История разработки неметаллической арматуры в СССР и за рубежом
История разработки неметаллической арматуры в СССР и за рубежом.
Интересный факт – композитная арматура не новшество. Ее разработки велись еще в 60-80 годы в СССР. С распадом союза, научно-внедренческие исследования прекратились.
И естественно, ни в одном постсоветском государстве не существует нормативной базы по производству и применению композитной арматуры. Системная методология отсутствует напрочь и как следствие, рынок сбыта не развит. Но такие научные материалы не могли остаться незамеченными. Долгие годы изучения стеклопластиковой арматуры, попытки разработать арматуру нового поколения, не остались в прошлом и дают плоды сегодня.
Углубляясь в историю, становятся понятны причины, по которым были начаты разработки нового вида строительной арматуры. Все чаще бетонные армированные строения стали проектироваться в агрессивных средах, затрудняющих использование стальной арматуры. Так же возникла потребность в диэлектрической и антимагнитной возможностях арматуры. Ну и конечно стоит помнить об ограниченности запасов руд, из которых производят металлическую арматуру и о всегда дефицитных легирующих присадках.
По началу как несущую основу разработанной высокопрочной неметаллической арматуры приняли продольную (непрерывную) стеклянное щелочестойкое волокно, диаметром 10 – 15 микрон. Пучок объединялся в монолитный стержень при помощи синтетических смол (эпоксидной, эпоксифенольной, полиэфирной). Производство такой арматуры появилось в СССР (Минск, Москва, Харьков). Это была арматура диаметром 6 миллиметров из щелочестойкого стекловолокна малоциркониевого состава – Щ-15ЖТ. Ее физико-химические свойства были подробно исследованы.
Особое внимание уделялось изучению химической выносливости арматуры в кислотных и агрессивных щелочных условиях. В результате появилась возможность получения композитной арматуры с показателями: временное сопротивление разрыву – 1500 МПа, начальный модуль упругости – 50 000 МПа, плотность – 1,8 - 2 т\м 3 при весовом содержании стекловолокна 80%, рабочая диаграмма при растяжении прямолинейна вплоть до разрыва, предел деформации – 2,5 – 3%, прочность арматуры в нормальных (естественных) температурно-влажностных условиях составляет 65% от временного сопротивления, коэффициент линейного разрушения 5,5-6,5 х 10-6.
Были всесторонне исследованы опытные предварительно напряженные изгибаемые элементы с такой арматурой под воздействием статических нагрузок, разработаны технологические правила по изготовлению арматуры и рекомендации по проектированию бетонных конструкций с неметаллической арматурой, намечены целесообразные области их применения.
Так же были разработаны экспериментальные образцы электроизолирующих траверс опор ЛЭП. Уже произведенные, эти линии электропередач работают на некоторых участках Белоруссии, России и Аджарии. Была изучена возможность использования композитной арматуры в опорах контактной сети и в напорном трубопроводе. Арматура композитная нашла применение так же и в ваннах из полимербетона в цехах электролиза, в цветной металлурги и в плитах складов минеральных удобрений.
На тот момент, к сожалению, не было заводского производства композитной арматуры.
В 1970-х неметаллическая арматура была впервые применена в категориях эксплуатации арматуры стальной, и показала себя наилучшим образом. В фундаментах, сваях, электролизных ваннах, балках и ригелях эстакад, опорных конструкциях конденсаторных батарей, плитах крепления откосов, без изоляторных траверсах и других конструкциях.
В 1976 году были построены два надвижных склада в г. Рогачев и г. Червень. Несущие наклонные элементы верхнего пояса арок армированы четырьмя предварительно напряжёнными стеклопластиковыми стержнями диаметром 6мм. Стержни здесь были расположены в двух пазах сечением 10Х18 мм. Они были выбраны в нижней пластине элементов. Деревянными накладками (досками толщиной 20мм) были усилены приопорные участки элементов, в коньковом и опорном узлах.
22% составила экономия древесины в несущих армированных элементах, стоимость упала на 9%, общая масса конструкций уменьшена на 20%.
