Лідер по виробництву бетону в Україні з 2007 року
все статьи раздела    /    Производство товарного бетона

Бетон и композиты


Бетон является недорогим и многогранным строительным материалом, который используется во многих приложениях. В этой статье дана информация о том, как сделать бетон стойким к различным внешним воздействиям и нагрузкам, что позволит обеспечить его длительное функционирование.

Бетон является истиным композитом и состоит из гравия и песка, которые связаны между собой при помощи цемента, а металлическая арматура обычно добавляется для усиления прочности бетона. Бетон великолепно ведет себя при нагрузках на сжатие, но при растяжении становится хрупким и непрочным. Растягивающие напряжения, как и усадка бетона во время отверждения, приводят к появлению трещин, в которые попадает вода. Это в свою очередь приводит к коррозии металлической арматуры, ее разрушению и существенной потере целостности бетона.
Пластики, усиленные волокнами (базальтопластик и стеклопластик) уже давно рассматриваются в качестве материалов, позволяющих улучшить характеристики бетона. ?нститут Бетона Америки и другие группы, такие как Японское Сообщество Гражданских ?нженеров, помогли разработать спецификации и методы тестирования материалов на основе усиленных волокнами пластиков, многие из которых уже допущены к использованию и прочно закрепились в строительстве, где используется бетон и бетонные конструкции. «В дополнение к конструкторским документам теперь есть и методики тестирования материалов», - говорит Джон Бюсел, председатель ACI's Committee 440, общества, основанного в 1990 году с целью обеспечения инженеров и конструкторов информацией о композитных материалах. Методики тестирования описаны в руководстве ACI's Committee 440. «Мы также продолжаем уверенно работать над редакцией нашего доклада 1996 года, который обеспечит специалистов по бетону обновленной информацией с указанием новых приложений и рынков», - говори Бюсел.

Композитная арматура и изготовленные из нее армирующие сетки находят применение в различных приложениях. Также уже разработаны материалы на основе усиленного волокнами бетона, материала, в котором для армирования используются стальные или полимерные волокна. Такие усиленные волокнами бетоны (фибробетоны) используются при изготовлении настилов, напольных плит и сборных конструкционных частей.
КОМПОЗ?ТНАЯ АРМАТУРА

За последние 15 лет композитная арматура прошла путь от экспериментальных прототипов до эффективного заменителя стали во многих приложениях. «Стеклопластиковая арматура используется очень часто, и это весьма конкурентный рынок», - говорит Дуг Гремел, руководитель направления армирования неметаллами компании Hughes Bros. (Seward, Neb.), известного производителя армированных изделий. «В настоящее время база знаний об этом материале гораздо более полная, чем 10 лет назад».

Для некоторых проектов, таких как оборудование для магниторезонансной томографии в больницах, или пункты взимания дорожной платы, где используется радиочастотная идентификация определения уже оплативших покупателей, единственно доступным материалом является композитная арматура. ?спользовать стальную арматуру не представляется возможным, т.к. она взаимодействует с электромагнитными сигналами, генерируемыми оборудованием. Композитная арматура, в отличие от стальной, обладает электромагнитной прозрачностью и необычайной стойкостью к коррозии, кроме того композитная арматура легкая – ее вес составляет около одной четверти от веса аналогичной стальной арматуры, а теплоизоляционные свойства композита препятствует протеканию тепла в стройконструкциях. Два самых крупных производителя композитной арматуры - компания Hughes и компания pultrall (Thetford Mines, Canada).

Для производства композитной арматуры обычно используется технология пултрузии, где армирующим наполнителем является ровинг из Е-стекла, а связующим винилэфирная смола. Продукты марки Aslan от компании Hughes производятся с спиральной закруткой, что придает им волнообразный профиль, а прутки марки V-ROD от компании pultrall являются гладкими. Оба вида арматуры имеют наружное песочное покрытие, которое наносится в процессе производства. Это необходимо для придания шероховатости на поверхности арматуры, что способствует наилучшей адгезии в бетоне. По словам Гремела, для производства арматуры необходима высококачественная винилэфирная смола и волокна специально подобранного размера, что позволяет обеспечить прочность арматуры и достичь наилучшей коррозионной стойкости к щелочной среде в цементе.

Т.к. механические свойства стекла отличаются от свойств стали, структура бетона с применением композитной арматуры разрабатывается в соответствии с ACI 440.1R-03, руководством для проектирования и конструирования бетона, армированного стеклопластиковой арматурой. Компании Hughes и pultrall являются членами Совета Производителей стеклопластиковой арматуры, который находится под покровительством Американского Общества Производителей Композитов, и вовлечены в разработку минимальных требований и норм для арматуры. Хотя композитную арматуру нельзя согнуть для получения нужных конструкций, Гремел считает, что это не является проблемой. «Стальную арматуру, покрытую слоем эпоксидной смолы, также нельзя согнуть без повреждения покрытия», - говорит Гремел. «Но мы можем изготовить изогнутую стеклопластиковую арматуру непосредственно при производстве в соответствии с предоставленным проектом». Появление новых методик тестирования бетонов, армированных композитной арматурой, дало собственникам и конструкторам гарантию, что произведенная структура будет вести себя именно так, как и ожидается. Гремел замечает, что руководство по тестированию будет приведено с стандарту ASTM.

