Композитная арматура — новые материалы

Армированный волокном пластик (FRP) заменяет покрытую сталь в большем количестве применений в железобетоне.

Бетон уже давно используется в качестве строительного материала благодаря своей высокой прочности на сжатие, хорошей долговечности и низкой стоимости. Однако его известная ахиллесова пята-это хрупкость и ограниченная прочность на растяжение. Это было довольно легко решено около века назад с помощью арматурных стержней (арматуры) из стали в натяжной стороне бетонных конструкций. Широкий ассортимент композитный арматуры — uralarmaprom.ru.

Стальная арматура функционально эффективна и относительно недорога, поэтому в большинстве случаев хорошо справляется. Однако стальная арматура имеет свою слабость: подверженность коррозии (окислению) при воздействии солей, агрессивных химических веществ и влаги. По мере коррозии стальная арматура набухает и увеличивает растягивающую нагрузку на бетон, который начинает трескаться и раскалываться, создавая отверстия, которые приводят к дальнейшему и более быстрому износу стали и бетона. Это требует дорогостоящего ремонта и технического обслуживания и, если позволить ему продвинуться достаточно далеко, может поставить под угрозу целостность конструкции.

На протяжении десятилетий были введены многочисленные покрытия и пенетранты, помогающие изолировать влагу от бетона, а сама арматура была модернизирована эпоксидными покрытиями или использованием нержавеющей стали. Но не всегда возможно предотвратить коррозию в долгосрочной перспективе. Кроме того, склонность стальной арматуры проводить электрические и магнитные поля делает ее нежелательной в бетоне, предназначенном для определенных энергетических, медицинских/научных изображений, ядерных и электрических/электронных применений.

Ценностное предложение FRP
Существует много причин, по которым армированная волокнами полимерная арматура (FRP) имеет смысл в некоторых бетонных конструкциях. Во-первых, композитная арматура не ржавеет и не подвержена коррозии, поэтому она идеально подходит для периодического или длительного погружения в пресную воду или рассол в таких областях применения, как подпорные стены, пирсы, причалы, причалы, кессоны, палубы, сваи, переборки, каналы, морские платформы, бассейны и аквариумы. Он также невосприимчив к дорожной соли и другим противогололедным химикатам, что делает его более прочным и менее трудоемким в обслуживании выбором для дорог и мостов, парковочных сооружений, взлетно-посадочных полос аэропортов, ограждений Джерси, подпорных стен и фундаментов, бордюров, парапетов и плит на марке. Кроме того, он обладает широкой устойчивостью к множеству других химических веществ, обнаруживаемых на очистных сооружениях сточных вод, объектах твердых отходов, нефтехимических заводах, целлюлозно-бумажных заводах, трубопроводах, резервуарах, градирнях и дымовых трубах, а также к щелочной среде самого бетона.

Еще одним преимуществом является то, что прочность на растяжение арматуры FRP обычно в 1,5-2 раза выше, чем у стали, поэтому она является хорошим противовесом высокой прочности бетона на сжатие. Он также обеспечивает отличную усталостную стойкость, что делает его пригодным для циклических нагрузок (например, на дорогах и мостах). Более того, композитная арматура весит в четверть веса сравнительно производительной стали. Здесь есть ряд практических преимуществ. Меньше износа у строительных рабочих, которые должны нести и устанавливать его, и меньше необходимости в кранах и другом тяжелом подъемном оборудовании. Он легко режется обычными режущими инструментами, не повреждая пилы. Больше арматуры можно тащить на грузовике без превышения допустимых пределов загрузки. Для мостов и подобных конструкций более высокое отношение прочности к весу обеспечивает либо большую несущую способность для данной конструкции, либо возможные возможности для уменьшения размера и веса всей конструкции. Композитная арматура также полезна в чувствительных к весу приложениях, где грунты имеют плохие несущие свойства, в сейсмически активных местах или в экологически чувствительных областях, где нежелательно перемещать тяжелое оборудование.

Для электромагнитно чувствительных применений как стекло (наиболее распространенная композитная арматура), так и полимер по своей сути непроводящие, поэтому они не будут передавать ток, притягивать удары молнии или мешать работе близлежащих электрических устройств. Это делает его более безопасным выбором в алюминиевых и медеплавильных заводах, атомных электростанциях, специализированных военных структурах, башнях аэропортов, электрических и телефонных передающих башнях, люках, содержащих электрическое или телефонное оборудование, больницах с оборудованием магнитно-резонансной томографии (МРТ) и датчиками платных дорог и сборными кабинами. Поскольку армированный стеклом композит одинаково плохо переносит тепло, он может быть полезен для поддержания климат-контроля в зданиях, патио-террасах и подвалах.

