Композитная арматура

      Использование этой арматуры вызывает в околостроительных кругах ожесточённые споры, наподобие того, что вокруг пенопласта: очень красочные, с эмоциями и пеной у рта, с манипуляциями всякими не имеющими отношения к теме цифрами и характеристиками. Признаться, я даже стал рассматривать эту арматуру, как реальную рабочую арматуру для своего фундамента! Меня остановила проблема армирования углов. Мой фундамент весьма "ажурный", так сказать, с очень малым сечением. Честно говоря, он столь миниатюрен, что не вписывается в минимальные требования к бетонным фундаментам. Я это понимал, когда его проектировал, и по этой причине мне жизненно важно было сделать армирование максимально правильно. Это накладывает известные требования на армирование углов, и именно этот аргумент остановил меня на выборе именно железной арматуры. Впоследствии я решил изучить вопрос композитной арматуры более подробно в целях личного развития и хочу отметить, что очень рад тому, что забетонировал железо. 

      Вопреки многочисленным заявлениям о том, что на композитную арматуру не существует ГОСТов - это не так, ГОСТ на неё существует, и зарегистрирован он ещё в 2012 году! Это межгосударственный стандарт, ГОСТ 21938-2011. И даже более того, композитная арматура внесена в свод правил СП 63.13330.2012 "Бетонные и железобетонные конструкции" в виде отдельного приложения Л, в котором подробно описано как считать и что считать при проектировании бетонных элементов с использованием стеклопластиковой арматуры.

      Композитная арматура - неметаллические стержни из стеклянных, базальтовых, углеродных или арамидных волокон, пропитанных термореактивным или термопластичным полимерным связующим и отверждённых. Арматуру, изготовленную из стеклянных волокон, принято называть стеклокомпозитной (АСК), из базальтовых волокон - базальтокомпозитной (АБК), из углеродных волокон - углекомпозитной (АУК), и бывает ещё арамидокомпозитная (ААК) и комбинированная композитная арматура (АКК). В целом же, сокращённо принято называть композитную арматуру АКП. Для сцепления с бетоном на поверхности АКП в процессе производства формируются специальные рёбра или наносится покрытие из песка. Номинальные диаметры выпускаемой арматуры бывают от 4 до 32 мм.

   Благодаря своим физико-механическим характеристикам и техническим преимуществам композитная арматура может являться альтернативой арматуре из металла, как обладающую сочетанием высокой прочности и коррозионной стойкости. Самым существенным и признаваемым всеми отличием этого материала от стальной арматуры является более высокая стойкость к агрессивным средам. Этот факт позволяет широко использовать такую арматуру в дорожном строительстве для сооружения насыпей, устройства покрытий, для элементов дорог, которые подвергаются агрессивному воздействию противогололёдных реагентов, для смешанных элементов дорог. Также применяется для укрепления откосов дорог, для берегоукрепления, в общем везде, где возможен контакт арматуры с водой или иной агрессивной средой. Ещё одно неоспоримое достоинство такой арматуры - ещё малый вес! Она почти в 10 раз легче железной. Следующий козырь в рукаве этого материала - действительно высокий предел прочности при растяжении! Эта арматура может быть до 5 раз более прочная при растяжении, чем металл.

      Для вдохновения предлагаю посмотреть вот такой видео-ролик

Композитную арматуру можно хранить в бухтах
Уголки из композитной арматуры
АКП неплохо подходит для заливки монолитных плит
Композитная арматура
Применение композитной арматуры в дорожном строительстве
Применение композитной арматуры для укрепления берега

      Стеклопластиковая арматура имеет и свои недостатки, которые порой выглядят, как преимущества:

  • Так, несмотря на высокую огнестойкость базальтового волокна, жаропрочность базальтовой арматуры не отличается от стеклопластиковой, так как полимерная матрица не в состоянии выдержать температуры выше 160°С. Следовательно, и бетонное изделие обладает меньшей огнестойкостью.

  • Ещё один минус, который обычно вписывается в плюсы, композитную арматуру нельзя согнуть с малым радиусом изгиба, а значит есть проблема при армировании углов и примыканий ленты фундаментов. Правда, промышленность выпускает отдельно согнутые элементы из стеклопластиковой арматуры (фото слева), однако это увеличивает номенклатуру требуемых на стройке материалов вдвое. И далеко не везде их можно купить. У нас в Бресте я таких ни разу не видел. 

