Новости компании Вопросы и ответы
Галерея Статьи и публикации

 Композиты и бетон 

Статья из журнала «Composites Technology», апрель 2005.

 

Преимущества композиционных материалов хорошо проявляются при армировании бетона и строительстве.

Композиты и бетон

Недорогой и разносторонний, бетон является одним из лучших строительных материалов во многих предложениях. Эта публикация о том, как сделать бетон стойким к внешним воздействиям и структурным нагрузкам для обеспечения длительного функционирования. Являясь настоящим композитом, типичный бетон состоит из гравия и песка, связанных вместе в матрице из цемента, с металлической арматурой, обычно добавляемой для усиления прочности. Бетон превосходно ведет себя при сжатии, но становится хрупким и непрочным при растяжении. Растягивающие напряжения, так же как и пластическая усадка во время отверждения, приводят с трещинам, которые поглощают воду, что, в конечном счете, приводит к коррозии металлической арматуры и существенной потере монолитности бетона при разрушении металла

 


 

Композитная арматура утвердилась на строительном рынке благодаря доказанному сопротивлению коррозии. Новые и обновленные конструкторские руководства и тестовые протоколы облегчают инженерам выбор армированных пластиков. Источник: Hughes Bros.

 

Усиленные волокнами пластики (стеклопластик, базальтопластик) с давних пор рассматривались как материалы, позволяющие улучшить характеристики бетона. Институт Бетона Америки (The American Concrete Institute (ACI)) и другие группы, такие как Японское Сообщество Гражданских Инженеров (Japan Society for Civil Engineers), помогали разработать спецификации и методы тестирования для материалов на основе усиленных пластиков, многие из которых уже допущены и твердо закрепились в строительстве с использованием бетона. «В добавление к конструкторским документам, у нас теперь есть и методики тестирования», - говорит Джон Бюсел, председатель ACI's Committee 440, основанного в 1990 году для обеспечения инженеров и конструкторов информацией о композиционных материалах. Методики тестирования описаны в руководстве ACI's Committee 440. «Мы также уверенно работаем над редакцией нашего доклада 1996 года, для обеспечения специалистов по бетону обновленной информацией о новых приложениях и рынках», - говори Бюсел.

Композитная арматура и армирующие сетки на ее основе продолжают находить применение в ряде приложений. Более того, недавно были разработаны продукты и увеличено число приложений для усиленного волокнами бетона, материала, который использует стальные или полимерные волокна в качестве армирующих добавок для настилов, напольных плит и сборных частей.

 

Композитная арматура : признанная технология

За последние 15 лет композитная арматура перешла от экспериментального прототипа  к эффективному заменителю стали во многих проектах, особенно в связи с повышением цен на сталь. «Стеклопластиковая арматура часто используется, и это очень конкурентный рынок», - говорит Дуг Гремел (Doug Gremel), руководитель направления неметаллического армирования компании Hughes Bros. (Seward, Neb.), известного производителя продуктов на основе арматуры. «Состояние промышленных знаний об этом материале существенно выше, чем 10 лет назад».

Для некоторых конструкторских проектов, таких как оборудование для магниторезонансной томографии в больницах, или приближение к будкам-пунктам взимания дорожной оплаты, которые используют технологию радиочастотной идентификации для определения уже оплативших покупателей, композитная арматура является единственным выбором. Стальная арматура не может быть использована, потому как интерферирует с электромагнитными сигналами. В добавление к электромагнитной прозрачности, композитная арматура также необычайно стойкая к коррозии, легкая по весу - около одной четверти от веса аналогичной стальной, и является теплоизолятором, потому как препятствует протеканию тепла в строительных конструкциях. Двумя самыми крупными производителями композитной арматуры являются компания Hughes и компания Pultrall (Thetford Mines, Canada).

