Опыт использования композитов для бетонирования за рубежом – по материалам статьи в «Composites Technology»

Композитные материалы зарекомендовали себя комплексом преимуществ для армирования бетона. Бетон за счет своей доступной стоимости и эксплуатационных характеристик стал действительно широко распространенным материалом, относясь к числу уверенных лидеров в строительной отрасли. В статье мы рассмотрим принципы выполнения стойкого бетона, который будет надежно противостоять возможным структурным нагрузкам и внешним воздействиям, обеспечивая надежность и долговечность эксплуатации.

Бетон сам по себе является композитом, поскольку его состав образован песком и гравием, которые между собой связаны цементом, и металлической арматурой для повышения прочности. Подтверждены отличные характеристики бетона при сжатии, однако при растяжении возникают проблемы. В частности, при растягивающих напряжениях, подобно пластической усадке при отверждении, возникают трещины – в них попадает влага, провоцируя в дальнейшем коррозию металлической арматуры. Разрушение металла при этом значительно сказывается на общей монолитности бетона.

Давно рассматривались армирующие пластиковые волокна (как правило, базальтоволокно и стекловолокно) в качестве материалов для повышения характеристик бетона. Различные ассоциации занимались созданием специфик и методов тестирования материалов, для которых производилось армирование посредством пластиковых волокон. Множество подобных материалов на бетонной основе допущены к эксплуатации, приобретя широкое признание в сфере строительства. В ACI's Committee 440, основанном для обеспечения конструкторов и инженеров сведениями по композиционным материалам, отметили – существующие конструкторские документы теперь дополнены также методиками тестирования. Регламентированы методики тестирования руководством ACI's Committee 440. Его инженеры ведут также работу над составлением редакции данного доклада 1996-го года, чтобы обеспечивать для специалистов по бетону обновленные сведения по новым рынкам и приложениям. Сегодня стабильно расширяется сферы использования композитных армирующих сеток и композитной арматуры для строительства.

Выбор композитной арматуры – перспективные особенности технологии

Композитной арматуре в течение последних 15 лет удалось пройти уникальный путь, начиная с экспериментального прототипа, став со временем эффективным и широко востребованным заменителем стали для реализации множества проектов в сфере строительства, особенно учитывая повышение цен стали.

В компании Hughes Bros, специализирующейся на выпуске материалов на основе полимерной арматуры, отметили – стеклопластиковая арматура приобрела широкое признание на современном рынке, став действительно перспективным направлением. При этом сегодня знания и сведения специалистов по данному материалу значительно превышают информацию по состоянию 10 лет назад.

Для реализации различных строительных проектов, в числе которых пункты взимания дорожной платы с применением технологии радиочастотной идентификации либо помещения магниторезонансной томографии в поликлиниках, единственным выбором может быть только композитная арматура. В ряде аналогичных проектов невозможно применение металлической арматуры, поскольку будет интерферировать с электромагнитными сигналами.

Полимерная арматура характеризуется не только радиопрозрачностью, но также высокой стойкостью к воздействию коррозии и достаточно легким весом – примерно в 4 раза ниже по сравнению с металлической арматурой аналогичной прочности. При этом полимерная арматура представляет собой теплоизолятор (становится препятствием для протекания тепла в конструкциях, не становясь «мостиком холода»). Среди наиболее известных западных производителей на рынке композитной полимерной арматуры следует отметить бренды Pultrall и Hughes Bros.

Основная технология выпуска полимерной арматуры представлена пултрузией с применением ровинга из Е-стекла и винилэфирной смолы. «Aslan» - линейка арматуры в каталоге компании Hughes, которая производится со спиралевидной закруткой, чтобы обеспечить волнообразный профиль. «V-ROD» - линейка арматуры от компании Pultrall, которая выпускается без спиралевидной закрутки ровинга. Арматура этих двух видов выполняется с наружным покрытием – на производстве происходит напыление песка, чтобы повысить шероховатость для лучшего сцепления материала с бетоном. Специалисты обращают внимание – для повышения стойкости к воздействию щелочей в цементе и коррозии требуется использование высококачественной винилэфирной смолы, важное значение отводится грамотному подбору размера волокон.