Перекрытия над технологическими галереями кислотной станции Светлогорского комбината выполнены из полимербетона ФАМ с армированием композитной арматурой. Плиты армировали стеклопластиковыми стержнями диаметром 6 мм с предварительным напряжением ребёр и плиты в поперечном направлении. Распределительная арматура полки выполнена без предварительного напряжения. Экономический эффект в результате снижения приведенных затрать на 1 м 2 перекрытия составил 57,95 руб.
В 1969 г. ИСиА Госстроя БССР совместно с ГПИ «Сельэнергопроект» (г. Москва) разработаны и исследованы электроизолирующие траверсы для ЛЭП-10 кВ и ЛЭП-35 кВ. В 1970г. в районе Костромы сдан в эксплуатацию опытный участок ЛЭП-10 кВ со стеклопласт-бетонными траверсами.
В 1972 г. в районе Ставрополя сдан в эксплуатацию опытный участок ЛЭП-35 кВ с электроизолирующими стеклопластбетонными траверсами. Конструкция траверса состояла из трёх предварительно напряжённых стеклопластбетонных элементов (лучей), соединённых болтами на стальной пластине, которая хомутами закреплялась на вершине железобетонной опоры.
В 1975 г. в Гродно и Солигорске сданы в эксплуатацию два опытных участка ЛЭП-10 кВ с траверсами из стеклопластбетона. Конструкция траверсы сборная, трёхлучевая, состоит из двух прямолинейных предварительно напряжённых стеклопластбетонных элементов: горизонтального, на котором расположены два провода, и вертикального на вершине которого крепится третий провод. Сборная траверса основанием вертикального элемента присоединена к железобетонной опоре ЛЭП с применением стальных хомутов. Траверсы изготовлены из электроизолирующего бетона. Арматура – четыре стержня диаметром 6 мм в каждом элементе.
В 1979 г. в районе г. Батуми сданы в эксплуатацию два опытных участка опор ЛЭП на 0,4 и 10 кВт с траверсами из бетонополимера, армированного стеклопластиковой арматурой диаметром 6 мм.
На Усть-Каменогорском комбинате цветной металлургии освоено производство предварительно напряжённых электролизных ванн из ФАМ полимербетона, армированного стеклопластиковыми стержнями диаметром 6 мм. Размерами ванны в плане 1080х2300 мм, высота 1650 мм, толщина стенки 100 мм. Стенки и днище армированы двойной симметричной арматурой с шагами стержней 200 мм. Экономический эффект на одну ванну без учёта затрат, связанных с остановкой производства при замене железобетонных ванн, - 1015, 5 руб.
В 1975 г. по проекту кафедры «Мосты и тоннели» Хабаровского политехнического института закончено строительство первого в мире клееного деревянного моста длиной 9 м, балки которого с поперечным сечением 20х60 см изготовлены из древесины ели и армированы четырьмя предварительно напряжёнными пучками из четырёх стеклопластиковых стержней диаметром 4 мм.
Второй мост в СССР со стеклопластиковой арматурой построен в 1981 г. в Приморском крае через р. Шкотовка. Пролётное строение моста состоит из шести металлических двутавров №45, предварительно напряженных затяжками из 12 стеклопластиковых стержней диаметром 6 мм. Балки объединены монолитной железобетонной плитой проезжей части. Пролетное строение имеет длину 12 м, габариты проезжей части и тротуаров – Г8+2х1 м, расчётные нагрузки Н-30, НК-80.
В Хабаровском крае мост с применением стеклопластиковой арматуры построен в 1989 г. В поперечном сечении пролётного строения длиной 15 м установлено 5 ребристых без уширения в нижней зоне балок. Армирование балок пролётного строения моста было принято комбинированным: создание начальные напряжений в них осуществлялось четырьмя пучками по 24 стеклопластиковых стержня диаметром 6 мм в каждом и одним типовым пучком из стальных проволок. Армирование балок не напрягаемой арматурой классов А-I и А-II было оставлено без изменений.
