Пластиковая арматура - история, эволюция и применение

Пластиковая арматура заинтересовала советских ученых еще в 60-годах XX века. Благодаря постоянным исследованиям, изучению характеристик и свойств армирующих элементов удалось разработать технологию изготовления арматуры с диаметром сечения 6 мм из устойчивого к щелочи стекловолокна (Щ-15ЖТ). На этапах тестирования были тщательно проанализированы и максимально исследованы физико-механические свойства инновационных для мирового строительного рынка изделий.

В процессе изучения специалисты акцентировали внимание на химической стойкости и долговечности эксплуатации стекловолокна и изготовленной на его основе арматуры. С особой тщательностью изучались параметры и прочность арматуры, которая постоянно контактирует с бетонными растворами, кислотными и щелочными агрессивными средами. Ученым удалось определить, что степень устойчивости к внешним разрушающим факторам зависит от качества замасливателей, которые применяются для обработки волокон.

Характеристики инновационного для строительной сферы материала

В результате применения на практике результатов многолетних исследований и тестирований была создана пластиковая арматура с отличными техническими и эксплуатационными параметрами:

Оптимальные показатели сопротивления на разрыв – достигает 1500 МПа;
Высокая плотность – не менее 1,8-2,0 тонн/м3 при содержании волокна 80%;
Начальный модуль упругости до 50000МПа;
Прямолинейная диаграмма неметаллической арматуры при растяжении на разрыв – предельные деформации до 2,5-3%;
Показатели долговременной прочности при эксплуатации в условиях с нормальной температурой и влажностью – не менее 6% временного сопротивления;
Коэффициент линейного расширения до 6-6,5*10-6.

Для повышения сцепления с бетонными растворами на поверхности арматуры перед термической обработкой прутков создавалась спиралевидная навивка стекловолоконной нити. Такое навивание обеспечивало формирование усиленной ребристой поверхности и значительно повышения технических характеристик изделий. Благодаря такой обработке пластиковая арматура находит рациональное применение при создании предварительно напряженных бетонных изделий. Также использование стержней с навивкой стало актуально в конструкциях, к которым выдвигаются повышенные требования по коррозийной стойкости, электроизоляции, немагнитности и радиопрозрачности. Благодаря использованию неметаллических армирующих элементов в сочетании со специальными марками бетонов (полимерными и полимерсиликатными) удалось значительно повысить технические и эксплуатационные характеристики конструкций.

Первые пробы усиления конструкций пластиковой арматурой

В 70-годах прошлого века пластиковая арматура (СПб) нашла широкое применение при усилении конструкций, выполненных из разных марок легких бетонов. Также неметаллические армирующие стрежни стали незаменимым материалом при изготовлении фундаментов, свай, балок, опор, ригелей, эстакад, плит для крепления откосов, опорных конструкций конденсаторной батареи, электролизных ванн, безиоляторных траверсов, а также иных конструкций с повышенными требованиями к прочности и стойкости к внешним агрессивным факторам.

В 1976 году недалеко от городов Рогачев и Червень были возведены 2 склада надвижного типа. Для армирования верхнего пояса арок наклонных несущих конструкций была впервые использована предварительно напряженная пластиковая арматура (4 стержня с диаметром сечения 6 мм). Стержни были расположены в 2 пазах размеров 10*18мм, которые выбраны в нижней пластине наклонных элементов. Приопорные участки несущих элементов конструкции (коньковый и опорный узел) выполнены с использованием деревянных накладок толщиной 20 мм. Пластиковая арматура, использованная на этапах обустройства, обеспечила экономию древесины до 22% со снижением стоимости подготовительных работ на 9%. Масса готовых конструкций снизилась на 20%. Изменение используемых раньше типовых решений обеспечило снижений общей сметной стоимости объекта в 1,7 раз.

Еще один успешный пример замены традиционных материалов на пластиковую арматуру – кислотная станция, расположенная на территории Светлогорского комбината. Над технологическими галереями станции выполнялись перекрытия из полимерного бетона ФАМ с усилением предварительно напряженной неметаллической арматурой с диаметром 6 мм. Усиление распределительной арматуры полки станции выполнялось без предварительного напряжения армирующих стержней. Замена металла на пластиковую арматуру обеспечило снижение трудоемкости и общей стоимости возведении объекта (экономия 57,95 рублей на 1 м2).