Технологией производства композитной арматуры обычно является пултрузия, с использованием ровинга из Е-стекла, винилэфирной смолы и стандартных техник формования. Продукты Aslan компании Hughes производятся с спиралевидной закруткой для придания волнообразного профиля, в то время как прутки V-ROD компании Pultrall являются гладкими. Оба вида арматуры имеют наружное песочное покрытие, наносимое во время производства, для придания поверхности шероховатости для оптимальной адгезии при связке с бетоном. В соответствии со словами Гремела, необходима винилэфирная смола высокого качества, связанная с волокнами правильно подобранного размера, как для достижения наилучших коррозионных свойств и сопротивления щелочам в цементе, так и для прочной связи.

Из-за того, что механические свойства стекла отличны от свойств стали, структура бетона с композитной арматурой разрабатывается в соответствии с ACI 440.1R-03, руководством для дизайна и конструкции бетона, армированного стеклопластиковой арматурой (Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars).  Компании Hughes и Pultrall являются членами Совета Производителей стеклопластиковой арматуры (FRP Rebar Manufacturers Council), под покровительством Американского Общества Производителей Композитов (American Composites Manufacturers Assn. (ACMA)), и вовлечены вместе с ACI в разработку минимальных требований и норм для арматуры. Несмотря на то, что композитная арматура не может быть согнута подрядчиком для получения нужных конструкций, Гремел считает, что это не является проблемой. «Стальная арматура, покрытая эпоксидной смолой, также не может быть согнута без повреждения покрытия», - сказал Гремел. «Мы можем согнуть стеклопластиковую арматуру при производстве в соответствии с дизайном инженера и подробной программой, что и как должно быть сделано». С появлением новых методик тестирования бетона с композитной арматурой, у собственников и конструкторов теперь появилась гарантия, что структура будет вести себя так, как и ожидается. Гремел замечает, что руководство по тестированию будет приведено с стандарту ASTM.

Композиты и бетон Арматура V-ROD компании Pultrall поставляется в США эксклюзивно фирмой Concrete Protection Products Inc. (CPPI, Даллас, Техас). Президент CPPI', Сэм Стир (Sam Steere) докладывает о нескольких недавних проектах с использованием арматуры V-ROD, включая новый мост, который  перекрывает шоссе I-65 в Графсте Ньютон (Newton County), Индиана. Мост состоит из трех пролетов, длиной 58 метров, шириной 10,5 метров, с усиленным бетонным полотном, которое находится наверху I-образных стальных балок, которые поддерживаются бетонными опорами.  Бетонная плита толщиной 203 мм усилена стальной арматурой с эпоксидным покрытием в нижней половине, но в верхней половине использованы коррозийно стойкие композитные прутья V-ROD, вследствие того, что в этой части плиты возможность контакта с солями, использующимися для борьбы с обледенением, наиболее высока. Бетон 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. Вся структура была оборудована оптическими волоконными сенсорами при помощи исследователей из Университета Purdue University, для непрерывной оценки характеристик плиты посредством удаленного соединения. Стир говорит, что это первое использование композитной арматуры в мостовом полотне, сделанное Департаментом перевозок Индианы (Indiana Department of Transportation). 