Российские специалисты только в последние два-три года обратили внимание на потребность строительной отрасли в композитных неметаллических материалах, которые позволяют увеличить энергоэффективность, коррозионную стойкость и долговечность конструкций и зданий в целом. В то же время в странах Западной Европы и США продолжали планомерно развивать новые технологии. Сами материалы за счет внедрения инновационных решений, совершенствования технологических процессов и применения новых сырьевых компонентов трансформировались, приобрели новые качества и эксплуатационные показатели, технические показатели материалов позволили расширить область применения. Сегодня ученые и практики работают над совершенствованием и расширением сфер применения как стеклопластиковой, так и арматуры на основе базальтовых волокон. Наиболее преуспели в данном направлении Бельгия, Англия, США, Канада, Франция, Германия.
Быстрее всех на данный материал отреагировал частный застройщик. Основные позитивные факторы для этой категории потребителей — это долговечность и коррозионная стойкость материала, исключение транспортных издержек, а также относительная легкость в монтаже каркасов и сеток, отсутствие сварочных работ, отсутствие необходимости применения механизмов при погрузочных работах и подъеме на этаж (например, вес 1 м. п. композитной арматуры диаметром 8 мм в 9 раз меньше веса стальной арматуры). Активный интерес к продукции, проявили и оптовые металлобазы. Они понимают, что нельзя рассматривать композитную арматуру просто как конкурента металлу. Во-первых, композиты можно использовать совместно с металлом. Во-вторых, надо применять композиты там, где их положительные качества могут раскрываться максимально широко, например, снять вопросы коррозии бетонных конструкций. Ведь данный материал имеет высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах, таких как кислоты, щелочи, соли, аммиачная вода, сернистый газ.
Историческое развитие применения композитной арматуры за рубежом.
(по материалам Института Бетона США)
Историю разработки арматуры из FRP можно проследить до начала широкого использования композитов после 2 мировой войны. В аэрокосмической промышленности были широко признаны преимущества высокой прочности и легкости композитных материалов, а во время холодной войны достижения в аэрокосмической и оборонной промышленности привели к еще более широкому использованию композитов. Далее, в условиях быстро развивающейся экономики, США требовались недорогие материалы, отвечающие потребительскому спросу. Получение соосно-ориентированного волокнистого пластика стало быстрым и экономичным методом формирования деталей с постоянным профилем сечения, а композитные пластики, изготовленные из непрерывного волокна, использовали для изготовления клюшек для игры в
гольф и удочек. Однако, только в 60-годах, эти материалы стали серьезно рассматривать при производстве арматуры железобетона.
Распространение Федеральных систем скоростных автострад в 50-х годах обострило нужду в проведении их круглогодичного техобслуживания. Широкое распространение получило применение солей для удаления льда на автодорожных мостах. В результате, главной заботой стало использование стальной арматуры в таких конструкциях, а также в конструкциях, находящихся под длительным коррозийным действием морской соли. Было проведено исследование различных защитных покрытий, включая цинковые покрытия, покрытия с электростатическим напылением, полимербетоны, эпоксидные покрытия, а также арматуру из стеклопластика (ACI 440R). Из всего вышеперечисленного, стальная арматура с эпоксидным покрытием оказалось лучшим решением, и стала применяться в агрессивных коррозионных условиях. Использование арматуры из FRP не считалось эффективным решением по причине высокой стоимости и не имело коммерческого распространения до конца 70-х годов. В 1983 году был основан первый проект Министерством транспорта США «Применение технологии композитных материалов в проектировании и постройке мостов» (Plecnik and Ahmad 1988).
Корпорация Marshall-Vega Inc. вела изначальную разработку арматуры из стеклопластика в США. Изначально, арматура из стеклопластика считалась эффективной альтернативой стальной для полимербетона ввиду несовместимости с характеристиками температурного расширения между полимербетоном и сталью. В конец 70-х годов, корпорация International Grating Inc. вышла на североамериканский рынок арматуры из FRP. Marshall-Vega и International Grating занимались исследованием и разработкой арматуры из FRP до 80-х.
Стержни из стеклопластика использовали при постройке настила моста Crowchild в регионе Калгари штата Альберта в Канаде в 1997 году.
