таких зарубежных авторов, как: C. Bakis, C. Burningham, J. Cheng, K. Ibrahim, B. Jarek, R. Sonnenschein, N. ??ranu, J. Zhang, и многих других.

Известно достаточное число исследований, направленных на изучение свойств КА на основе стекло- и базальтового волокна [2], арамида [5] и углеволокна, в том числе демонстрирующих результаты сравнительных испытаний отдельных ВПК и стальной арматуры, исследующих вопросы прочности сцепления арматуры с бетоном, а также способы крепления и соединения армирующих прутков [6]. Однако выявлена недостаточность комплексных исследований, направленных на сравнительное обобщение свойств ВПК различной природы и их применимости в малоэтажном строительстве.

Результаты исследования и их обсуждение

Применение КА в малоэтажном строительстве возможно в армировании фундаментов, при возведении монолитных стен с применением опалубочных конструкций, при возведении многослойных стеновых конструкций с гибкими связями, в процессе ремонта бетонных конструкций, при возведении мостовых сооружений и пролетов на опорах при прибрежном расположении малоэтажных комплексов.

В зависимости от состава КА различают арматуру на основе волокон неорганической природы (стеклянные, базальтовые, углеродные) и органических арамидных волокон, а также гибридную арматуру, включающую волокна различных типов. В качестве полимерных матриц используют эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые и другие смолы. Основной технологией получения КА является безфильерная пултрузия.

Состав арматуры определяет ее свойства, кроме того, от типа волокон и распространенности технологий их производства зависит стоимость КА. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики сверхлегких высокопрочных волокон, доступных на российском рынке для производства КА, и стали.

Согласно таблице 1, плотность волокон и, соответственно, вес КА убывают в ряду: сталь, базальтопластик, стеклопластик, углепластик, арамидопластик. Модуль упругости повышается в ряду: стеклопластик, базальтопластик – арамидопластик, сталь, углепластик.

Таблица 1

Сравнительные свойства волокон в составе КА и стали

Примечание: по данным производителей; * – диапазоны значений в таблице 1 указывают на наличие нескольких марок волокна с различными характеристиками

Таблица 2

Сравнительные характеристики композитов армирующих стержней

Примечание: составлено по данным [9].

Прочность возрастает в ряду: сталь, углепластик, арамидопластик, стеклопластик, базальтопластик. Относительное удлинение (способность воспринимать растягивающие напряжения без хрупкого разрыва) повышается в ряду: углепластик, стеклопластик, базальтопластик, сталь, арамидопластик. Соответственно, достоинства материалов по одним характеристикам сочетаются с низкими значениями других.

Преимущества по стоимости относительно стали имеет только стеклопластиковая арматура [7], занимающая наибольшую долю рынка и наиболее востребованная в малоэтажном строительстве. Стоимость базальтопластиковой арматуры незначительно превышает стоимость сталь, в то время как углепластик и арамидопластик демонстрируют существенно более высокую стоимость, что ограничивает их применение в малоэтажном строительстве.

Наибольшее применение ВПК нашли в производстве арматуры и других элементов малоэтажного строительства в экологически неблагополучных промышленных районах химии, нефтехимии и металлургии, а также вблизи морской воды. В данном случае используют полимербетон, где вместо стальной арматуры применяется стойкая к коррозии композитная стекло-, базальто- или углепластиковая арматура, причем последняя в 2 раза прочнее стеклопластиковой и до 6 раз прочнее стальной арматуры [8]. Среди российских производителей базальто- и стеклопластиковых армирующих стержней можно выделить ООО «Бийский завод стеклопластиков», ООО «Московский завод композитных материалов», ООО «Гален» и иные, а углепластиковой – ХК «Композит». Производство арамидного волокна в России под торговой маркой «Русар» направлено преимущественно на цели оборонно-промышленного комплекса, а недостаточные масштабы и высокая стоимость технологии производства волокна и конечных изделий в виде КА ограничивают их применение в строительстве.

Сравнительные характеристики армирующих стержней из различных типов композитов на основе угле-, стекло- и базальтовых волокон представлены в таблице 2.

Можно отметить наиболее высокую прочность на растяжение (в 2–3 раза), огнестойкость (в 2 раза выше стеклопластика) и упругость углепластика (≈7 раз) относительно стекло-, базальтопластика, в сочетании с более низкой плотностью (низким весом). Однако стоимость углеволоконной КА ограничивает ее широкое применение в малоэтажном строительстве.

По результатам исследования нескольких видов арматуры: базальтовой, углеродной и стеклянной, посредством тестирования армированных ими бетонных элементов на сжатие вдоль армирующих стержней, с определением прочности и деформируемости бетонных элементов и сравнением со стальной арматурой получено, что армирование композитными стержнями приводит к повышению прочности на сжатие бетонных элементов и уменьшению их деформируемости. При испытаниях бетонных элементов с продольным армированием, где сжатие производилось поперек армирующих стержней, существенных отличий в несущей способности не обнаружено. Показано, что комбинированное использование арматуры из композитного стержня и армирующих волокон, распределенных в объеме бетонной композиции, позволяет достичь максимальной прочности и минимальной деформируемости образцов [10].