  • Опять свойство, которое вписывается обычно в плюсы, - электропроводность. Производители рекламируют это свойство, как "радиопрозрачность". Эм, ну по-моему, особенно для фундаментов, эта радиопрозрачность нужна разве что кротам. Это свойство вообще для частного застройщика не имеет никакого смысла. Хотя в случае с металлической арматурой можно делать выпуски арматуры из бетона например, для перевязки с другими ж/б конструкциями (плитами перекрытия). Выпуски можно сваривать электросваркой. Железную арматуру можно использовать для электропрогрева застывающего бетона (при наличии специального оборудования), можно использовать её свойства электропроводности для заземления. В производстве преднапряжённых ЖБИ железная арматура подвергается электротермическому напряжению - с композитной так уже не получится. Ну и сюда же можно отнести тот факт, что надёжно соединить сваркой возможно лишь металлическую арматуру.

  • При более высокой прочности АКП основным её плюсом считают возможность использования более тонкой арматуры. Это сомнительный плюс, поскольку с уменьшением диаметра прута пропорционально уменьшается и площадь контакта между арматурой и бетоном, уменьшая предел прочности сцепления с бетоном.

Некоторые утверждают, что в связи с тем, что АКП не боится коррозии, можно смело уменьшать толщину защитного слоя бетона и не бояться, что она где-то случайно выйдет из бетона. Но суть защитного слоя не только в защите арматуры, но и в том, чтобы максимально плотно обхватить арматуру бетоном. Если тонкий защитный слой бетона просто отколется или выкрошится, чем будет удерживаться довольно гладкая композитная арматура в толще бетона? Порой строители специально за несколько дней до укладки железной арматуры поливают её водой для того, чтобы придать шершавость, чем увеличивают и без того в два-три раза больший (по сравнению с АКП) предел прочности сцепления с бетоном. 

 

Теперь давайте сравним АКП и стальную арматуру по цифрам:

  • Предел прочности при растяжении стальной арматуры класса А III .... 360 МПа;

  • Предел прочности при растяжении АКП из стекловолокна (АСК)............ от 800 до 1300  МПа;

  • Модуль упругости стальной арматуры ................... 200 ГПа;

  • Модуль упругости АКП .................................................... 50 ГПа;

   Существует обновлённый свод правил по железобетону, в который уже включена композитная арматура. Там есть очень интересный пункт Л.2.3, в котором говорится: "При расчёте конструкций по предельным состояниям первой группы на действие постоянных и длительных нагрузок расчётное значение сопротивления растяжению АКП следует умножать на коэффициент γf снижения сопротивления растяжению, принимаемый для АСК γf=0,3; для АБК, ААК и АКК γf=0,4; для АУК γf=0,6.  Это значит, что если мы планируем балку нагружать долговременной нагрузкой (например, опереть стену дома), то расчётное сопротивление стеклокомпозитной арматуры следует принимать не 800 МПа, а  800*0,3 = 240 МПа! Т.е. сопротивление растяжению АСК оказывается почти в двое хуже стальной арматуры класса А500!

    Для достоверности, я приведу выдержку из соответствующего документа:

 

    Итак, что мы можем получить из приведённого фрагмента, если проектируем конструкцию длительного использования в условиях эксплуатации - на открытом воздухе?

      Самая популярная композитная арматура - стеклопластиковая - она же самая "слабая" из всех видов композитных арматур - имеет предел прочности 800 МПа. При длительной нагрузке её расчётный предел составит:

Rf = 800 * 0.3 = 240 МПа. 

При использовании конструкции на открытом воздухе расчётный предел прочности ещё уменьшается:

Rf = 240 * 0.7 = 168 МПа.

Ну и делим полученную величину на коэффициент надёжности по материалу, принимаемый по расчёту по первой группе предельных состояний 1.5:

Rf = 168 / 1.5 = 112 МПа.

Расчетное значение сопротивления АКП сжатию, согласно документу, следует принимать равным нулю. Т.е. в сжатой зоне бетона композитную арматуру вообще не применяют в принципе.

 

   Для сравнения, стальная арматура класса А500 имеет расчётное сопротивление растяжению 435 МПа. Конечно, коэффициент надёжности по арматуре тоже следует учитывать. Он равен 1,15.

Rs = 435 / 1.15 = 378 МПа.

Других понижающих коэффициентов для стальной арматуры не применяется.

Расчетное значение сопротивления сжатию стальной арматуры ровно такое-же: Rsc = 435 / 1,15 = 378 МПа.

