В статье приводится сравнение стержневой арматуры из композитных материалов с традиционной стальной арматурой для железобетонных конструкций, выполненное на основе 35-летнего опыта проведения исследований арматурных сталей для мостостроения в НИИ транспортного строительства (ЦНИИС).

УДК 691

Л.И. КОРОТКОВ, ЗАО «Строймостмонтаж»

В последнее время активно рекламируется и продвигается на рынок стержневая арматура для железобетонных конструкций из композитных материалов, как правило, из стекловолокна. На выставке MosBuild-2015 была представлена технологическая линия для изготовления композитной стержневой арматуры.

Согласно работе [1] стеклянное волокно появилось в глубокой древности и применялось для украшения сосудов и в качестве женских украшений. И только в 1893 г. в США впервые изготовили стеклянную нить.

До начала XX века стеклянное волокно производили кустарно, и оно было довольно большого диаметра. В середине второго десятилетия в Германии было создано промышленное производство стеклянного волокна для замены дефицитного асбеста. Однако вытягивание нитей выполнялось вручную. Тем не менее выпуск стекловолокна быстро увеличивался, и к 1956 г. объем его мирового производства достиг 500 тыс. тонн.

В середине прошлого века промышленность стеклянного волокна была механизирована и автоматизирована, хотя принцип его получения оставался дедовским. Стекловолокно получали из расплавленной массы, которую пропускали через расположенные на дне емкости фильеры малого диаметра.

Из всех известных в 1950-е годы искусственных волокон стекловолокно обладало наибольшей прочностью. Максимальная прочность фабричного волокна для промышленных образцов составляет 25000-28000 кг/см². При этом в лабораторных условиях получена прочность стекловолокна, равная 390000 кг/см².

Прочность нитей на растяжение, скрученных из прядей, состоящих из двухсот элементарных волокон, значительно ниже суммы прочностей отдельных волокон и обычно составляет около 80% этой суммы. Это вызвано тем, что отдельные волокна не одновременно включаются в работу, и они имеют различную прочность. При этом в нескрученных волокнах их суммарная прочность уменьшается до 60%. При разрыве стекловолокно удлиняется на 1,5-2% с сохранением полной пропорциональности между напряжениями и деформациями до момента внезапного разрушения. Модуль упругости стекловолокна изменяется в пределах 500000-900000 кг/см² при этом модуль упругости нитей ниже и составляет от 280000 до 560000 кг/см². Удельный вес стекловолокна меняется незначительно и составляет 2,54-2,58.

Отмечаются высокая химическая стойкость стекловолокна и его диэлектрические свойства. Однако имеет место разрушение стекловолокна при непосредственном взаимодействии с цементным раствором. Для защиты от внешних агрессивных воздействий и с целью обеспечения совместной работы отдельных нитей в прядях и пучках выполняется их пропитка различными синтетическими смолами.

В начальный период применения стекловолокна в строительстве предполагалось применение его в качестве напрягаемой арматуры в элементах двух типов: стержни из параллельных проволок и стержни из однонаправленного шпона (в настоящее время они называются ламелями).

Необходимость пропитки стекловолокна смолами определяется, как уже отмечалось, уменьшением его прочности при увлажнении и действии находящихся в цементном растворе щелочей. Хрупкость стеклянных волокон при пропитке уменьшается, а сопротивление многократному изгибу и ударам значительно увеличивается. Однако главное достоинство пропитки заключается в обеспечении совместной работы волокон и исключении «цепного» действия разрыва – последовательного разрыва волокон, начиная с самого слабого.

По вопросу об экономической эффективности стеклопластиков как заменителей стальной арматуры в то время большинство исследователей высказывались весьма осторожно. Тем не менее считалось, что в ближайшей перспективе для конструкций, подверженных активной коррозии, например, морских гидротехнических сооружений, возможно и целесообразно применять преднапряженный стеклопластбетон. Использование стеклопластиковой арматуры в мостовых конструкциях не рассматривалось.

Для широкого применения конструкций из предварительно напряженного стеклопластобетона в 1950-е годы ставились следующие задачи:

— установить надежность сцепления пластиков со стеклянным волокном и стержней из стеклопластиков с бетоном во времени;

— выбрать пластик, наиболее эффективный с технико-экономической точки зрения и имеющий высокие прочностные показатели в качестве связующего для стекловолокна;

— исследовать влияние смен температуры и влажности (климатические факторы);

— исследовать влияние многократно повторной и знакопеременной нагрузок;

— повысить прочность стержней из стеклопластика при увеличении прочности фабричного волокна связующего пластика.

Данные требования и задачи являются актуальными и в настоящее время.