Учитывая отличия механических характеристик стекла по сравнению со сталью, разработка структуры бетона с использованием композитной полимерной арматуры ведется по нормам с ACI 440.1R-03; руководством для проектирования бетонных конструкций с армированием стеклопластиковой арматурой. Компании Pultrall и Hughes входят в Совет Производителей композитной арматуры, работающий под покровительством со стороны Американского Общества Производителей Композитов. Данные компании совместно с ACI являются непосредственными участниками в процессе формирования минимальных норм и требований, которые выдвигаются в отношении полимерной арматуры.

Композитная арматура не может быть согнута подрядчиком на строительном объекте, чтобы добиться необходимой формы – но специалисты особой проблемы в этом не видят. К примеру, аналогичная проблема характерна и для металлической арматурой со слоем эпоксидной смолы. Однако стеклопластиковая арматура может быть согнута непосредственно на стадии производства, следуя требованиям инженерного проекта и самих инженеров. Новые методики тестирования бетона с армированием композитной арматуры предоставили конструкторам и собственникам гарантию и непосредственную уверенность – вести себя готовая конструкция будет именно так, как было заявлено и планировалось. Планируется привести руководство по тестированию к нормам стандарта ASTM.

Компания CPPI из Далласа – эксклюзивный поставщик арматуры серии «V-ROD» на территории США. Президент CPPI Сэм Стир в своем докладе отмечает особенности ряда последних проектов, в рамках которых применялась арматура. В том числе возведенный мост в штате Индиана – на шоссе I-65 в Графсте Ньютон. В конструкцию моста входят 3 пролета – общая длина 58 м., ширина 10.5 м., с бетонным полотном, армированным полимерной арматурой. Бетонное полотно расположено наверху I-образных стальных балок, поддержка которых обеспечивается за счет бетонных опор.

Полотно моста выполнено в виде бетонной плиты 203 мм. толщиной – с усилением посредством стальной арматуры, для которой выполнено антикоррозионное эпоксидное покрытие в нижней половине. Для верхней половины предусмотрено применение композитных прутков «V-ROD» с коррозионной стойкостью, учитывая высокую вероятность взаимодействия с солями, которые задействованы против обледенения.

Для армирования предусмотрено применение арматуры 2 типов, между центрами стержней расстояние составляет 152 мм. В частности, применялась арматура #5 (диаметром 16 мм.) в поперечном направлении, в продольном – арматура #6 (диаметром 19 мм.). Используется удаленное соединение, чтобы обеспечивать постоянный контроль характеристик бетонного полотна – размещены на всей конструкции оптоволоконные сенсоры. Мониторинг обеспечивают специалисты в Университете Purdue University. Данный проект стал первым опытом применения композитной арматуры для возведения мостового полотна, обеспеченного Департаментом перевозок штата Индианы.

Также недавно применялась и стеклопластиковая арматура «Aslan 100» из ассортимента Hughes Bros. Она использовалась для проекта бетонного моста на территории Моррисона – в штате Колорадо. Строительством данного моста занимался Департамент Перевозок Колорадо в рамках сотрудничества с Графством Денвер Паркс и Департаментом Восстановления. Мост перекрывает Бир Крик – его длина составила 13.8 м.

Для моста было предусмотрено применение стеклопластиковой арматуры – для опор, оснований, парапетов, откосных крыльев стены, изогнутой монолитной бетонной арки. Наверху бетонной арки располагается монолитная композитно-бетонная плита, производством которой занимались инженеры Kansas Structural Composites. Вмонтирована в литые элементы арматура нескольких типоразмеров, в том числе #6, #7, #5 (диаметром 19 мм.). Для выпуска разработанной конструкции требовалось предварительно произвести в заводских условиях большое число сложных форм и гнутых скоб – отмечается в сообщении Гремела.

Также отмечает успешность проектов с использованием композитной арматуры и инженер компании CDOT Марк Леонард. Он обращает внимание, что выбор в пользу арматуры «Aslan» от производителя Hughes делался с учетом лояльной стоимости – ниже других конкурентов. Полотно моста подвержено минимальной транспортной нагрузке в условиях низких скоростей, однако в работе конструктора моста Парсонса Бринкерхофа тщательно соблюдались действующие конструкторские рекомендации ACI, при сертификации материалов было предусмотрено использование последних методик тестирования ACI440.3R-04.

Специалисты отмечают перспективы рынка композитной арматуры, который будет приобретать большую конкурентоспособность, когда положение нового материала (базальтовое волокно) еще больше упрочнится.