 

На основании этого документа и простейших расчётов можно составить таблицу равнопрочной замены для условий эксплуатации на открытом воздухе при длительной нагрузке.

 

Равнопрочная замена стальной и композитной арматуры

     Но неужели все производители настолько нагло врут?!   

Да! Именно так и есть! 

Но что же они все пишут в своих таблицах тогда? А пишут они все характеристики, приведённые для кратковременной нагрузки, без учёта коэффициента запаса и без учёта условий эксплуатации!  Это, юридически, обманом-то и не назовёшь - инженеры-строители знают обо всех этих коэффициентах и пока предпочитают экономить на чём угодно, но не на замене стальной арматуры на пластиковую. А то, что частный застройщик не знает правил расчёта и не знаком не то, что с "приложением Л", а и с самим СП 63.13330.2012 - так это проблема застройщика, а не маркетологов!

   Так же можем вычислить относительное удлинение материала при предельной нагрузке. Формула для расчёта представлена в ГОСТе (стр.20, пункт Б.5.3):               ɛ=Р/(Еf·A) 

где Р - разрушающая нагрузка, Н:   P= σ·А, (в свою очередь где σ - предел прочности, МПа; А - площадь сечения)

Ef - модуль упругости, МПа;

А - площадь сечения арматуры.

Подставив и сократив формулу получим, что относительное удлинение ɛ= предел прочности / модуль упругости.

  • Относительное удлинение для стали ..... 0,18%;

  • Относительное удлинение для АКП ........ 1,6 - 2,6%.

Что значат эти цифры на практике? Они означают, что композитная арматура более чем в 10 раз деформативнее, чем стальная. Если мы, к примеру, изготовим две бетонных перемычки длиной 1 метр, заармируем в растянутой зоне одну из них стальной арматурой, а вторую композитной и приложим предельную нагрузку, то результат по прогибу будет составлять для стали 1м·0,18%=1,8мм, для АКП от 16 до 26мм. 

      Я включил композитную арматуру в сортамент армирования в калькуляторе расчёта железобетонных балок, и вы можете легко посравнивать этот материал с классической железной арматурой. Расчёт едва-ли можно назвать удовлетворительным по сравнению со стальной арматурой!!!

      По прочности композитная арматура превосходит стальную только при кратковременных нагрузках, но вот по деформациям она совершенно не годится для армирования растяжённых областей бетона, поскольку бетон просто раскрошится задолго до того, как композитная арматура дойдёт до своего предельного расчётного состояния.

       Всё это очень хорошо и наглядно рассказано в видеоролике Антона Вебера ниже:

Вариант применения композитной арматуры

    Вывод у меня получается такой. Я не буду заносить композитную арматуру в "чёрный список" стройматериалов, но применять её следует с очень чётким представлением её возможностей и ограничений. Подвязывать огурцы, помидоры, делать теплицы... Шучю!  Но в плиты перекрытии, ригели, какие-либо несущие балки я не рекомендую её закладывать в качестве рабочей арматуры. В колоннах её использовать нельзя категорически. В качестве конструктивной - это сколь угодно. Порой армирование вообще бывает второстепенным. Например, при заливке большого по сечению бетонного монолитного фундамента, где прочности самого бетона едва ли не хватает для постройки на нём нетяжёлого дома. Армирование фундаментов по принципу плавающей монолитной плиты тоже вполне допустимо этой арматурой. А вот ростверк фундамента по технологии ТИСЭ лучше армировать железной арматурой.

     Не бывает совсем уж плохих материалов, как не бывает и идеальных! Для каждого материала есть своя сфера применения, и именно там материал и будет хорош. Не нужно ожидать, что если из АКП получается хорошая теплица, то и в бетонной плите тоже будет всё отлично. На данный момент композитная арматура не заменяет стальную, и даже не приближается к этому. Но композитная арматура создаёт новый сегмент рынка, в котором стальная арматура может уступать композиту. К частному домостроению этот сегмент, правда, отношение не имеет.

 

P.S.: Я не смог найти в интернете фотографии, где бы было зафиксировано какое-либо разрушение бетона с композитной арматурой. Возможно, что эта арматура действительно так хороша, как её рекламируют. Но и возможно, что здравый смысл не позволил ещё людям использовать её там, где есть достаточная нагрузка. Время покажет.

Спасибо всем, кто помогает проекту! Любая ваша помощь значима!

Российский руб.

© 2015 «Project - House».  

Сайт Дмитрия Петрова