Арматура марки V-ROD компании pultrall поставляется в США эксклюзивно фирмой Concrete protection products Inc. (CppI, Даллас, Техас). Президент CppI', Сэм Стир рассказывает о последних проектах с использованием арматуры V-ROD, среди которых новый мост, перекрывающий шоссе I-65 в Графсте Ньютон , штат ?ндиана. Мост состоит из трех пролетов, общей длиной 58 метров и шириной 10,5 метров, с усиленным бетонным полотном, проложенным сверху I-образных стальных балок, установленных на бетонных опорах. Плита из бетона толщиной 203 мм в нижней половине усилена стальной арматурой с эпоксидным покрытием, а в верхней половине использованы композитные прутья V-ROD. Это сделано для усиления коррозионной стойкости бетона, т.к. в верхней части плиты наиболее высока возможность контакта с солями, использующимися для борьбы с обледенением на дорогах. Бетон в полотне был армирован двумя видами арматуры, с расстоянием от центров стержней 152 мм – арматурой #5 (16 мм в диаметре) в поперечном направлении, и арматурой #6 (19 мм в диаметре) в продольном направлении. При помощи исследователей из Университета purdue University структура была оборудована сенсорами из оптоволокна, что позволило производить непрерывную оценку характеристик плиты посредством удаленного мониторинга. Стир говорит, что это первый проект мостового плотна с использованием композитной арматуры, сделанный Департаментом перевозок штата ?ндиана.
Арматура из стеклопластика марки Aslan 100 от компании Hughes Bros. недавно была использована в бетонном мосту в Морисон, штат Колорадо, который был построен Департаментом Перевозок Колорадо при поддержке Города и Графства Денвер Паркс и Департамента Восстановления. При строительстве моста общей длиной 13.8 метра, который перекрывает Бир Крик, стеклопластиковая арматура использовалась в основаниях, опорах, откосных стеновых крыльях, парапетах и изогнутой монолитной бетонной арке. Цельная композитная плита, установленная наверху бетонной арки, была сделана компанией Kansas Structural Composites (Russell, Kan.). В литые элементы моста была вмонтирована композитная арматура нескольких типоразмеров, включая арматуру #5, #6 and #7 (19 мм в диаметре). Гремел подчеркивает, что потребовалось много изогнутых скоб и специальных форм, чтобы получить конструкцию в соответствии с проектом, и добавлет, что все конструкции были предварительно изготовлены на фабрике. ?нженер CDOT Марк Леонард говорит, что прошлые проекты штата с применением композитной арматуры были успешны, и арматура марки Aslan компании Hughes была выбрана из-за более низкой предложенной цены. Несмотря на то, что настил моста подвергается минимальной транспортной нагрузке, Леонард говорит, что конструктор моста Парсонс Бринкерхоф при конструировании следовал всем рекомендациям ACI и использовал новые методики тестирования ACI440.3R-04 для сертификации используемых материалов.

Есть предположение, что рынок композитной арматуры станет еще более конкурентоспособным при использовании нового материала – базальтового волокна. Грахам Смит, исполнительный вице президент компании Sudaglass Fiber Technology (Хьюстон, Техас), производителя базальтового волокна, производство которого расположено в России и на Украине, говорит, что компания уже имеет задел на производственных мощностях в северном Техасе. По словам Смита, композитная арматура из базальтового волокна и эпоксидной смолы сейчас производится при помощи пултрузии на Украине, и находится в процессе сертификации для использования в строительстве в США.

Обладая лишь немного более высокой плотностью, чем стеклянное волокно, базальтовое волокно имеет существенно более широкий диапазон рабочих температур - от -260°C до 982°C, в то время как номинальный рабочий диапазон стеклянного волокна составляет от -60°C до 650°C. Температура плавления базальта - 1450°C, что делает его пригодным для использования в приложениях, требующих стойкости к огню. Как замечает Смит, базальт обладает превосходной стойкостью к щелочной составляющей в бетоне без использования специальных сортировок по размеру, которые используются для защиты стеклянного волокна.

Каким бы не был выбор армирования, композитная арматура, вероятно, обладает наибольшей привлекательностью для лиц,ответственных за принятие проекта. «Хорошим практическим результатом для инженера или конструктора, который решает проблему коррозии, является то, что при 5-7% увеличении затрат на материалы с использованием композитной арматуры вы продлеваете срок эксплуатации структур на 10-20 лет», - подводит итог Гремел.
СЕТК? ?З КОМПОЗ?ТНОЙ АРМАТУРЫ В СБОРНЫХ БЕТОННЫХ ПАНЕЛЯХ

С момента первого доклада CT об использовании в сборных бетонных конструкционных панелях полимерных сеток, усиленных волокнами ("Composite Solutions Meet Growing Civil Construction Demands," CT August 2002, p. 40), рынком был показан значительный рост, говорит Бюсел. «Область этих применений огромна и здесь существует огромный потенциал», - утверждает он.

Данное направление возглавляется группой AltusGroup, которая является консорциумом пяти производителей сборных бетонных панелей и производителя арматуры, компании TechFab LLC (Anderson, S.C.). Группа была сформирована специально для продвижения технологии CarbonCast, где в качестве вторичного армирования для замены традиционной стали или арматуры в сборных структурах применяются недавно разработанные углеродно-эпоксидные сетки C-GRID. TechFab - это долевое 50/50 объединение компании Hexcel (Дублин, Калифорния) и компании Chomarat Group (Le Cheylard, Франция). До настоящего времени членами AltusGroup являются Oldcastle precast (Edgewood, Md.), HIGH Concrete Structures (Denver, pa.), 2 компании, владельцем которых является Cretex Companies (Elk River, Minn.), и Metromont prestress (Greenville, S.C.), но в группу также могут быть приняты новые участники в связи с возрастающим объемом продаж, говорит Джон Карсон, руководитель коммерческого развития TechFab и глава программы технологий C-GRID.


 

... назад