В 80-х на рынке возник спрос на неметаллическую арматуру для специфической передовой технологии. Наибольший спрос на электроизолирующую арматуру был для медицинского оборудования магнитной резонансной томографии. Арматура из FRP стала стандартом для конструкций такого типа. Иное применение арматуры FRP стало более известным и востребованным, особенно в конструкциях волноломов, основаниях реакторов электроподстанций, взлётно-посадочных полос и лабораторий электроники (Brown and Bartholomew 1996).
В 70-х в США стали нарастать проблемы, связанные с ухудшением состояния мостов ввиду коррозии, вызванной действием хлорид-ионов, воздействие которых на стальную арматуру привело к быстрому к старению мостов. (Boyle and Karbhari 1994). Кроме того, выявление коррозии в широко распространенной арматуре с эпоксидным покрытием повысило интерес к альтернативным методам, позволяющим избежать ее. И снова арматуру из FRP стали считать основным решением проблем коррозии мостовых настилов и других конструкций (Benmokrane et al. 1996).
История использования неметаллической арматуры за рубежом.
Вплоть до середины 90-х годов в Японии наиболее широко использовалась арматуры из FRP, уже тогда в стране насчитывалось более 100 коммерческих проектов с ее применением. Детальная информация по проектированию с FRP были включены в «Рекомендации по проектированию и постройке» JSCE (1997).В Азии, недавно, Китай стал крупнейшим потребителем композитной арматуры, используя ее в новых конструкциях, начиная от мостовых настилов до проведения подземных работ (Ye et al. 2003).
Стеклопластиковая арматура использовалась при постройке винного завода в Британской Колумбии в 1998 году.
Использование арматуры из FRP в Европе началось в Германии, при постройке автодорожного моста из преднапряженного FRP в 1986 году (Meier 1992). После постройки моста в Европе были запущены программы по исследованию и использованию арматуры из FRP. В рамках европейского проекта BRITE/EURAM Project, “Элементы из волоконных композитов и технология применения неметаллической арматуры» с 1991 по 1996 годы были проведены испытания и анализ материалов из FRP (Taerwe 1997). Позднее, компания EUROCRETE возглавила европейскую программу исследований и демонстрационных проектов.
Канадские гражданские инженеры разработали положения по применению для арматуры из FRP для Канадского свода норм проектирования автодорожных мостов и построили серию демонстрационных проектов. При постройке моста Headingley в Манитобе была использована арматура из CFRP и GFRP (Rizkalla 1997). Кроме того, при постройке моста на Kent County Road No. 10 была использована арматура из CFRP для армирования зон отрицательного момента (Tadros et al. 1998). При постройке моста Joffre Bridge через реку Сен-Франсуа, расположенном в Шербруке, Квебек, была использована арматура из CFRP на напорных плитах, а также арматура из GFRP на дорожном заграждении и тротуаре. Мост, который был открыт для проезда в декабре 1997, был оснащен волоконно-оптическими датчикими, интегрированными в структуру арматуры из FRP для дистанционного контроля деформаций (Benmokrane et al. 2004). Канада остается лидером в применении арматуры из FRP при постройке мостового настила (Benmokrane et al. 2004).
В США, широкое использование арматуры из FRP было зафиксировано ранее (ACI 440R). Использование арматуры из GFRP при постройке пристроек больничной палаты для магнитной резонансной томографии становится повсеместным. Также композитная арматура стала стандартным решением в таких отраслях индустрии как портовые сооружения, верхняя сетка арматуры для мостовых настилов, различные заводские армированные бетонные изделия, орнаментный и архитектурный бетон. Некоторые крупнейшие проекты включают в себя здание Gonda Building клиники Майо в городе Рочестер штата Миннесота, Национальный институт здравоохранения в городе Бетесда штата Мэриленд – для магнитной резонансной томографии, мост в городе Поттер Каунти штата Техас, а также мост в городе Беттендорф штата Айова, для армирования настила (Nanni 2001).
Арматура из GFRP была использована при проведении тоннельных работ для бетонной стены, которую требовалось строить вслед за тоннелепроходческой машиной, и далее получила широкое применение при постройке множества крупнейших метрополитенов мира, включая Азию (например, Бангкок, Гонгконг и Нью-Дели) и Европу (например, Лондон и Берлин).