Хотя первоначальная стоимость композитной арматуры, как правило, выше, чем стандартной стальной арматуры, и примерно сопоставима со стальной арматурой с эпоксидным покрытием, если рассматривать ее на основе стоимости жизненного цикла (LCC), она может быть довольно экономичной-особенно для ненапряженных бетонных конструкций, подверженных изгибу, сдвигу и сжимающим нагрузкам, которые обычно требуют частого ремонта и технического обслуживания или где есть другие проблемы с металлом. По всем этим и многим другим причинам композитная арматура постепенно начала завоевывать свою долю на рынке гражданского строительства.

Никаких правил, никакого прогресса
Композитная арматура зародилась в Японии в 1980-х годах с усилением углеродными и арамидными волокнами в термореактивных матрицах и постепенно распространилась на проекты в Канаде в начале 1990-х годов, говорит Джон Бусел из американской компании производителей композитов Assn. (ACMA, Arlington, Va.) Но на самом деле она не взлетела, вспоминает он, пока в конце 1990-х годов не были разработаны и опубликованы спецификации композитной арматуры. Бусел, директор Инициативы роста композитов ACMA, в течение 12 лет был секретарем, а затем председателем Американского института бетона (ACI, Фармингтон-Хиллз, Мичиган). Комитет 440 — Арматура FRP, в то время как эта группа разработала свои новаторские спецификации и руководство по проектированию арматуры FRP.

“Разработка продуктов, которые не поддерживаются тестированием и исследованиями, просто не работает с инженерами-строителями”, — объясняет Бусел. — Чтобы убедить их, требуется много данных, а для их получения требуется время. Учитывая эту реальность, Комитет 440 был создан в начале 1990-х годов, и потребовалось почти десять лет, чтобы разработать первое издание, опубликованное в 1999 году, обновленное в 2006 году, а еще одно обновление должно было состояться в 2012 году. “Теперь у вас есть стандарты, которые архитекторы, инженеры и подрядчики могут использовать в своих планах по всему миру”,-говорит Бусел, отмечая, что “ACI 440.1 R доказал, что является одним из самых известных и наиболее часто используемых руководств по спецификациям в мире и определенно стоит всей этой работы”.

“ACI 440 был чрезвычайно динамичным и активным объединением”, — отмечает давний коллега Буселя Дуг Гремель. “Мы не дискриминировали ни одно исследование в мире. Гремель — директор по неметаллическому армированию компании Hughes Brothers Inc., директор дочерней компании Hughes Aslan Pacific Ltd. (оба из Сьюарда, штат Небраска) и председатель комитета по управлению компанией Omaha, штат Небраска, Composite Insulated Concrete Systems LLC-добавляет:” У нас нет гордости за владение этими знаниями“.

Несмотря на этот растущий объем науки и опыта в середине — конце 1990-х годов, рост использования стеклопластиковой арматуры был медленным. Первая американская установка появилась только в 1996 году на мосту Маккинливилл/Буффало-Крик в округе Брукс, штат Вашингтон. FRP-арматура окончательно завоевала популярность в Северной Америке после ее включения в канадский кодекс автомобильных мостов, где она стала стандартным решением для борьбы с коррозией, вызванной суровыми погодными условиями Канады. Это, в свою очередь, привело к работе Американской ассоциации государственных дорожных и транспортных чиновников (AASHTO) по разработке спецификаций для использования стеклянных стеклопластиковых бетонных палуб и дорожных ограждений. С этого момента инженеры и спецификаторы Министерства транспорта США (DoT) имели свое собственное руководство по проектированию, чтобы соответствовать ACI 440. В результате, говорит Бусел, Канада и США вместе сейчас имеют почти 400 мостов с FRP-арматурой в некоторых аспектах их строительства. Европейские установки растут, но более медленными темпами.

Гремель — чей работодатель, Hughes Brothers, является глобальным поставщиком FRP арматуры — говорит, что стандарты формируют объективную основу для обеспечения качества. “Мы должны предоставить сертификаты производственных партий в качестве доказательства того, что любой данный” мельничный пробег «арматуры соответствует или превышает свойства, указанные в стандартах ASTM»,-говорит он. “Мы проводим испытания на растяжение и деформацию на каждой партии, которую мы запускаем, так же, как и стальные ребята”.

