История создания композитной арматуры

 Арматура из композитных материалов, история ее развития и применения в СССР.

Первый большой интерес к неметаллической арматуре появился ещё в середине 20-го столетия по таким обстоятельствам как:

- Широко стали применяться армированные конструкции из бетона в серьезных сооружениях, которые должны был использоваться в агрессивных средах. В таких условиях трудно соблюдать необходимую коррозионную стойкость при эксплуатации стальной арматуры.
- Возникла потребность предоставить необходимые антимагнитные и диэлектрические свойства многих изделий и важных конструкций. Например, центры медицинской помощи, в которых установлены обычно МРТ, и научно-исследовательские институты.
- Разработка строительных проектов, которые отличаются своей сложностью и высокотехнологичностью, требует повышенной прочности и легкости сооружений. Такие условия могла обеспечить лишь композитная арматура совместно с высокопрочным бетоном, известным по названиям полимербетон и фибробетон.
- Недостаток по добыче руд, которые бы подходили для возмещения непрерывно растущих потребностей в стали и как обычно дефицит легирующих присадках.

Первая беспрерывная технология выпуска композитной арматуры Ø 6 мм была разработана в 70-е годы в СССР. В то время арматура изготовлялась из стойкого щелочного стекловолокна с малоциркониевым составом. Её механические и физические свойства тщательно исследовались и изучались.
За несущую основу в высокопрочной арматуре из неметалла было сначала взято сплошное щелочестойкое стеклянное волокно Ø 10-15 микрон, пучок которой объединялся благодаря синтетическим смолам в монолитный стержень.
Внимательно изучали долговечность, химическую стойкость стекловолокна и арматуры в бетоне в разных агрессивных средах. В дальнейшем появилась возможность получить арматуру из стеклопласта со следующими показателями:
- до 1500 МПа - временное сопротивление разрыву,
- 50 000 МПа - начальный модуль упругости,
- 1,8-2 т/м3 – плотность (весовое содержание стекловолокна составляет 80%),
- предельная деформация достигает 2,5-3% к моменту, когда на рабочей диаграмме показывается растяжение прямолинейное вплоть до разрыва,
- долговременная прочность арматуры составляет 65% от временного сопротивления, это при обычных температурных и влажностных условиях,
- 5,5-6,5*10-6 - коэффициент линейного расширения.

Под действием статических нагрузок были исследованы изначально напряженные изгибаемые элементы с представленной арматурой. Подготовлены технологические правила по изготовлению арматуры и составлены предложения по проектированию конструкций из бетона с арматурой из неметалла, обозначены разумные области их использования.
Были подготовлены опытные образцы электроизолирующих траверс опор ЛЭП, разработанные экземпляры монтированы на экспериментальных участках линии электропередач в России, Белоруссии и других бывших союзных республиках. Произведены исследования по использованию арматуры из стеклопластика в опорах контактной сети и в напорных трубах.
Арматура из стеклопластика широко применяется на предприятиях цветной металлургии в ваннах из полимербетона в цехах электролиза, используется на производственных предприятиях в химической промышленности, в плитах оснований и перекрытий на складах минеральных удобрений. Однако в то время применить в полной мере стеклопластиковую арматуру в масштабах заводского производства не удалось.
Неметаллическая арматура широко применялась в 70-е годы 20-го века в сооружениях из лёгкого бетона, в электролизных ваннах, в фундаментах, в сваях, балках и ригелях эстакад, плитах крепления откосов, опорных сооружениях конденсаторных батарей и в безизоляторных траверсах.

Недалеко от г. Рогачев и г. Червень в 1976 году были сконструированы два надвижных склада. Наклонные элементы арок верхнего пояса были армированы изначально напряжённой стеклопластиковой арматурой Ø 6мм. Стержни располагались в двух пазах каждый сечением 10х18 мм, выбранных в нижней пластине элементов. Приопорные поверхности элементов усиливались накладками из деревянных досок толщиной 20 мм.
Процент экономии дерева в армированных несущих элементах составил 22% , благодаря которой на 9% снизилась стоимость конструкции, немаловажным стало снижение массы конструкции на 20%. Стоимость всего здания по сравнению с аналоговыми складами такой же емкости уменьшилась в 1,7 раза.
В местах, где перекрытия изготовлены из полимербетона ФАМ с арматурой из стеклопластика, плиты в основном армируют в продольном направлении стержнями из стеклопластика Ø 6 мм с изначальным напряжением, а в поперечном – без предварительного напряжения. Распределительная арматура полки также выполняется без изначального напряжения. Благодаря такому процессу был достигнута огромная экономия из-за снижения затрат на каждый кв. м. плиты.