Стеклопластиковая арматура Aslan 100 компании Hughes Bros. была недавно установлена в бетонном мосту в Морисон, Колорадо (Morrison, Colo.), построенным Департаментом Перевозок Колорадо  (Colo. Dept. of Transportation (CDOT)) при сотрудничестве с Городом и Графством Денвер Паркс (City and County of Denver Parks) и Департаментом Восстановления  (Recreation Dept). Для моста длиной 13.8 метра, перекрывающего Бир Крик (Bear Creek), использовалась стеклопластиковая арматура в основаниях, опорах,  откосных крыльях стены, парапетах и изогнутой монолитной бетонной арке. Полностью цельная композитная плита, которая находится наверху бетонной арки, была сделана компанией Kansas Structural Composites (Russell, Kan.). Арматура нескольких типоразмеров была вмонтирована в литые элементы, включая арматуру #5, #6 and #7 (19 мм в диаметре). Потребовалось много гнутых скоб и уникальных форм для достижения разработанной конструкции, подчеркивает Гремел, добавляя, что все они были предварительно сделаны на фабрике. Инженер CDOT Марк Леонард (Mark Leonard) говорит, что прошлые проекты штата с применением композитной арматуры были успешны, и арматура Aslan компании Hughes была выбрана из-за более низкой предложенной цены. Хотя мостовой настил подвергается минимальной транспортной нагрузке при низких скоростях, Леонард говорит, что конструктор моста Парсонс Бринкерхоф (Parsons Brinkerhoff (Denver, Colo.)) следовал всем конструкторским рекомендациям ACI и использовал новые методики тестирования ACI440.3R-04 для сертификации материалов.

Предполагается, что рынок композитной арматуры станет еще более конкурентоспособным когда упрочнится положение нового материала - базальтового волокна. Компания Sudaglass Fiber Technology (Хьюстон, Техас), производитель базальтового волокна, производство которого расположено в России и Украине, имеет задел на производственных мощностях в северном Техасе, говорит исполнительный вице президент Sudaglass, Грахам Смит (Graham Smith). По словам Смита, арматура на основе базальтового волокна и эпоксидной смолы сейчас производится по технологии пултрузии на Украине, и находится в процессе сертификации для использования в строительстве в США.

При плотности лишь немного выше, чем у типичного стеклянного волокна, базальтовое волокно имеет существенно более широкий диапазон рабочих температур от -260°C до 982°C, по сравнению с номинальным диапазоном от -60°C до 650°C для стеклянного волокна. Температура плавления базальта 1450°C делает его пригодным для использования в приложениях, требующих стойкости к огню. К тому же, замечает Смит, базальт демонстрирует превосходную стойкость к щелочной составляющей в бетоне без обращения к специальным сортировкам по размеру, используемым для защиты стеклянного волокна.

Каким бы не был выбор армирования, композитная арматура, вероятно, имеет более широкую привлекательность среди лиц, ответственных за принятие проекта. «Практическим результатом для хорошего инженера или конструктора, пытающегося решить проблему коррозии, является то, что при увеличении материальных затрат на 5-7% вы на 10-20 лет продлеваете срок эксплуатации структур с использованием композитной арматуры», - подводит итог Гремел.

 

Композитные сетки в сборных бетонных панелях: высокий потенциал

С момента первого доклада CT об использовании усиленных волокнами полимерных сеток в сборных бетонных конструкционных панелях ("Composite Solutions Meet Growing Civil Construction Demands," CT August 2002, p. 40), рынок показал значительный рост, говорит Бюсел. «Область этого применения огромна», - утверждает он. «Здесь есть огромный потенциал».

Направление возглавляется группой AltusGroup, консорциумом пяти производителей сборных бетонных панелей и производителя арматуры, компанией TechFab LLC (Anderson, S.C.), сформированным специально для продвижения технологии CarbonCast, при использовании которой недавно разработанные углеродно-эпоксидные сетки C-GRID заменяют традиционную сталь или арматуру в сборных структурах в качестве вторичного армирования. TechFab является 50/50 объединением компании Hexcel (Дублин, Калифорния) и компании Chomarat Group (Le Cheylard, Франция). До сих пор 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 также могут быть приняты новые участники благодаря возрастающему объему продаж, говорит Джон Карсон (John Carson), руководитель коммерческого развития TechFab и глава программы технологий C-GRID

 

 

Композиты и бетонC-GRID является крупной сеткой из жгутов на основе углерода/эпоксидной смолы. Используется как замена вторичной стальной армирующей сетки в бетонных панелях и архитектурных приложениях. Размер сетки меняется как в зависимости от бетона и типа заполнителя, так и от требований к прочности панели. Источник: AltusGroup  