Первые известные автору упоминания о стеклопластиковой арматуре, причем в качестве преднапряженной, появились в конце 1950-х – начале 1960-х [1, 2]. В начале 1980-х годов в строительном отделе ВДНХ была представлена опытная стержневая ненапрягаемая арматура из кремния, разработанная во Фрунзенском политехе Киргизской ССР. К сожалению, дальнейшего развития эта разработка не получила. В 1970-1980 гг. на Дальнем Востоке СССР проводились систематические исследования и осуществлялось практическое применение стеклопластиковой арматуры для сборных предварительно напряженных железобетонных балок. Известно применение стеклопластиковой арматуры для предварительного напряжения пролетных строений из клееной древесины [2]. В то время там же неоднократно организовывались всесоюзные научно-технические конференции по проблемам исследования и применения стеклопластиковой арматуры в мостостроении.

Современные композитные материалы состоят из матрицы и армирующего материала. При этом они должны быть совместимыми. В качестве армирующего материала используются стеклянные, углеродные, базальтовые волокна, а также металлическая проволока, кристаллы карбидов, оксидов и пр. Для матрицы применяют металлы, органические и неорганические полимеры, керамику и пр. Отличительные особенности композитных материалов на основе высокопрочных волокон:

– высокая сопротивляемость разрушающих трещин, что обеспечивает их работоспособность при значительных накопленных повреждениях;

– высокое сопротивление усталости;

– удельная масса композитных материалов в 3-4 раза ниже, чем у стали.

В мостостроении композитные материалы наиболее эффективны:

— в напрягаемых арматурных элементах;

— для кабелей и вант висячих и вантовых систем мостов;

— в элементах усиления при ремонте, реконструкции усилении конструкций;

— в мостовом полотне при использовании фибробетона и фиброполимербетона.

Наиболее разработано и освоено направление внешнего армирования приклейкой композитных материалов. При этом возможно не только восстановить, но и повысить несущую способность конструкций.

В процессе создания новой конструкции проектировщик по величине полученных расчетом силовых воздействий подбирает необходимое армирование. При этом учитываются разнообразные особенности работы конструкции и особые свойства арматуры – прочность, пластичность, коррозионная стойкость, свариваемость, работа на выносливость (в том числе сварных или других соединений), а также ее стоимость с учетом перевозки и переработки.

Преобладание сборного железобетона в отечественном мостостроении второй половины прошлого века вполне объяснимо – требовалась всемерная экономия стали. Однако в то же время наметилось «увлечение» использованием высокопрочных сталей в обычном железобетоне без предварительного натяжения. Теоретическое обоснование применения высокопрочных сталей без их предварительного натяжения было выполнено Носыревым в МИИТе [3].

Экспериментальные исследования выполнялись в лаборатории железобетонных мостов отделения искусственных сооружений ЦНИИС.

Эффективность этого приема обосновали опытным проектированием пролетных строений железнодорожных мостов. Особенности трещинообразования определяли испытанием серии изгибаемых образцов длиной 6 м и испытанием плитных пролетных строений на «Бутовском» (в настоящее время «Щербинское») экспериментальном кольце МПС [4].

Автором были выполнены экспериментальные исследования комбинированного армирования на изгибаемых образцах длиной 1,45 м – внешнего армирования пластичной листовой сталью невысокой прочности (на уровне Ст3) и стержневой арматурой классов А-I, А-II, А-III, А-IV и А-V примерно одинаковой несущей способности [5]. В связи с тем что расчетное сопротивление по выносливости практически не увеличивается с ростом прочности арматурной стали, желаемый эффект в железнодорожных мостах и плитах проезжей части автодорожных мостов возможно получить применением высокопрочных композитных материалов, которые отличаются невосприимчивостью к накоплению повреждений и усталостной стойкостью.

В процессе проектирования и последующей многолетней эксплуатации мостовых конструкций выявились эффективные конструктивные решения, включая оптимальное и эффективное армирование.

В последнее время сложилось оптимальное сочетание современных бетонов классов В35-В40 с арматурной сталью класса А-III. Так, в сваях и оболочках оптимальным является использование арматурных сталей класса не выше А-II. В некоторых других элементах армирование назначается из конструктивных требований. Например, требование о шаге размещения хомутов в балках пролетных строений приводит к использованию арматурной стали класса А-I.

Арматуру высокой прочности целесообразно применять в качестве основной рабочей. При этом высокопрочная сталь составляет относительно незначительную часть в общем расходе стали на пролетное строение. Поэтому применение более прочной стали не приводит к существенной экономии металла и, соответственно, стоимости конструкции. Так, прогнозируемое снижение расхода стали при применении арматуры класса А500 на 10% по сравнению армированием сталью класса А-III (по величине предела текучести средняя между сталью класса А-III и А-IV при одинаковой величине предела прочности) могло бы привести к экономии металла до 1,5% по трем построенным нашей организацией путепроводам с использованием типовых автодорожных пролетных строений.