Целесообразность применения СПА при эксплуатации ЛЭП

В 1969 году совместными усилиями специалистов ИСиА «Госстрой» Белорусской ССР и ГПИ «Сельэнергопроект» (г.Москва) были проведены масштабные исследования электроизолирующих траверсов для опор ЛЕП (10 и 35 кВт). Уже в 1970 году в Костроме был введен в эксплуатацию опытный участок с установленными опорами ЛЕП 10 кВт, выполненными с применением стеклопластобетонных траверсов.

Через 2 года (1972г.) в Ставропольском районе открыт опытный участок с установленными опорами ЛЭП (35 кВт), выполненными с применением электроизолирующих траверсов, для изготовления которых использована пластиковая арматура и легкие бетоны. Конструкция состояла из 3 предварительно напряженных лучей, соединенных болтами со стальной пластиной и закрепленных при помощи хомутов на вершинных ж/б опор.

В 1975 году в Гродно и Солигорске также вводятся в эксплуатацию 2 опытных участка линий электропередач с мощностью 10 кВ со стеклопластобетонными трехлучевыми траверсами. Была установлена сложная сборная конструкция: 2 горизонтальных предварительно напряженных элемента с проводами и 1 вертикальный с проводом на вершине. Сборная траверса была зафиксирована на бетонной опоре с помощью стальных хомутов с пластинами. Основа траверсов – электроизолирующий бетон с усилением 4 стержнями пластиковой арматуры с диаметров 6 мм.

**Применение безизоляторных траверс из стеклопластобетона обеспечило значительный экономический эффект. Экономия составляла 61,01 рубль на каждом километре линий электропередач.

Экономичность применения пластиковой арматуры при строительстве мостов

Специалистами кафедры политехнического института г. Хабаровска был разработан проект «Мосты и тоннели». В 1975 году сдан в эксплуатацию деревянный клееный мост длиной 9 метров, выполненный по этому проекту. Балки возведенного моста были выполнены с соблюдением технологии поперечного сечения: брусья из ели усилены 4 предварительно напряженными пучками, для каждого из которых использована пластиковая арматура (4 стержня с диаметром 4 мм).

Второй мост, армированный СПА, возведен в 1981 году в Приморском крае через реку Шкотовка. Строение представляет собой конструкцию из шести металлических двутавров (№45) с предварительно напряженными неметаллическими затяжками. Затяжки были выполнены из 12 стержней пластиковой арматуры с сечением 6 мм. Усиленные балки объединены монолитными плитами, из которых сформирована проезжая часть. Параметры моста были очень внушительны: длина 12 м, расчетные нагрузки Н-30 и НК-80, габариты проезжей части и тротуаров Г8+2*1м.

Еще один экспериментальный автомобильно-пешеходный мост с армированием неметаллическими стержнями возведен в 1989 году в Хабаровском крае. 5 ребристых балок были установлены в поперечном сечении строения длиной 15м. Балки выполнены по технологии комбинированного армирования: 4 пучка, состоящих из 24 стержней СПА с диаметром 6 мм и 1 типовый пучок из стальной проволоки (арматура А-I/А-II).

История применения СПА в зарубежных странах

В 80-х годах ХХ века в Германии (Дюссельдорф) впервые была использована пластиковая арматура при усилении мостов из бетона. Автомобильно-пешеходный двухпролетный мост шириной 15 м с армированными стеклопластиковыми стержнями пролетами 21,3 и 25,6 м имел максимальную неподвижную нагрузку для транспорта до 600 кН. Такие параметры значительно превышали показатели всех конструкций, которые ранее эксплуатировались на территории страны.

В Японии в 1986 и 1988 г.г. были введены в эксплуатацию мосты с принципиально новой технологией армирования с применение углепластиковых стержней. Также неметаллическая арматура начала интенсивно использоваться в процессе сооружения, реконструкции японских портов и пирсов.