AltusGroup предлагает ассортимент продукции на основе CarbonCast, включая конструкционные и не строительные изолированные панели и наружную облицовку. C-GRID обычно заменяет вторичные армирующие элементы на основе сетки стальных нитей. В качестве первичного армирования по-прежнему во многих случаях используется обычная стальная арматура. C-GRID производится в эффективном, запатентованном квази-тканном процессе, который совмещает наложенные основу и уток углеродных волокон, смоченных высокореакционной эпоксидной смолой, в открытой структуре. Размеры ячейки сетки изменяются в пределах от 25.4 мм до 76 мм, в зависимости от требований к прочности панели, типа бетона и размера наполнителя. В процессе производства поверхности сетки придается шероховатость, которая улучшает прочность связи между сеткой и бетоном. Сетки, содержащие стеклянные, арамидные или полимерные волокна в сочетании с любым ассортиментом смол, также доступны в линейке продукции MeC-GRID компании TechFab. Как углеродные, так и не содержащие углерода сетки находят применение в других областях, таких как декоративные элементы, монолитные бетонные конструкции и ремонт или восстановление.

Панели CarbonCast имеют значительные преимущества, говорит Карсон. C-GRID гораздо более легкие и обладают свойствами растяжения почти в 7 раз лучшими, чем сталь. Вероятность разломов вследствие усадки при высыхании существенно снижена, и C-GRID не коррозирует, что устраняет часто проявляемые неприглядные пятна на поверхности бетонных панелей, армированных стальной арматурой.  Коррозийная стойкость позволяет использовать покрытие бетона толщиной всего 6.35 мм, в то время как может потребоваться до 76.2 мм покрытия для защиты стальной сетки от воздействия влаги. Таким образом, вес панели может быть уменьшен на 66% по сравнению с обычными панелями. Более легкие панели позволяют снизить общий вес стены, что соответственно требует меньшей стальной подструктуры, позволяя значительно снизить затраты на строительство. C-GRID также слабо проводит тепло, так что величина изоляции панели не меняется. Более того, при помощи пилы в панелях могут быть прорезаны отверстия непосредственно на месте работ, что невозможно сделать при использовании стальной сетки для армирования. Все эти преимущества в итоге выражены в снижении расходов на транспортировку, возведение и подструктуру, что способствует более эффективному строительству.

На сегодняшний день было продано более 3 млн. кв. футов панельной продукции CarbonCast и спрос так высок, что TechFab недавно анонсировала крупные планы по развитию. Новая фабрика вместит добавочную линию по производству сетки, что, по словам Карсона, должно быть сделано в октябре этого года. Анонс планов близко соответствует долговременному соглашению с Zoltek Corp. (St. Louis, Mo.), компанией-поставщиком волокна Panex 35, используемого в C-GRID. По словам Карсона, соглашение обеспечит последовательные поставки для C-GRID  во время первых лет запуска продукции. «Компания Zoltek была нашим первым поставщиком волокон и партнером с первого для этого проекта», - заметил Карсон.

Сборные панели были использованы в таком многообразии проектов как кинотеатры, церкви и парковочные гаражи. Последним проектом был офисно-складской комплекс Cardinal Health рядом с Балтимором (Baltimore) площадью 332 000 кв. футов. Были отлиты панели CarbonCast длиной до 15.5 метров, для формирования двухэтажных наружных вертикальных стен здания. Каждая панель представляет собой сэндвич структуру с изоляционным слоем пены толщиной 152 мм между облицовками, состоящими из наружной кирпичной перегородки толщиной 50 мм (бетонный слой) и внутренней кирпичной перегородки толщиной 100 мм. C-GRID, расположенная перпендикулярно к поверхностям панелей, соединяет внутреннюю и наружную облицовки, обеспечивая усиление на срез.

«С этой концепцией мы направляемся к высшей ступени», - говорит Карсон. «Мы добавляем новую продукцию, чтобы обеспечить расширение ее применений».