Прогресс гражданского инженерного сообщества в направлении комфорта с помощью стеклопластиковой арматуры может быть медленным, но он не препятствует поиску новых подходов к ее производству, которые могли бы, как показывают следующие примеры, сделать следующее поколение композитной арматуры гораздо более привлекательной альтернативой стали.

Пустотелая арматура
Близится к коммерциализации HollowRebar, изобретенный инженерами-профессорами Университета штата Орегон (Корваллис, штат Орегон) и в настоящее время принадлежащий Composite Rebar Technologies Inc. (CRT, Мэдисон, штат Висконсин). Продукт имеет пултрудированный внутренний слой винилэфирной смолы с непрерывным армированием стекловолокном и полым центром. Этот полый непрерывно армированный стержень покрыт прерывисто армированной втулкой, которая соединяется со стержнем как часть непрерывного производственного процесса.

Потому что компания занята расширением существующих методов и патентов на дизайн в США. и в другом месте председатель CRT Роберт Гибсон не мог разглашать детали своего производственного процесса, но он сказал, что запатентованный процесс позволяет его компании “адаптировать внутренний и внешний диаметры продукта, а также изменить материал втулки, что дает нам большую гибкость для удовлетворения потребностей применения”.

В состав наружной втулки может входить любая смола, которая совместима с сердцевиной винилэфирной смолы и будет связываться с ней, а также она может быть армирована рублеными углеродными, стеклянными и/или базальтовыми волокнами. Непрерывная стеклянная полая внутренняя оболочка выполняет работу по переносу грузов. Высокоуплотненная, прерывисто армированная втулка BMC защищает внутренний слой от ударных повреждений при хранении, транспортировке и монтаже; действует как барьерный слой для защиты всего стержня от микротрещин и, следовательно, проникновения влаги (поскольку щелочность бетона может разрушать стекло); а также обеспечивает варианты текстурирования, например спиральные деформации, которые увеличивают сцепление с бетоном и предлагают дополнительные возможности в качестве метода “навинчивания” различных соединителей и анкеров.

Два слоя связаны механически и химически и дают очень высокую прочность на растяжение. По словам Гибсона, предварительное тестирование вернулся со значениями свыше 160 КСИ/113 кгс/мм2 для HollowRebar, по сравнению с примерно технические характеристики вес-сопоставимые #4 прочную композитную арматуру (от 0,50 дюйма/13 мм диаметра на 0,20 и inch2/1.3 см2 площади поперечного сечения) при 100 КСИ/70.3 кгс/мм2 и 60 КСИ/42.2 кгс/мм2 для стальной арматуры.

Гибсон говорит, что преимущество полого стержня в прочности на растяжение, частично зависящее от его сравнительно большего диаметра, увеличивается по мере увеличения диаметров и сопоставимого веса полых и твердых композитных стержней, поскольку прочность на растяжение на единицу площади поперечного сечения уменьшается по мере увеличения диаметра сплошной FRP арматуры. Он говорит, что разница в прочности на растяжение может привести к новым способам использования FRP арматуры, позволяющим более экономично использовать строительные материалы, обеспечивая при этом большую прочность и долговечность. Пустотелая арматура может быть в три раза прочнее стали, но весить примерно на 75 процентов меньше.

Кроме того, полый сердечник может быть проводником для электропроводки или волоконно-оптического кабеля, обеспечивающего передачу данных или голоса, или он может содержать интеллектуальные датчики для мониторинга состояния конструкций. Он может быть использован в климат-контроле, например, для циркуляции теплоносителей, чтобы предотвратить замерзание мостовых палуб. Кроме того, полый сердечник обеспечивает возможность соединения одной секции полой арматуры с другой, что может ускорить монтаж и открыть еще больше возможностей для использования. Кроме того, изгибы могут быть отлиты в полую арматуру во время первоначального производства для удовлетворения конкретных геометрических требований, необходимых на данном участке.

Компания усовершенствовала дизайн продукта, который был первоначально разработан профессорами Университета штата Орегон (которые до сих пор участвуют в компании) и запатентованный производственный процесс, и она построила специальную машину для изготовления полой арматуры. Кроме того, CRT активно работает над проверкой производительности своего продукта по спецификациям ACI. Продукт с пилотного завода компании в Орегоне был отправлен для независимого тестирования Антонио Нанни, профессору и заведующему кафедрой гражданской, архитектурной и экологической инженерии Университета Майами (Майами, штат Флорида), и Брахим Бенмокране, профессору гражданской инженерии Университета Шербрука (Шербрук, Квебек, Канада), и заведующему кафедрой композитных исследований в конкретной инфраструктуре и других гражданских структурах Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады. Гибсон утверждает, что результаты испытаний до сих пор значительно превышают опубликованные стандарты ACI для композитной арматуры.