Производитель базальтового волокна Sudaglass Fiber Technology (Хьюстон), предприятия которого находятся также на территории России и Украины, располагает заделом на производственных мощностях в северном Техасе – подтверждает Грэхам Смит, президент компании «Sudaglass». Он обращает внимание, что арматура, произведенная на основе эпоксидной смолы и базальтового волокна, выпускается также по технологии пултрузии на Украине – находится на стадии сертификации и для строительства в США.

Для базальтового волокна характерна немного большая плотность по сравнению со стеклянным волокном. Но всё же базальтовое волокно может приняться в гораздо большем температурном диапазоне от -260°C до 982°C, стекловолокно, к примеру, может применяться лишь в пределах от -60°C до 650°C. За счет температуры плавления 1450°C базальт может применяться для конструкций, которые должны обладать высокой стойкостью к воздействию огня.

Грэхам Смит также обращает внимание на отличную стойкость базальта к воздействию щелочной среды бетона без специальных сортировок по размеру, которые приходится применяться при защите стеклянного волокна.

Вне зависимости от выбора армирования, композитная арматура предполагает перспективные возможности для применения. Глава направления неметаллического армирования Hughes Bros. Дуг Гремел подводит итог своего доклада – практическим результатом для хороших конструкторов и инженеров становится возможность благодаря композитной арматуре повысить долговечность конструкции на 10-20 лет, переплатив при этом только 5-7%.

Особый потенциал композитных сеток в сборных бетонных панелях

С 2002-го года, когда появилась первая публикация в «Composites Technology», посвященная полимерным сеткам в бетонных конструкционных панелях, продолжался стабильный рост рынка. Сегодня данная технология нашла поистине широкую сферу применения, обеспечивая действительно высокий потенциал на будущее – полагают специалисты.

В том числе над этим направлением работает группа AltusGroup – представляет собой консорциум, включающий 5 производителей на рынке бетонных панелей, также компанию-производителя арматуры TechFab LLC. Целью консорциума было продвижение перспективной технологии CarbonCast. Её применение предполагает использование для вторичного армирования сборных конструкций не традиционной арматуры и стали, а недавно представленных на рынке углеродно-эпоксидных сеток серии C-GRID.

«C-GRID» - представляет собой крупную сетку из жгутов, выполняется на основе эпоксидной смолы и углеволокна. Применяется для архитектурных приложений и бетонных панелей в качестве замены вторичной стальной армирующей сетки. Меняется размер сетки в зависимости от типа заполнителя, бетона и требований в отношении прочности панели.

AltusGroup предлагает продукцию «CarbonCast», в том числе покупка не строительных изолированных панелей, конструкционных панелей и наружной облицовки. Обычно «C-GRID» становится заменой вторичных армирующих элементов, производимых ранее на основе стальной сетки. Первичным армированием, как и прежде, остается обычная металлическая арматура. Производство «C-GRID» ведется в рамках запатентованного, непрерывного полутканного процесса. Находятся размеры ячейки сетки в диапазоне 25.4-76 мм. конкретное значение зависит от типа бетона, требований по прочности панели и размера фракции наполнителя. Поверхность сетки во время производства приобретает определенную шероховатость – для повышения величины сцепления сетки и бетона.

Также линейка «MeC-GRID» от TechFab включает выбор сеток, выполненных на основе арамидных, стеклянных и других полимерных волокон в сочетании со смолами любого типа. Востребованным использование сеток на основе углеволокна и прочих волокон становится в сферах строительства и ряде других областей, включая ремонтные работы, восстановление и выполнение декоративных элементов.

Специалисты обращают внимание на комплекс важных преимуществ панелей «CarbonCast» - очень легкий вес, по свойствам растяжения практически в 7 раз превосходя сталь. Значительно сокращена опасность разломов при усадке в процессе высыхания. Также, используемая для панелей сетка «C-GRID» не поддается коррозии – в результате удается избежать внешне неэстетичных пятен, образующихся на бетонных панелях, при армировании которых применялась традиционная металлическая арматура.

С учетом коррозионной стойкости, возможно применение укрывного покрытия бетона лишь 6.35 мм. толщиной – для сравнения, при защите стальной сетки от влаги может требоваться использование слоя до 76.2 мм. толщиной. Следовательно, удается сократить вес панели на 66% в сравнении со стандартными панелями. С учетом более легкого веса панелей снижается и весь вес стены – требуется меньшая стальная подструктура. На выходе – существенная финансовая экономия на строительных работах.