 

Армированный волокнами бетон : проявление прочности

Использование коротких волокон в бетоне для улучшения его свойств было признанной технологией на протяжении десятилетий, и даже веков, если принять во внимание, что в Римской Империи строительные растворы были армированы конским волосом. Армирование волокнами усиливает прочность и упругость бетона (способность к пластической деформации без разрушения) посредством удерживания части нагрузки при повреждении матрицы и препятствуя росту трещин. Др. Виктор Ли (Dr. Victor Li) из Университета Мичиган (University of Michigan) исследовал свойства высокоэффективных  армированных волокнами цементных композитов, чрезвычайно высокоэффективных подгрупп армированного волокнами бетона, и он считает, что признание этого материала будет расти, до тех пор пока характеристики, низкая стоимость и простота исполнения сохраняются.

«Использование этого материала может привести к устранению использования арматуры, работающей на срез, что приведет к снижению материальных и трудовых затрат», - говорит Ли. «Прореживаемая структура снижает объем материала и собственный вес, и делает транспортировку более легкой. Общее снижение затрат по этим факторам может легко оправдать расходы на армированный волокнами материал».

Официальное признание армированного волокнами бетона способствовало публикации стандартов и руководств по его использованию за последние пять лет (смотрите CT July/August 2001, p. 44). С этого времени начался расцвет коммерческих приложений.

Гигант строительных материалов, компания Lafarge SA (Париж, Франция), продвигает свой высокоэффективный армированный волокнами бетонный материал, торговое название Ductal, вот уже около 10 лет, нацеливаясь на широкий диапазон гражданской инфраструктуры и архитектурных приложений. Ductal является смесью цемента, кварцевой крошки, кварцевой муки, мелкого кварцевого песка, пластификаторов, воды и стальных или органических волокон, обычно 12 мм длиной. Вик Перри (Vic Perry), вице президент/генеральный директор направления Ductal, говорит, что комбинация мелкозернистых порошков, выбранных по соответствующему размеру зерен, создает максимальную компактность при отверждении, что выражается в полном отсутствии пористости и фактически исключает доступ влаги и потенциальную коррозию стальных волокон. Волокна из поливинилового спирта обычно используются в архитектурных и декоративных приложениях, для предотвращения вероятности поверхностного травления, которое может иметь место при коррозии стальных волокон, и для удаления абразивности в местах, где предполагается контакт человека с поверхностью. Производителям изделий из бетона и поставщикам растворов материалы продаются в мешках.

«Добавление волокон позволяет материалу деформироваться пластично и выдерживать растягивающие нагрузки», - говорит Перри. «Волокна привносят прочность и улучшают микроструктурные свойства».

В зависимости от типа используемых волокон, выдерживаемые материалом Ductal нагрузки на сжатие варьируются от 150 МПа до 200 МПа, для сравнения у стандартного бетона эта величина 15-50 МПа. Проверенная прочность на изгиб составляет 40 МПа, говорит Перри. Ductal, армированный стальными волокнами Lafarge's Forta steel fibers, был использован для сборного строительства и в нескольких предварительно напряженных мостовых балках. В Saint Pierre La Cour, Франция, 20-ти метровый перевозочный мост был сконструирован с применением 10-ти I-образных балок из Ductal, поддерживающих традиционную монолитную армированную стальной арматурой бетонную плиту толщиной 170 мм. Сборные балки, не содержащие арматуры, углублены на 600 мм и были предварительно напряжены при помощи стальных плетеных кабелей толщиной 13 мм, размещенных в нижней кромке. Напряжение прикладывается к кабелям перед тем, как Ductal заливается в форму балки. Как только бетон покрывает кабели и материал начал твердеть, они обрезаются, что, в сущности, прикладывает напряжение сжатия к бетонной смеси.