Как правило, стали имеют стадию текучести, которая на диаграмме деформации отличается площадкой текучести. Высоко­прочные стали не имеют выраженной площадки текучести. Для них введено понятие условного предела текучести. Кроме прочности для арматурных сталей требуется определенная довольно высокая пластичность – относительное удлинение в месте разрыва и равномерное удлинение. При высоких величинах напряжений в арматуре, особенно близких к пределу текучести, появляются трещины в бетоне – в растянутой зоне раскрытием порядка 0,3-0,5 мм. Данные трещины указывают о достижении опасной стадии эксплуатации. Тем не менее после текучести до предела прочности стали конструкция имеет запас прочности, и ее обрушение не наступит. Таким образом, отношение значений предела прочности к пределу прочности арматурной стали характеризует надежность конструкции. Так, наиболее распространенная арматурная сталь класса А-III (А400) имеет величину этого отношения, равную 0,67, а упорно продвигаемая металлургами сталь класса А500 – 0,82. Следовательно, надежность конструкции заметно снижается.

Так же и увеличение прочности рабочей арматуры приводит к некоторому снижению надежности, поскольку вызывает или снижение количества стержней, или уменьшение их диаметра. Поэтому при повреждении любого стержня увеличивается опасность коррозионного поражения арматуры малого диаметра, что может привести к существенному снижению несущей способности конструкции.

В таком положении композитная арматура приобретает определенные преимущества из-за своей высокой коррозионной стойкости и стойкости к накоплению повреждений, но при этом необходимо учитывать опасность ее прямых механических повреждений.

К сожалению, вызывает общее недоверие информация, приведенная в некоторых рекламных материалах, – некорректное сравнение прочности: предела текучести стальной арматуры с величиной предела прочности композитной арматуры.

Свойства металлических арматурных сталей определены многолетними исследованиями и проведением предусмотренных нормативными документами проверок механических свойств на металлургических комбинатах и строительными организациями. Стеклопластиковая и базальтовая арматура находится на начальной стадии исследований и наблюдений стабильности ее свойств. При этом существенные трудности возникают вследствие применения предлагаемых установок производства композитной арматуры на мелких предприятиях, где практически невозможно обеспечить контроль качества продукции.

Однако особенное раздражение вызывает недобросовестная реклама некоторых производителей. Так, на выставке MosBuild-2015 одна из компаний в своем рекламном буклете указывала о применении стеклопластиковой арматуры в транспортном строительстве, в частности в мостостроении. Дело в том, что мостостроение относится к категории высшей степени требований по безопасности и экономическим последствиям аварийных ситуаций. Поэтому без тщательных исследований материала специализированной исследовательской организацией (пока еще НИЦ «Мосты» Института транспортного строительства – ОАО «ЦНИИС») и выпуска рекомендаций с последующими изменениями СНиП невозможно его применение в мостостроении. Подобных исследований данная организация еще не выполняла.

Для обеспечения совместной работы стальной арматуры с бетоном на стержни наносятся выступы – арматура с периодическим профилем. Оптимальное очертание, размеры и расстояния между выступами вырабатывались многочисленными исследованиями в различных странах в течение длительного периода времени.

На представленных в экспозициях образцах композитной арматуры явно недостаточная «мощность» периодического профиля, особенно при обещанной более высокой ее прочности. В случае применения гладкой стальной арматуры ее совместную работу обеспечивают специальными крюками – загибами по концам стержней. Композитная арматура не обладает гибкостью стальной, и ее невозможно загибать. Еще необходимо отметить не очень высокую пластичность композитной арматуры (относительное удлинение в несколько процентов), которая соизмерима с деформативностью бетона. Поэтому после появления первых трещин следует ожидать разрушение конструкции. Но основной особенностью, препятствующей широкому применению композитной арматуры, является ее высокая стоимость – в 2-5 раз выше стоимости металлической. Хотя производители композитной арматуры обещают общую экономию от ее применения в 30%.

Основным преимуществом композитной арматуры является ее коррозионная стойкость. И так ли уж разумно прятать ее в бетоне для обеспечения необходимого для стальной арматуры защитного слоя? Поэтому наиболее разумным и эффективным применением композитной арматуры является использование в качестве внешнего армирования в виде ламелей, тканей и нитей, а также в качестве фибры в фибробетоне.

Библиографический список

1. Шпаков Б.П. Стеклопластики как арматура для предварительно напряженных бетонных конструкций. Сборник статей № 32. Всесоюзный институт транспортного строительства. – М., 1959.

2. Майер У. Современные материалы в мостостроении. Симпозиум АиПК «Мосты. Взаимосвязь между технологией и конструкцией». – Ленинград, 1991.

3. Носарев А.В. О возможности армирования бетона высокопрочной арматурой без ее предварительного напряжения / Сб. «Исследование и эксплуатация железобетонных пролетных строений мостов». Труды МИИТ, вып. 279. – М.:, Транспорт, 1968.

4. Коротков Л.И. Исследование изгибаемых железобетонных элементов с внешним комбинированным армированием / Сб. научных трудов ЦНИИС «Исследование конструкций и технологии изготовления железнодорожных мостов». – М., ЦНИИС, 1984.

5. Цейтлин А.Л., Грингауз С.М. О применении сталей высокого класса в качестве ненапрягаемой арматуры мостов / Сб. научных трудов ЦНИИС «Исследование конструкций и технологии изготовления железнодорожных мостов». – М., ЦНИИС, 1984.