В США 90-е года прошлого столетия являются пунктом отсчета в использовании высокотехнологичной стеклопластиковой арматуры Parafil (впервые стержни применены при обустройстве фундамента и реконструкции полов в рамках проекта по реставрации госпиталя Сан-Антонио в штате Техас). Высокая коррозийная стойкость и прочность канатов из пластиковой арматуры обуславливают применение нового армирующего материала в условиях повышенной химической активности и влажности, в которых полностью разрушаются стальные элементы. Канаты обеспечивают изготовление балок, плит, элементов конструкций, которые не теряют своих свойств при эксплуатации в морской воде.

По опыту европейских стран пластиковая арматура Parafil активно используется в процессе строительства бетонных мостов (для армирования пролетов, балок, соединения отдельных элементов конструкции). Также армирующие канаты нашли широкое применение при ремонте бетонных конструкций на территории разных штатов, в качестве вант на платформах для добычи газа и нефти в открытом море.

Великобритания по праву считается инноватором в сфере применения СПА. Английская компания Statestyle, Ltd разработала новую технологию производства сеток Fibremesh-G из стеклопластика: на поверхность конструкции из пластиковых стержней наносится специальная пропитка из смеси полиэфирных смол, которые при застывании образуют плотный защитный слой, не подвергающийся разрушению. Сетки активно применялись в строительстве при выполнении общестроительных и отделочных работ.

Где используется пластиковая арматура?

В 2000 году правительство Москвы подняло вопрос о возобновлении тестирования и исследований в области разработки армирующих элементов увеличенного срока службы, выполненных из базальтопластиковых волокон. На основании разработанного проекта были возведены 2 опытные установки, которые позволяли производить в промышленных масштабах арматуру с внедрением безфильерной технологии и пултрузии. Благодаря безфильерной технологии удалось значительно повысить производительность при изготовлении неметаллической арматуры с использованием волокон стеклопластика и базальтопластика.

Замена традиционной стальной арматуры на пластиковую была признана экономически и технически обоснованной. Пластиковая арматура (СПб), в отличие от стальной, не подвергается коррозии, которая становится причиной разрушения бетонных конструкций и защитного слоя, снижению технических характеристик эксплуатируемого объекта. Применение неметаллических армирующих элементов значительно увеличивает межремонтный период, сокращает расходы на обслуживание объектов разного назначения и сохраняет их эстетическую привлекательность.

Сегодня рекомендовано применение базальтопластиковой арматуры при работе с бетонами, которые отличаются пониженными защитными свойствами при контакте со стальными армирующими элементами:

Бетон на основе портландцемента, в составе которого содержание щелочи не превышает 0,6%;
Растворы с основой из пуццоланового цемента, смешанных вяжущих, шлакопортландцемента;
Монолитный бетон, содержащий противоморозные хлоридные добавки без щелочей;
Крупнопористые бетоны, которые используются для изготовления дренажных труб;
Легкие пористые и ячеистые монолитные бетоны.

Пластиковая арматура на основе базальтовых волокон рекомендована к применению:

В процессе армирования конструкций, которые эксплуатируются в условиях постоянного воздействия хлоридных сред – тротуарные, дорожные, аэродромные плиты;
При формировании наружного слоя 3-слойных панелей;
В качестве гибких связей для обеспечения привлекательности зданий, сооружений (исключение образования высолов и потеков ржавчины);
При обустройстве слоистых перегородок;
При строительстве, ремонте и реконструкции объектов, которые подвергаются постоянному воздействию тока.

**После выполнения анализа на основании экспериментальных данных за более длительный период исследования область применения БПА может быть значительно расширена.

Эффективность применения пластиковой арматуры

Согласно с данными обследования и тестирования 3 пролетов мостов, для обустройства которых использована предварительно напряженная пластиковая арматура, можно сделать следующие выводы:

Эффект предварительного напряжения арматуры сохраняется для пролетных строений (мостов), выполненных из клееной древесины на протяжении 31 года;
Пластиковая арматура (СПб) сохраняет достоинства предварительного напряжения в пролетных строениях из стеклопластобетона не менее 17 лет;
Железобетонные строения с предварительно напряженной арматурой не теряют своих характеристик 25 лет;
Использование арматуры из стеклопластика целесообразно в качестве анкеров для несущих конструкций, основа которых выполнена с применением эпоксидных смол.

Пластиковая арматура на основе волокон стекло- и базальтопластика значительно расширила возможности внедрения новых технологий в области дорожного, промышленного и гражданского строительства.