Когда вы подвергаете предварительно напряженную балку любому изгибу, объясняет Перри, она не испытывает растягивающих нагрузок, а вместо этого «разжимается», значительно улучшая характеристики. Вследствие прочности Ductal, балки не требуют армирования арматурой, что значительно снижает вес.

Структуры из Ductal, в сечении имеющие форму греческой прописной буквы «?» (по сути  балка коробчатого сечения без нижней кромки), функционируют как настил и как балки на опытном мосту, установленном на тестовом пути в Лаборатории Федеральных Магистралей США им. Тернера Фэйрбэнка (U.S. Federal Highway Authority's (FHWA) Turner Fairbank Laboratory), для исследования пригодности дизайна к будущему строительству высокоскоростных трасс. «?»-образная балка-настил сконструирована для выдерживания нагрузок, определенных Американской Ассоциацией Государственных Магистралей и Перевозок (American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO)). 

 

 

 

Композиты и бетонУсиленный волокнами бетон был использован для изготовления этих предварительно напряженных мостовых балок на тестовом производстве FHWA. Использование арматуры не потребовалось из-за высокой эластичности и прочности материала, которая была придана ему стальными армирующими волокнами, добавленными в бетонную смесь. Источник: LaFarge  

«Балки из Ductal имеют большую протяженность при том же весе балки», - говорит Перри. «В итоге, мы увидим армированный волокнами бетон в балках и мостовых настилах».

Компания SI Concrete Systems. (Chattanooga, Tenn.) является производителем армирующих волокон для бетона. SI предлагает Novomesh, Fibermesh и другую продукцию из волокон которая используется в качестве альтернативы вторичной армирующей сетки из стальных нитей и легкой арматуры как в офисных, так и в жилых приложениях, говорит Хал Пэйн (Hal Payne), руководитель стратегических союзов компании SI Concrete Systems. SI предлагает полипропиленовые волокна, стальные волокна, макросинтетические волокна (macrosynthetic fibers) и промышленные смеси. По словам Пэйна, продукты на основе полипропиленовых волокон необходимы для контроля ранней стадии трещин, возникающих из-за пластической усадки, для предотвращения роста этих трещин в большие щели во время высыхания бетона. Novomesh 950 является новым продуктом компании и состоит из смеси необработанных макросинтетических и отборных, фибрилированных микросинтетических волокон. Пэйн говорит, что этот продукт дает такой же хороший результат, как и использование стальных волокон, предназначенных для промышленных плит перекрытий.

Компания Kingspan (Sherburn, Malton, N. Yorkshire, U.K.), являющаяся специалистом по бетонному строительству, использует волоконные добавки для бетона производства Bekaert Building Products (Friedrichsdorf, Germany). Формованные стальные волокна Dramix компании Bekaert добавляются в бетон при производстве полов и кровель без армирования стальными сетками. Продукт является идеальным для строительства в сжатые сроки, такие как расширение трехэтажного Spurriergate в имеющий историческое значение город Йорк Великобритании (U.K. city of York). Т.к. бетон не требует армирования стальной сеткой, изначально устраняются стоимость стальной сетки и все трудозатраты, необходимые для доставки рулонов арматуры, ее резку и установку в многоэтажном здании до операций по заливке бетона. Бетонные полы, армированные волокнами, были установлены в единой операции, при помощи простой доставки армированного волокнами материала прямо к каждому полу, используя автоматическое насосное оборудование. 

В Австралии, Франции, Японии и США, предварительные конструкторские руководства теперь дают методические указания и допуски для армированного волокнами бетона, что является значительным показателем в его возрастающем признании конструкторами, инженерами и ответственными лицами на рынке инфраструктуры. «Материал предлагает такие решения, как быстрота строительства, улучшенный внешний вид, великолепная эластичность и стойкость к коррозии», - говорит Перри. «Это переводится в снижение расходов на обслуживание и более длительное время эксплуатации структуры».