«C-GRID» практически не проводит тепло, изоляция панели не меняется. Пилой можно прорезать в сетках отверстия на месте выполнения работ. Подобной возможности при работе со стальной сеткой для армирования нет. Все приведенные свойства материала позволяют добиться ощутимой финансовой выгоды при строительстве.

Реализованы сегодня уже свыше 3 миллионов квадратных футов панелей «CarbonCast». При этом высокий спрос на продукцию побудил «TechFab» задуматься над масштабными планами для дальнейшего развития. На новой фабрике начала действовать добавочная линия выпуска сетки. В том числе в рамках данного проекта заключен договор с предприятием Zoltek Corp., занимающимся поставками волокна «Panex 35», которое применяется для «C-GRID». Благодаря данному соглашению удастся наладить планомерные поставки волокна в первые годы запуска продукции.

Подобные панели уже применяются во множестве проектов, включающих строительство церквей, кинотеатров, парковочных гаражей. Последний проект – офисно-складской комплекс «Cardinal Health» площадью 332 тыс. квадратных футов возле Балтимора.

Отлиты для этого проекта были панели CarbonCast» до 15.5 м. длиной – с целью формирования 2-этажных наружных вертикальных стен. Выполняется каждая панель в виде сэндвич-структуры с изоляционным слоем пены 152 мм. толщиной между облицовочными слоями (наружная кирпичная перегородка 50 мм. толщиной и внутренняя кирпичная перегородка 100 мм. толщиной). Перпендикулярно к поверхностям панелей располагается «C-GRID» для соединения наружной и внутренней облицовкой, с усилением на срез – обеспечивает функцию гибкой связи.

Прочность и основные преимущества армированного волокнами бетона

Короткие волокна для улучшения свойств бетона применялись десятилетиями, можно говорить – и веками. Поскольку сегодняшние исследования подтверждают – было предусмотрено добавление конского волоса для армирования строительных растворов еще во времена Римской империи. Под действием армирования волокнами возрастают упругость и прочность бетона (способность пластической деформации без процесса разрушения). Такой эффект достигается за счет удерживания части нагрузки при повреждении матрицы, становясь препятствием для роста трещин.

Проведено исследование доктора Виктора Ли, представляющего Университет Мичиган, на тему свойств цементных композитов с армированием волокнами, также бетона армированного волокнами. Доктор Виктор Ли отмечает прекрасные перспективы материала, признание которого будет лишь возрастать в дальнейшем, пока удается сохранять подобное соотношение высоких характеристик, простоты исполнения и вполне лояльных цен.

Специалист обращает внимание, что благодаря данному материалу отрасль может отказаться от арматуры, работающей на срез. В результате удастся добиться значительной экономии трудовых и финансовых ресурсов. Благодаря прореживаемой структуре удается снизить её собственный вес и объем материала, транспортировка оказывается гораздо проще. Общее сокращение по данным факторам способствует полной компенсации затрат на приобретение армированного волокнами материала. После официального признания бетона армированного волокнами разработаны стандарты и руководства его использования – начинается расцвет коммерческого использования данной технологии.

Французский гигант на рынке строительных материалов Lafarge SA продолжает продвижение своего армированного волокнами бетонного материала в линейке «Ductal» уже на протяжении десяти лет. Концерн в своей работе ориентирован на обширный перечень архитектурных приложений и объектов гражданской инфраструктуры.

«Ductal» представляет собой смесь цемента, кварцевой муки, кварцевой крошки, пластификаторов, мелкого кварцевого песка, органических либо стальных волокон (как правило, длиной 12 мм.), а также воды. Вице-президент компании Вик Пери обращает внимание, что сочетание мелкозернистых порошков, которые подобраны по конкретным размерам зерен, обеспечивает максимальную полость при отвержении – удается избежать пористости, проникновения влаги и коррозии стальных волокон.

Обычно свое применение волокна из поливинила находят для реализации декоративных и архитектурных приложений, предотвращения поверхностного травления, которое возможно в случае коррозии стальных волокон. Также применяются при удалении абразивности в местах, в которых человек может контактировать с поверхностью. Материалы поставляются производителям бетонных изделий и поставщикам растворов непосредственно в мешках.

Материал за счет добавления волокон обретает возможность пластичной деформации, выдерживая растягивающие нагрузки. За счет волокон удается добиться повышения прочности и микроструктурных свойств.