Интересный факт – композитная арматура не новшество. Ее разработки велись еще в 60-80 годы в СССР. С распадом союза, научно-внедренческие исследования прекратились.
И естественно, ни в одном постсоветском государстве не существует нормативной базы по производству и применению композитной арматуры. Системная методология отсутствует напрочь и как следствие, рынок сбыта не развит. Но такие научные материалы не могли остаться незамеченными. Долгие годы изучения стеклопластиковой арматуры, попытки разработать арматуру нового поколения, не остались в прошлом и дают плоды сегодня.
Углубляясь в историю, становятся понятны причины, по которым были начаты разработки нового вида строительной арматуры. Все чаще бетонные армированные строения стали проектироваться в агрессивных средах, затрудняющих использование стальной арматуры. Так же возникла потребность в диэлектрической и антимагнитной возможностях арматуры. Ну и конечно стоит помнить об ограниченности запасов руд, из которых производят металлическую арматуру и о всегда дефицитных легирующих присадках.
По началу как несущую основу разработанной высокопрочной неметаллической арматуры приняли продольную (непрерывную) стеклянное щелочестойкое волокно, диаметром 10 – 15 микрон. Пучок объединялся в монолитный стержень при помощи синтетических смол (эпоксидной, эпоксифенольной, полиэфирной). Производство такой арматуры появилось в СССР (Минск, Москва, Харьков). Это была арматура диаметром 6 миллиметров из щелочестойкого стекловолокна малоциркониевого состава – Щ-15ЖТ. Ее физико-химические свойства были подробно исследованы.
Особое внимание уделялось изучению химической выносливости арматуры в кислотных и агрессивных щелочных условиях. В результате появилась возможность получения композитной арматуры с показателями: временное сопротивление разрыву – 1500 МПа, начальный модуль упругости – 50 000 МПа, плотность – 1,8 - 2 т\м 3 при весовом содержании стекловолокна 80%, рабочая диаграмма при растяжении прямолинейна вплоть до разрыва, предел деформации – 2,5 – 3%, прочность арматуры в нормальных (естественных) температурно-влажностных условиях составляет 65% от временного сопротивления, коэффициент линейного разрушения 5,5-6,5 х 10-6.
Были всесторонне исследованы опытные предварительно напряженные изгибаемые элементы с такой арматурой под воздействием статических нагрузок, разработаны технологические правила по изготовлению арматуры и рекомендации по проектированию бетонных конструкций с неметаллической арматурой, намечены целесообразные области их применения.
Так же были разработаны экспериментальные образцы электроизолирующих траверс опор ЛЭП. Уже произведенные, эти линии электропередач работают на некоторых участках Белоруссии, России и Аджарии. Была изучена возможность использования композитной арматуры в опорах контактной сети и в напорном трубопроводе. Арматура композитная нашла применение так же и в ваннах из полимербетона в цехах электролиза, в цветной металлурги и в плитах складов минеральных удобрений.
На тот момент, к сожалению, не было заводского производства композитной арматуры.
В 1970-х неметаллическая арматура была впервые применена в категориях эксплуатации арматуры стальной, и показала себя наилучшим образом. В фундаментах, сваях, электролизных ваннах, балках и ригелях эстакад, опорных конструкциях конденсаторных батарей, плитах крепления откосов, без изоляторных траверсах и других конструкциях.
В 1976 году были построены два надвижных склада в г. Рогачев и г. Червень. Несущие наклонные элементы верхнего пояса арок армированы четырьмя предварительно напряжёнными стеклопластиковыми стержнями диаметром 6мм. Стержни здесь были расположены в двух пазах сечением 10Х18 мм. Они были выбраны в нижней пластине элементов. Деревянными накладками (досками толщиной 20мм) были усилены приопорные участки элементов, в коньковом и опорном узлах.
22% составила экономия древесины в несущих армированных элементах, стоимость упала на 9%, общая масса конструкций уменьшена на 20%.