В рамках подготовки к промышленному производству в 2012 году CRT сотрудничает с pultruder Teel Plastics (Baraboo, Wis.), чтобы обеспечить дополнительную разработку продукта и более быстрый рост для запуска. Начав с контрактного производителя, Гибсон говорит, что компания может выйти на рынок быстрее, но она уже рассматривает возможность лицензирования технологии для других регионов.

Хотя гражданское инженерное сообщество медленно внедряло композитную арматуру, Гибсон говорит, что это начинает меняться по мере того, как инженеры выходят за рамки фронтальных затрат. “Как правило, стоимость стальной арматуры составляет около 5 процентов от общей стоимости бетонной конструкции или проекта мощения, и этот процент немного увеличивается при переходе от стали к композитам”, — отмечает он, но указывает, что “отказ стальной арматуры приводит к необходимости замены всего проекта, и это просто плохая экономика, когда у вас есть лучшая технология, которая эффективно удваивает срок службы конструкции для постепенного увеличения стоимости. При таком раскладе, — рассуждает он, — вы просто не можете себе позволить не внести это изменение”.

Новый рынок для термопластов?
Заметной тенденцией является борьба за разработку армированных волокнами термопластичных смещений к установленной термореактивной арматуре FRP. Несколько компаний (каждая отклонила комментарий к этой статье), как сообщается, работают с различными технологиями, которые варьируются от термопластичных лент и намотки волокон до пултрузии термопластов, армированных базальтовым волокном. Возможно, что базальт/термопластиковый продукт может быть произведен в чрезвычайно длинных длинах и намотан на большие катушки в крупных строительных проектах или вблизи них (например, крупные здания или длинные участки бетонного покрытия). Это позволило бы бригадам укладывать арматуру непрерывными секциями с меньшим количеством разрывов или стыков, чем это необходимо при использовании стальной арматуры.

Только один разработчик был готов рассказать о своей новой технологии армированных волокнами термопластов. Стивен Боуэн, президент компании PlastiComp Inc. (Вайнона, Миннесота) а изобретатель запатентованного и зарегистрированного под торговой маркой процесса Пуштрузии показал, что 9 августа был выдан новый патент на его новейшую технологическую инновацию, которая основана на пяти предыдущих патентах, связанных с процессом Пуштрузии. Механизм соединяет непрерывно усиленный натяжной элемент с прерывисто усиленной оберткой, которая дополняет натяжной элемент.

Процесс двухслойного формования начинается с процесса пуштрузии Plasticomp, где непрерывные волокна втягиваются в поток высоконапорной и быстро движущейся расплавленной смолы. Роторный резец, расположенный в пути подачи, запрограммирован для того чтобы отрезать смешивание волокна/смолы в более короткие длины. Далее вниз по течению смесительный винт объединяет измельченные волокна и смолу в однородную расплавленную и экструдируемую смесь. Как правило, эта смесь будет использоваться в обычном процессе литья под давлением или прессованием. Но в этом случае он вводится в поперечную головку штампа. Там непрерывные волокнистые нити протягиваются через матрицу, где они сначала пропитываются смолой (с помощью обычной пултрузии), и сразу же после этого заключаются в расплавленный компаунд, созданный в процессе пултрузии, который образует прерывистую оболочку из армированной волокном смолы. Полученный композит можно разрезать на заданную длину или намотать на катушку, чтобы обеспечить резку на месте.

В одном из своих применений этот новый процесс, как сообщается, формирует технологию армирования бетона, которая не только обеспечивает все преимущества армированной волокнами термореактивной арматуры, но и устраняет некоторые ее практические недостатки. Например, термопласты лучше термореактивных материалов противостоят ударам, микротрещинам и усталости. Кроме того, с помощью термопластичной матрицы готовая арматура может быть повторно нагрета и сформована или согнута на строительной площадке, что значительно сокращает количество форм арматуры, которые необходимо заказать и инвентаризировать для выполнения работы, и сокращает затраты на приобретение необычных или нестандартных форм.