Нагрузки на сжатие, которые способен выдерживать материал «Ductal», зависят от используемых волокон – могут составлять в пределах 150-200 МПа. К примеру, стандартный бетон имеет аналогичный показатель в диапазоне 15-50 МПа.

Подтвержденная прочность на изгиб – 40 МПа. «Ductal», армированный стальными волокнами компании, применялся в сфере сборного строительства, также для ряда предварительно напряженных мостовых балок. 20-метровый перевозочный мост во Франции конструировался с использованием десяти I-образных балок, выполненных из материала «Ductal» - поддерживающих монолитную бетонную плиту (170 мм. толщиной, армированную стальной арматурой).

Сборные балки без использования арматуры были углублены на 600 мм., предварительно напряжены стальными плетеными кабелями 13 мм. толщиной, которые расположены в нижней кромке. Прикладывается напряжение на кабели перед заливкой «Ductal» в форму балки. После покрытия кабелей бетоном, когда начинает твердеть материал, производится их обрезание – что и прикладывает напряжение сжатия к бетонной массе.

Когда предварительно напряженная балка подвергается любому изгибу, она не сталкивается с растягивающими нагрузками. Она будет «разжиматься» со значительным повышением собственных характеристик. Учитывая высокую прочность «Ductal», армирование арматурой для балок не требуется – тоже способствует легкому весу.

Структуры из Ductal (балка коробчатого сечения без нижней кромки) применяются в качестве настила и балок на опытном мосту, который установлен на тестовом пути. В Лаборатории Федральных магистралей США. Проект предназначен для изучения пригодности дизайна к строительству высокоскоростных трасс в будущем. Конструкция балки-настила позволяет выдерживать высокие нагрузки, прописанные Американской Ассоциацией Государственных Магистралей и Перевозок. Для балок Ductal характерна большая протяженность при аналогичном весе. Следовательно, можно рассчитывать на использование армированного волокнами бетона для балок и мостовых настилов.

Компания SI Concrete Systems – известный производитель на рынке армирующих волокон для бетона. В каталоге компании представлены серии Fibermesh, Novomesh и остальная продукция из волокон, становящихся альтернативой легкой арматуре и вторичной армирующей сетке из стальных нитей в офисных и жилых проектах.

SI обеспечивает комплексный выбор стальных волокон, полипропиленовых волокон, микросинтетических волокон, промышленных смесей. Продукты, выполненные на основе полипропиленовых волокон, становятся необходимыми, чтобы контролировать раннюю стадию трещин, наступающую по причине пластической усадки. Подобный контроль требуется, чтобы своевременно предотвратить увеличение данных щелей, перерастающих в крупные щели при высыхании бетона.

«Novomesh 950» - новый продукт в каталоге производителя. Его состав включает смесь отборных, микросинтетических фибрилированых и необработанных макросинтетических волокон. Качественный результат данного продукта сопоставим с применением стальных волокон, которые предназначены для промышленных плит перекрытий.

Компания Kingspan – известный на международном рынке специалист в сфере бетонного строительства. В практике компании применяются волоконные добавки для бетона бренда Bekaert Building Products. На производстве компании Bekaert используются формованные стальные волокна торговой марки Dramix, которые добавляются в бетон при изготовлении кровель и полов без армирования стальными сетками.

Продукт обеспечивает идеальные условия для строительства в ограниченные сроки – в том числе примером становится проект расширения 3-этажного Spurriergate, который имеет историческое значение для британского города Йорк.

Поскольку армирование стальной сеткой для бетона не требуется, изначально удается сэкономить на её стоимости и связанных с использованием сетки трудозатрат, в том числе при доставке рулонов арматуры, с её резкой и установкой в многоэтажном здании до заливки бетона.

Установлены бетонные полы с армированием волокнами в единой операции – с возможностью удобной и простой доставки материала, армированного волокнами, к каждому полу с помощью автоматического насосного оборудования.

Предварительные конструкторские руководства Франции, Австралии, США и Японии сейчас предоставляют допуски и методические указания для армирования волокнами бетона. Подобные тенденции свидетельствуют о стремительном росте популярности и признания данного материала профессиональными инженерами, конструкторами и другими специалистами современного рынка инфраструктуры. Эксперты обращают внимание, что материал обеспечивает выгодное для потребителей соотношение улучшенного внешнего вида, оперативности строительства, высокой стойкости к коррозии и отличной эластичности. Всё это позволяет значительно сократить расходы при выполнении работ и дальнейшем обслуживании в течение длительного срока эксплуатации.