Перекрытия над технологическими галереями кислотной станции Светлогорского комбината выполнены из полимербетона ФАМ с армированием композитной арматурой. Плиты армировали стеклопластиковыми стержнями диаметром 6 мм с предварительным напряжением ребёр и плиты в поперечном направлении. Распределительная арматура полки выполнена без предварительного напряжения. Экономический эффект в результате снижения приведенных затрать на 1 м 2 перекрытия составил 57,95 руб.
В 1969 г. ИСиА Госстроя БССР совместно с ГПИ «Сельэнергопроект» (г. Москва) разработаны и исследованы электроизолирующие траверсы для ЛЭП-10 кВ и ЛЭП-35 кВ. В 1970г. в районе Костромы сдан в эксплуатацию опытный участок ЛЭП-10 кВ со стеклопласт-бетонными траверсами.
В 1972 г. в районе Ставрополя сдан в эксплуатацию опытный участок ЛЭП-35 кВ с электроизолирующими стеклопластбетонными траверсами. Конструкция траверса состояла из трёх предварительно напряжённых стеклопластбетонных элементов (лучей), соединённых болтами на стальной пластине, которая хомутами закреплялась на вершине железобетонной опоры.
В 1975 г. в Гродно и Солигорске сданы в эксплуатацию два опытных участка ЛЭП-10 кВ с траверсами из стеклопластбетона. Конструкция траверсы сборная, трёхлучевая, состоит из двух прямолинейных предварительно напряжённых стеклопластбетонных элементов: горизонтального, на котором расположены два провода, и вертикального на вершине которого крепится третий провод. Сборная траверса основанием вертикального элемента присоединена к железобетонной опоре ЛЭП с применением стальных хомутов. Траверсы изготовлены из электроизолирующего бетона. Арматура – четыре стержня диаметром 6 мм в каждом элементе.
В 1979 г. в районе г. Батуми сданы в эксплуатацию два опытных участка опор ЛЭП на 0,4 и 10 кВт с траверсами из бетонополимера, армированного стеклопластиковой арматурой диаметром 6 мм.
На Усть-Каменогорском комбинате цветной металлургии освоено производство предварительно напряжённых электролизных ванн из ФАМ полимербетона, армированного стеклопластиковыми стержнями диаметром 6 мм. Размерами ванны в плане 1080х2300 мм, высота 1650 мм, толщина стенки 100 мм. Стенки и днище армированы двойной симметричной арматурой с шагами стержней 200 мм. Экономический эффект на одну ванну без учёта затрат, связанных с остановкой производства при замене железобетонных ванн, - 1015, 5 руб.
В 1975 г. по проекту кафедры «Мосты и тоннели» Хабаровского политехнического института закончено строительство первого в мире клееного деревянного моста длиной 9 м, балки которого с поперечным сечением 20х60 см изготовлены из древесины ели и армированы четырьмя предварительно напряжёнными пучками из четырёх стеклопластиковых стержней диаметром 4 мм.
Второй мост в СССР со стеклопластиковой арматурой построен в 1981 г. в Приморском крае через р. Шкотовка. Пролётное строение моста состоит из шести металлических двутавров №45, предварительно напряженных затяжками из 12 стеклопластиковых стержней диаметром 6 мм. Балки объединены монолитной железобетонной плитой проезжей части. Пролетное строение имеет длину 12 м, габариты проезжей части и тротуаров – Г8+2х1 м, расчётные нагрузки Н-30, НК-80.
В Хабаровском крае мост с применением стеклопластиковой арматуры построен в 1989 г. В поперечном сечении пролётного строения длиной 15 м установлено 5 ребристых без уширения в нижней зоне балок. Армирование балок пролётного строения моста было принято комбинированным: создание начальные напряжений в них осуществлялось четырьмя пучками по 24 стеклопластиковых стержня диаметром 6 мм в каждом и одним типовым пучком из стальных проволок. Армирование балок не напрягаемой арматурой классов А-I и А-II было оставлено без изменений.