Установлено, что отдельные виды КА, используемые взамен стальной арматуры на территориях с повышенной угрозой коррозии, в частности когда в составе КА армирующее волокно имеет минеральную природу и наряду с высокой прочностью обладает хрупкостью и недостаточной эластичностью, ограничены к использованию в сейсмоопасных зонах. Непластичный отклик минеральной КА на динамические нагрузки предлагается устранять посредством создания гибридных композитов.

Гибридные армирующие стержни имеют различный состав: включают как непрерывные армирующие волокна, так и рубленое волокно с полимерной матрицей; имеют сердечник из стали или стеклопластика; включают углеродные, стеклянные и/или арамидные волокна. Показано, что сокращению затрат на производство стержня в сочетании с коррозионной стойкостью и устойчивостью к динамическим нагрузкам способствует конструкция со стальным сердечником (8 мм), с оплеткой из непрерывных арамидных и стеклянных волокон, с рубленым углеволокном в полимерной матрице, что позволяет использовать преимущества всех материалов в работе арматуры [11]. Для повышения прочности связи волокнистой компоненты с матрицей применяют различные способы модификации [12], в том числе плазменную активацию для лучшей адгезии высокопрочных волокон к смоле [13].

На примере КА на основе базальтовых волокон показано, что по сравнению с углеродными, стеклянными и другими композитами, а также сталью арматура имеет лучшее высокотемпературное сопротивление и низкую стоимость, более устойчива к коррозионным воздействиям, что важно при малоэтажном строительстве вблизи морской воды. При возведении сооружений в рамках малоэтажного комплекса (мостовые палубы, гаражные элементы), на бетонных опорах, контактирующих с морской водой, где выполнено базальтовое армирование вместо стального, кроме коррозионной стойкости, отмечено повышение прочности и вязкости материала [14].

Также важным является значение диаметра армирующего стержня. Так, испытаниями на сжатие и методом pull-out (вытягивание стержня, на примере базальтовой арматуры) установлено, что с ростом диаметра КА выше 10 мм наблюдалось снижение прочности связи арматуры с бетоном. Для повышения адгезии КА к бетону предлагаются армирующие стержни, покрытые песком, что повышает коэффициент сцепления арматуры с бетоном, при этом с ростом коэффициента армирования данными стержнями повышается жесткость и снижается деформация бетонных образцов. Установлено, что бетон, армированный покрытым песком стеклопластиковым стержнем, имеет модуль упругости в 2 раза более высокий, чем стеклопластиковая арматура без песчаного покрытия [6].

При малоэтажном строительстве в условиях чрезвычайных ситуаций и в сейсмоопасных регионах перспективно изготовление КА из полиэтиленпластика, который превосходит по удельной прочности металлы в 6 раз, стеклопластики в 2,5 раза, углепластики в 1,6 раза, а также обладает повышенной стойкостью к ударным нагрузкам. В результате не происходит хрупкого разрушения композита, а наблюдается рассеяние энергии удара по волокнам из сверхвысокомолекулярного полиэтилена [15].

Заключение

Арматура из ВПК имеет преимущества перед стальными стержнями по удельной прочности, долговечности, коррозионной стойкости, диэлектрическим свойствам и пр. В малоэтажном строительстве наибольшее распространение получила стеклопластиковая КА в связи с низкой стоимостью и широкой доступностью на рынке. Применение КА более эффективно при возведении малоэтажных сооружений на территориях воздействия неблагоприятных факторов (нефтеперерабатывающие, химические предприятия), а также вблизи морских акваторий, где стальные стержни подвергаются коррозии. Диэлектрические свойства КА делают возможным малоэтажное строительство вблизи территорий с блуждающим током и электроосмосом. Возможность поглощать и рассеивать ударные колебания открывает потенциал применения КА, в частности на основе органических полимеров, в сейсмоопасных регионах и зонах чрезвычайных ситуаций.

Для широкого применения КА необходимо дальнейшее совершенствование и масштабирование технологий их получения, так, чтобы повысить конкурентоспособность базальтопластика, арамидопластика и углепластика по цене относительно стали. Кроме того, необходимо стандартизировать методы оценки свойств, расчета конструкций, контроля качества изделий с применением КА. Для получения синергетического эффекта от сочетания свойств отдельных сверхлегких высокопрочных армирующих волокон перспективно проведение дальнейших исследований гибридных конструкций в целях повышения модуля упругости армированных сооружений с сохранением прочности и снижением стоимости.