Траверсы электроизолирующие для ЛЭП-10 кВ и ЛЭП-35 кВ были разработаны и исследованы в 1969 году. Первый эксплуатационный участок для опытов ЛЭП-10 кВ со стеклопластиковыми бетонными траверсами был сдан в 1970 г недалеко от Костромы.
Участок для опытов ЛЭП-35 кВ с электроизолирующими стеклопластиковыми бетонными траверсами был сдан в эксплуатацию в 1972 году в г. Ставрополь. Конструкция траверсы основывалась на трёх изначально напряжённых стеклопластиковых бетонных стержнях, скрепленных болтами на стальной пластине, которая крепилась хомутами к вершине железобетонной опоры.
Участки для опытов ЛЭП-10 кВ в количестве двух штук начали эксплуатироваться в 1975 году в районе г. Гродно и г. Солигорска. Сборная трёхлучевая конструкция траверсы состояла из двух прямолинейных изначально напряжённых стеклопластиковых бетонных элементов: на горизонтальном элементе располагались два провода, а на вершине вертикального крепился третий провод. Для присоединения сборной траверсы к железобетонной опоре ЛЭП применялись стальные хомуты. Траверсы были выполнены из специального электроизолирующего бетона. Арматура имела в своем составе четыре стержня Ø 6 мм в каждом элементе.
Участки опытных опор ЛЭП на 0,4 и 10 кВт с траверсами из бетон полимера, предварительно армированными стеклопластиковой арматурой Ø 6 мм, были сданы в использование в 1979 году в окрестностях г. Батуми.

Удачно было освоено производство на комбинате цветной металлургии изначально напряжённых электролизных ванн из ФАМ полимербетона в Усть-Каменогорске. Электролизные ванны были армированы стержнями из стеклопластика Ø 6 мм. Габариты таких ванн в плане измерялись 1080х2300 мм, с толщиной стенки 100 мм и высотой 1650 мм. По плану стенки и днище ванн должны были быть армированы двойной арматурой симметричной, шаг стержней которой составлял 200 мм.
В 1975 г. было окончено строительство на то время самого первого клееного деревянного моста в мире длиной 9 м. Проект создала кафедра политехнического института «Мосты и тоннели» г. Хабаровск. Балки моста с поперечным сечением 20х60 см выполнены из древесины ели, а армировали балки четырьмя стержнями из стеклопластика, каждый из которых диаметром 4 мм.
Второй мост такого типа был построен в СССР в 1981 г. через р. Шкотовка, Приморский край. Шесть штук металлических двутавров №45 составляли пролетное строение моста, они были предварительно напряжены затяжками из 12 композитных стержней Ø 6 мм. Благодаря монолитной железобетонной плите балки были без труда объединены. Длина самого пролетного строения составляет 12 м.
В1989 г. был построен мост на основе арматуры из стеклопластика, Хабаровский край. Пять ребристых балок были установлены в поперечном сечении пролетного строения длиной 15 м. Армирование балок было выполнено комбинированным, созданные в них изначальные напряжения осуществлялись за счет четырех пучков. Каждый пучок состоял из 24-х стержней из стеклопластика диаметром Ø 6 мм и одним типовым пучком из проволоки стальной. Балки армировали не напрягаемой арматурой класса А-I и А-II, и такой метод решили оставить без изменений.




Как развивалась и применялась композитная арматура за рубежом.
Арматура из композитов представляет собой стержни неметаллические из стеклянных, базальтовых или углеродных волокон, на поверхности которых выполняются поперечные или спиральные ребра. Неметаллические стержни также могут быть в песчаной обсыпке, которые специально пропитываются термореактивными или термопластичными полимерными связующими.
История разработки композитной арматуры прослеживается после 2 мировой войны, когда ее начали широко применять. Благодаря своей высокой прочности и легкости, композитные материалы завоевала признание в аэрокосмической промышленности. Положительные результаты аэрокосмической и оборонной промышленности, которые достигли своего пика во время холодной войны, привели к еще более обширному применению композитов. В то время США нуждалось в недорогих материалах в условиях развивающейся экономики.
Благодаря получению соосно-ориентированного пластика из волокна, самым быстрым и экономичным способом стал метод формирования деталей с постоянным профилем сечения. Композитные пластики из непрерывного волокна применялись для изготовления удочек и клюшек для игры в гольф. Более серьезно композитные материалы стали рассматривать только в 60-х годах. Их стали использовать в строительстве в качестве альтернативы арматуры из стали.
Строительство и широкое распространение федеральных систем скоростных автострад нуждалось в их круглогодичном техобслуживания в 50-е годы в США. Использование солей для удаления льда на автодорогах получило широкое распространение. Эксплуатирующие организации стали использовать стальную арматуру в подобных конструкциях. Также такая арматура применялась в конструкциях, которые находились под длительным коррозийным воздействием морской соли. Исследовались различные защитные покрытия, такие как полимербетоны, цинковые покрытия, эпоксидные покрытия, покрытия с электростатическим напылением, а также стеклопластиковая арматура.
Наилучшим решением среди вышеперечисленного, стала арматура из стали с эпоксидным покрытием. Её широко стали использовать в агрессивных коррозионных условиях. Применение композитной арматуры до конца 70-х годов не считали особо эффективным решением из-за высокой стоимости самой арматуры. Только в 1983 году Министерством транспорта США был выпущен первый проект «Применение технологии композитных материалов в проектировании и постройке мостов». 
Оказалось, что стеклопластиковая арматура является более эффективной, чем стальная для полимербетона из-за несовместимых характеристик температурного расширения между сталью и полимербетоном.