Российские специалисты только в последние два-три года обратили внимание на потребность строительной отрасли в композитных неметаллических материалах, которые позволяют увеличить энергоэффективность, коррозионную стойкость и долговечность конструкций и зданий в целом. В то же время в странах Западной Европы и США продолжали планомерно развивать новые технологии. Сами материалы за счет внедрения инновационных решений, совершенствования технологических процессов и применения новых сырьевых компонентов трансформировались, приобрели новые качества и эксплуатационные показатели, технические показатели материалов позволили расширить область применения. Сегодня ученые и практики работают над совершенствованием и расширением сфер применения как стеклопластиковой, так и арматуры на основе базальтовых волокон. Наиболее преуспели в данном направлении Бельгия, Англия, США, Канада, Франция, Германия.
Быстрее всех на данный материал отреагировал частный застройщик. Основные позитивные факторы для этой категории потребителей — это долговечность и коррозионная стойкость материала, исключение транспортных издержек, а также относительная легкость в монтаже каркасов и сеток, отсутствие сварочных работ, отсутствие необходимости применения механизмов при погрузочных работах и подъеме на этаж (например, вес 1 м. п. композитной арматуры диаметром 8 мм в 9 раз меньше веса стальной арматуры). Активный интерес к продукции, проявили и оптовые металлобазы. Они понимают, что нельзя рассматривать композитную арматуру просто как конкурента металлу. Во-первых, композиты можно использовать совместно с металлом. Во-вторых, надо применять композиты там, где их положительные качества могут раскрываться максимально широко, например, снять вопросы коррозии бетонных конструкций. Ведь данный материал имеет высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах, таких как кислоты, щелочи, соли, аммиачная вода, сернистый газ.
Историческое развитие применения композитной арматуры за рубежом.
(по материалам Института Бетона США)
Историю разработки арматуры из FRP можно проследить до начала широкого использования композитов после 2 мировой войны. В аэрокосмической промышленности были широко признаны преимущества высокой прочности и легкости композитных материалов, а во время холодной войны достижения в аэрокосмической и оборонной промышленности привели к еще более широкому использованию композитов. Далее, в условиях быстро развивающейся экономики, США требовались недорогие материалы, отвечающие потребительскому спросу. Получение соосно-ориентированного волокнистого пластика стало быстрым и экономичным методом формирования деталей с постоянным профилем сечения, а композитные пластики, изготовленные из непрерывного волокна, использовали для изготовления клюшек для игры в
гольф и удочек. Однако, только в 60-годах, эти материалы стали серьезно рассматривать при производстве арматуры железобетона.
Распространение Федеральных систем скоростных автострад в 50-х годах обострило нужду в проведении их круглогодичного техобслуживания. Широкое распространение получило применение солей для удаления льда на автодорожных мостах. В результате, главной заботой стало использование стальной арматуры в таких конструкциях, а также в конструкциях, находящихся под длительным коррозийным действием морской соли. Было проведено исследование различных защитных покрытий, включая цинковые покрытия, покрытия с электростатическим напылением, полимербетоны, эпоксидные покрытия, а также арматуру из стеклопластика (ACI 440R). Из всего вышеперечисленного, стальная арматура с эпоксидным покрытием оказалось лучшим решением, и стала применяться в агрессивных коррозионных условиях. Использование арматуры из FRP не считалось эффективным решением по причине высокой стоимости и не имело коммерческого распространения до конца 70-х годов. В 1983 году был основан первый проект Министерством транспорта США «Применение технологии композитных материалов в проектировании и постройке мостов» (Plecnik and Ahmad 1988).
Корпорация Marshall-Vega Inc. вела изначальную разработку арматуры из стеклопластика в США. Изначально, арматура из стеклопластика считалась эффективной альтернативой стальной для полимербетона ввиду несовместимости с характеристиками температурного расширения между полимербетоном и сталью. В конец 70-х годов, корпорация International Grating Inc. вышла на североамериканский рынок арматуры из FRP. Marshall-Vega и International Grating занимались исследованием и разработкой арматуры из FRP до 80-х.
Стержни из стеклопластика использовали при постройке настила моста Crowchild в регионе Калгари штата Альберта в Канаде в 1997 году.
