Композитные материалы как основа эффективности в строительстве и реконструкции зданий и сооружений

Повышение эффективности и долговечности строительных конструкций на современном этапе развития строительной индустрии не возможно без использования современных видов композитных материалов.

Эксплуатация многих зданий и сооружений, например, по производству и хранению минеральных удобрений, а так же промышленных объектов цветной и чёрной металлургии, химии, нефтехимии и др. связана с использованием, либо выделением в процессе производства продуктов, агрессивных по отношению к обычному железобетону. Повышение долговечности традиционных железобетонных конструкций при их эксплуатации в условиях воздействия агрессивной среды требует дорогостоящей и трудоёмкой защиты.

Эта проблема снимается, если использовать для указанных объектов стройматериалы, которые будут изначально инертны к агрессивной среде. К таким материалам относятся полимербетоны на основе различных видов смол: фурфурол-ацетоновых, полиэфирных, эпоксидных и других, каждая из которых имеет свою рациональную область применения.

Например, эпоксидная смола эффективна и при сопряжении обычного или преднапряжённого тяжёлого железобетона. Об эффективности применения и одновременно долговечности использования этой смолы может свидетельствовать мост через реку Дон на Ворошиловском проспекте в Ростове-на-Дону, сданный в эксплуатацию в 1967 году. Несущие конструкции пролётных строений этого моста в виде переменного по высоте коробчатого сечения соединены исключительно с использованием эпоксидной смолы.

Эффективность полимербетона резко возрастает, если вместо традиционной стальной арматуры используется стержневая или композитная стекло или углепластиковая арматура, которая по сокращённой западной терминологии обозначается GFRP и CFRP соответственно. Использование этих видов арматуры открывает возможность для создания новых видов строительных конструкций, обладающих повышенной коррозийной стойкостью.

Каждая из вышеназванных видов арматуры имеет по сравнению со стальной как свои преимущества, так и недостатки. В частности, стеклопластиковая арматура имеет более высокую прочность на разрыв, в 3−4 раза превышающую прочность обычной стальной арматуры, высокую стойкость к кислотам и щелочам, не электропроводна. При этом имеет сопоставимую с традиционной арматурой стоимость. Однако существенным её недостатком является низкий модуль упругости, который почти в 4 раза ниже, чем у стали, что свидетельствует о специфических условиях и области её применения.

Вопрос исследования стеклопластиковой арматуры и её использования при изготовлении железобетонных конструкций в принципе не является новым. Начало этим исследованиям в нашей стране было положено ещё во второй половине двадцатого столетия, когда Советский Союз входил в то время в тройку лидеров по исследованию, производству и применению композитных материалов. Большой вклад в изучение этих материалов, включая и стеклопластиковую арматуру, внесли известные в области теории и практики железобетона учёные: Н. И. Ахвердов, О. Я. Берг, А. А. Гвоздев, Н. Г. Литвинов, В. Ф. Набоков, Л. С. Фридман, и другие.

Однако отсутствие финансирования отраслевой науки после событий 90-х годов, надолго отодвинули дальнейшие исследования этих материалов, сведя и производство композитных материалов практически до нуля. В результате, пальма первенства в этом вопросе перешла к западным странам, композитная продукция которых теперь широко рекламируется в нашей стране. стеклопластиковый арматура железобетонный плетение Углепластиковая стержневая арматура, как правило, более чем в два раза прочнее стеклопластиковой и в 5−6 раз прочнее обычной стальной. При этом имеет место практически одинаковый со сталью модуль упругости, что, несомненно, более резко повышает её конкурентоспособность. Однако на сегодняшний день основным недостатком этой арматуры является её высокая стоимость, которая по некоторым данным в 25−30 раз превышает стоимость традиционной стальной арматуры. Техническим недостатком этой арматуры является хрупкость, особенно ударная, и узкий на данный момент круг производителей. Так, если стеклопластиковую арматуру выпускают в настоящее время несколько заводов России, в частности в Перми и городе Ростовена-Дону, то углепластиковая круглая стержневая арматура производится только за рубежом.

Отсутствие в нашей стране на настоящий момент нормативной базы и надёжного расчётного аппарата по использованию композитной, в том числе стеклопластиковой арматуры, позволяет производителям этой продукции широко её рекламировать, используя лишь преимущества по прочности. Однако, известно, что низкий модуль упругости и, как следствие, высокая деформативность конструкций, нивелируют положительные качества этой арматуры, включая её низкую стоимость. Всё это свидетельствует о необходимости проведения после длительного перерыва новых исследований различных видов композитной арматуры и конструкций на её основе.

Для восполнения многих пробелов, связанных с использованием новых видов композитной арматуры, появившихся в последнее время, кафедра железобетонных и каменных конструкций Ростовского государственного строительного университета разработала программу (рис. 1) комплексных исследований железобетонных конструкций с использованием различных видов композитных материалов.

Предполагаемая программа предусматривает большой объем сложных, но интересных, а порой и абсолютно новых испытаний изгибаемых и сжатых опытных образцов, изготовленных из тяжелого бетона классов В30 и В60. При различных видах напряженно-деформированного состояния исследуются прочность, деформативность и трещиностойкость нормальных и наклонных сечений.

В качестве несущей композитной арматуры при изготовлении новых конструкций используется круглая стекло и углепластиковая рифлёная арматура. При усилении железобетонных конструкций в качестве наружной арматуры будут использованы стеклоткань различного вида плетения, а также ткань и полосы (ламели) из углепластика.

Варьируемыми факторами являются: класс бетона; проценты стального и различных видов композитного армирования; комбинированное внутреннее армирование с расположением стержней в один или два ряда при различном сочетании стали и композита; гибкость элементов и эксцентриситет приложения нагрузки; процент и виды композитного армирования при усилении элементов. Изучается также влияние конструктивных мероприятий на изменение несущей способности усиленных образцов.

Основным методом исследования принят метод прямого сопоставления несущей способности эталонных образцов, изготовленных из обычного тяжёлого бетона со стальной арматурой и аналогичных образцов изготовленных либо усиленных с использованием композитных материалов.

Настоящая постановочная статья начинает в открытой печати широкий цикл публикаций о результатах экспериментов, выполненных согласно предложенной программы. Ниже на страницах данного сборника публикуются две статьи, в которых представлены первые результаты выполненных на данный момент экспериментов. Они посвящены исследованию прочностных и деформативных свойств бетона изготовленных с использованием круглой, рифленой стеклопластиковой арматуры. Указанная арматура произведена и передана для исследования Пермским заводом-производителем. Углепластиковые материалы необходимые для усиления конструкций и все расходные материалы переданы Московским региональным отделением фирмы BASF.

Авторы статьи надеются на активное участие и других заинтересованных в этом вопросе организаций, и ждут предложения по тематике исследований новых композитных материалов и конструкций на их основе. Конечной целью проводимых исследований являются определение рациональной области применения композитных материалов в строительстве и разработка предложений по созданию надежной нормативной базы необходимой для расчета как вновь изготавливаемых, так и усиливаемых конструкций с используемых нетрадиционных материалов.

1. П. П. Польской «Проектирование и расчет железобетонных конструкций, усиленных наращиванием сечений.» Учебное пособие-Ростов-на-Дону РГСУ 2011 г. 164с.