Здесь ножны вносят значительный вклад. Во время первоначальных испытаний на изгиб арматуры, изготовленной только из непрерывных осевых волокон, волокна на внешнем радиусе изгиба имели тенденцию смещаться к внутреннему радиусу во время фазы расплава, поскольку натяжение на них увеличивалось по мере изгиба арматуры. “Это требует силы извне бара, где она действительно нужна. И конечно, если вы просто используете разрывное армирование, вы никогда не получите необходимую вам прочность и жесткость”, — объясняет Боуэн. Разрывные волокна в оболочке, однако, «скользят» по отношению друг к другу при растяжении во время процесса расплава/изгиба. В результате волокна сохраняют более симметричное поперечное сечение. Кроме того, наружная поверхность может быть спроектирована так, чтобы включать в себя ямочки, поперечную штриховку, ребра, гофры или другие элементы, которые добавляют шероховатость для увеличения механической прочности сцепления и вытягивания, когда она заключена в бетон.

Термопластик предлагает два других преимущества, которые еще не доступны с термореакторами: возможность использования переработанных смол (таких как отходы бутылок или компакт-дисков) и возможность повторного использования в конце срока службы. Возможно, самым большим потенциальным преимуществом термопластичной арматуры, однако, является скорость, с которой она может быть произведена. Время, необходимое термометру для кросслинка, устраняется, и арматура производится в один шаг. Потенциально более низкая стоимость может сделать его более конкурентоспособным с обычной сталью и намного дешевле, чем арматура с эпоксидным покрытием и из нержавеющей стали.

Патент допускает широкий выбор термопластичных матриц (например, полипропилен, полиамид или термопластичный полиэстер) и армирующих волокон (например, стекло или углерод) для удовлетворения конкретных потребностей конкретного применения. В результате, говорит Боуэн, бетонные конструкции могут потерять дополнительную толщину сечения. “Часто добавляют целых 4 дюйма [101 мм] бетона в качестве барьера для проникновения влаги и предотвращения последующей коррозии металлической арматуры. Но с термопластичной арматурой не было бы необходимости во всем этом дополнительном бетоне, и последующая возможность снижения веса могла бы привести к большим бетонным конструкциям с удивительно тонкими профилями”, — добавляет он. “Интегрируя как непрерывную, так и прерывистую арматуру, вы действительно получаете лучшее из обоих миров и достигаете беспрецедентного контроля состава и конструкции термопластичной арматуры”.

Боуэн говорит, что в настоящее время никто не тестирует это изобретение, и Plasticomp предпочитает найти партнера. — Мы-благоприятная компания. Мы хотим лицензировать или продать нашу интеллектуальную собственность крупной компании, которая уже является игроком в этом сегменте”.

Неясно, достигнет ли армированный термопласт достаточно хороших показателей производительности и стоимости, чтобы стать тогда жизнеспособной альтернативой термореактивным композитам на рынке арматуры, но, учитывая уровень активности разработчиков, термопласты заслуживают внимания.

Что ждет нас в будущем
Бусел считает, что бетонная арматура открывает большие возможности для композитов, но он признает, что использование стеклопластиковой арматуры в дорогах и мостах (ее применение на сегодняшний день является хлебом с маслом) продвигается медленно. Прогресс может по-прежнему быть медленным из-за связанного с рецессией дефицита бюджета. В США законопроект о транспортной безопасности (Safe, Responsible, Flexible, Efficient Transportation Equity Act: A Legacy for Users, или SAFETEA-LU) застрял в Конгрессе, ожидая повторной авторизации и финансирования. Остается посмотреть, что сделает FRP rebar в краткосрочной перспективе, если федеральные средства не будут доступны. “Будут завершены только определенные проекты, а все остальное будет отложено», — предсказывает Бусел.

“Тем временем ACMA работает с членами Конгресса и другими представителями промышленности над разработкой данных о стоимости жизненного цикла для рабочих мест, финансируемых DoT”, — сообщает он. Исторически сложилось так, что разработчики проектов и контролирующие органы неохотно раскрывают свои данные о затратах и проводят анализ, необходимый для исследования LCC. “Если это не предусмотрено, — отмечает Бусель, — это просто не делается”. Но когда эти данные будут доступны, он считает, что большая прозрачность повысит доверие к композитной арматуре среди инженеров-строителей и даст тем, кто делает композитную арматуру, “еще один шанс” получить свою продукцию.

Если композитная арматура нового поколения может добавить ценовое преимущество к другим своим преимуществам, то у нее будет гораздо больше шансов быть указанной в большем объеме. Это одновременно и вызов, и возможность для всей индустрии композитных материалов.