В 80-х на рынке возник спрос на неметаллическую арматуру для специфической передовой технологии. Наибольший спрос на электроизолирующую арматуру был для медицинского оборудования магнитной резонансной томографии. Арматура из FRP стала стандартом для конструкций такого типа. Иное применение арматуры FRP стало более известным и востребованным, особенно в конструкциях волноломов, основаниях реакторов электроподстанций, взлётно-посадочных полос и лабораторий электроники (Brown and Bartholomew 1996).
В 70-х в США стали нарастать проблемы, связанные с ухудшением состояния мостов ввиду коррозии, вызванной действием хлорид-ионов, воздействие которых на стальную арматуру привело к быстрому к старению мостов. (Boyle and Karbhari 1994). Кроме того, выявление коррозии в широко распространенной арматуре с эпоксидным покрытием повысило интерес к альтернативным методам, позволяющим избежать ее. И снова арматуру из FRP стали считать основным решением проблем коррозии мостовых настилов и других конструкций (Benmokrane et al. 1996).
История использования неметаллической арматуры за рубежом.
Вплоть до середины 90-х годов в Японии наиболее широко использовалась арматуры из FRP, уже тогда в стране насчитывалось более 100 коммерческих проектов с ее применением. Детальная информация по проектированию с FRP были включены в «Рекомендации по проектированию и постройке» JSCE (1997).В Азии, недавно, Китай стал крупнейшим потребителем композитной арматуры, используя ее в новых конструкциях, начиная от мостовых настилов до проведения подземных работ (Ye et al. 2003).
Стеклопластиковая арматура использовалась при постройке винного завода в Британской Колумбии в 1998 году.
Использование арматуры из FRP в Европе началось в Германии, при постройке автодорожного моста из преднапряженного FRP в 1986 году (Meier 1992). После постройки моста в Европе были запущены программы по исследованию и использованию арматуры из FRP. В рамках европейского проекта BRITE/EURAM Project, “Элементы из волоконных композитов и технология применения неметаллической арматуры» с 1991 по 1996 годы были проведены испытания и анализ материалов из FRP (Taerwe 1997). Позднее, компания EUROCRETE возглавила европейскую программу исследований и демонстрационных проектов.
Канадские гражданские инженеры разработали положения по применению для арматуры из FRP для Канадского свода норм проектирования автодорожных мостов и построили серию демонстрационных проектов. При постройке моста Headingley в Манитобе была использована арматура из CFRP и GFRP (Rizkalla 1997). Кроме того, при постройке моста на Kent County Road No. 10 была использована арматура из CFRP для армирования зон отрицательного момента (Tadros et al. 1998). При постройке моста Joffre Bridge через реку Сен-Франсуа, расположенном в Шербруке, Квебек, была использована арматура из CFRP на напорных плитах, а также арматура из GFRP на дорожном заграждении и тротуаре. Мост, который был открыт для проезда в декабре 1997, был оснащен волоконно-оптическими датчикими, интегрированными в структуру арматуры из FRP для дистанционного контроля деформаций (Benmokrane et al. 2004). Канада остается лидером в применении арматуры из FRP при постройке мостового настила (Benmokrane et al. 2004).
В США, широкое использование арматуры из FRP было зафиксировано ранее (ACI 440R). Использование арматуры из GFRP при постройке пристроек больничной палаты для магнитной резонансной томографии становится повсеместным. Также композитная арматура стала стандартным решением в таких отраслях индустрии как портовые сооружения, верхняя сетка арматуры для мостовых настилов, различные заводские армированные бетонные изделия, орнаментный и архитектурный бетон. Некоторые крупнейшие проекты включают в себя здание Gonda Building клиники Майо в городе Рочестер штата Миннесота, Национальный институт здравоохранения в городе Бетесда штата Мэриленд – для магнитной резонансной томографии, мост в городе Поттер Каунти штата Техас, а также мост в городе Беттендорф штата Айова, для армирования настила (Nanni 2001).
Арматура из GFRP была использована при проведении тоннельных работ для бетонной стены, которую требовалось строить вслед за тоннелепроходческой машиной, и далее получила широкое применение при постройке множества крупнейших метрополитенов мира, включая Азию (например, Бангкок, Гонгконг и Нью-Дели) и Европу (например, Лондон и Берлин).