Проблемы, связанные с плохим состоянием мостов из-за коррозии, стали беспокоить ответственные службы США к концу 70-х годов. Коррозия образуется из-за пагубного воздействия хлорид-ионов, в последствие чего это приводит к быстрому старению мостов. Благодаря появлению коррозии в арматуре с эпоксидным покрытием появился интерес к альтернативным методам, которые позволят избежать ее. В который раз композитную арматуру стали считать главным решением проблем с коррозией мостов и других конструкций.
Большой спрос на неметаллическую арматуру появился на рынке в 80-х годах, её использовали для специфических передовых технологий. Электроизолирующую арматуру широко применяли для медицинского оборудования, а в особенности для МРТ. Композитная арматура стандартно применялась в конструкциях волноломов, для взлётно-посадочных полос, в основаниях реакторов электроподстанций и для электронных лабораторий.
Стеклопластиковые стержни применялись при прокладке настила моста Crowchild в 1997 году вблизи штата Альберта в Канаде.
Арматура из FRP широко применялась в Японии до середины 90-х годов. В стране то время насчитывалось более 100 торговых проектов с использованием арматуры из стеклопластика. Документ «Рекомендации по проектированию и постройке» включал в себя подробную информацию по производству с арматурой FRP. Китай стал самым крупным потребителем стеклопластиковой арматуры, широко использовал ее в новых сооружениях, включая мостовые настилы и специальные конструкции для проведения подземных работ.
В Европе использование арматуры из стеклопластика началось с Германии в 1986 году, во время строительства автодорожного моста из предварительно напряженного FRP (Meier 1992). После окончания строительства моста в Германии были созданы программы для исследования и использования композитной арматуры. Благодаря европейскому проекту BRITE/EURAM Project, который получил название «Элементы из волоконных композитов и технология применения неметаллической арматуры» в 1991-1996 годах производились опыты и полный анализ материалов из FRP. Позднее программу европейских исследований и демонстрационных проектов возглавила компания EUROCRETE.
Канадскими инженерами были разработаны положения по применению арматуры из FRP для Канадского свода норм, который проектировал мосты для автодорог и строил серию демонстрационных проектов.
Во время строительства моста Headingley в Манитобе применяли арматуру из CFRP (углепластика) и GFRP (стеклопластика) (Rizkalla 1997). А при строительстве моста на Kent County Road No. 10 применялась арматура из CFRP для того, чтобы армировать зоны с отрицательным моментом (Tadros et al. 1998). Во время строительства моста Joffre Bridge через реку Сен-Франсуа, расположившемся в Шербруке, применялась арматура из CFRP на плитах напорных, а также арматура из GFRP для дорожных заграждений и тротуаров. В декабре 1997 был открыт мост для проезда, оснащенный волоконно-оптическими датчиками. Эти датчики были интегрированы в структуру арматуры из FRP для того, чтобы дистанционно контролировать деформации (Benmokrane. 2004). Канада до сих пор продолжает оставаться лидером в применении арматуры из стеклопластика при строительстве настилов для мостов.
В США широкое использование арматуры из FRP началось с конца 80-х годов, ранее разработки (ACI 440R), которое в переводе означает «Руководство для проектирования и конструирования бетона, армированного композитной арматурой».
В Северной Америке на сегодняшний момент существуют два крупнейших производителя арматуры из композитных материалов – это компания Hughes brothers (USA) и компания Pultrall (Thetford Mines, Canada). Эти компании входят в состав Совета производителей арматуры из стеклопластика, которому всячески способствует Американское Общество Производителей Композитов. Компании успешно участвуют в разработке различных требований и норм для использования данной арматуры.
Арматура из стеклопластика от компании Hughes Brothers применялась в строительстве моста из бетона в Морисоне, штат Колорадо. Этот мост был возведен Департаментом Перевозок Колорадо благодаря поддержке города и Графства Денвер Паркс и Департамента Восстановления. Общая длина моста составляет 13.8 метра, который перекрывает Бир Крик. Во время строительства моста арматура из стеклопластика применялась в опорах, основаниях, откосных стеновых крыльях, парапетах и изогнутой монолитной бетонной арке.
Необходимым стало применение стеклопластиковой арматуры (GFRP) при строительстве больничных палат для магнитной резонансной томографии. Портовые сооружения также не могут обойтись без применения в их строительстве композитной арматуры. Также стеклопластиковая арматура широко применяется для верхней сетки арматуры для мостовых настилов, для различных заводских армированных бетонных изделий, для орнаментного и архитектурного бетона.
Арматура (GFRP) была применена при проведении тоннельных работ по благоустройству бетонной стены. Эта стена строилась сразу за тоннелепроходческой машиной. Стеклопластиковая арматура получила широкое применение во время строительства крупнейших метрополитенов мира, которые расположены в Азии (Бангкок, Гонконг и Нью-Дели) и Европе (Лондон и Берлин).