Совершенствование свойств стальной арматуры достигло того уровня, развитие выше которого нецелесообразно, по причине либо отсутствия необходимости в этом либо теоретической возможности. Ёе механические и технологические свойства, выполненные принимаемые в соответствии с действующими стандартами, достаточны для решения огромного большинства проблем с минимально возможной стоимостью его использования в железобетоне. Тем не менее, существует узкий список проблем, в которых экономически обоснованной альтернативой является композитная арматура, которая представляет собой диэлектрик с высокой химической стойкостью и радиопрозрачностью.
Основой композитной арматуры как изделия является материал, который образован из композитного волокна (базальт, стекло, арамид, углерод) и связующее — термореактивная синтетическая смола (пластик). В виду высокой стоимости армирование углеродного и арамидного волокна распространения не получили.
В статье были рассмотрены преимущества и недостатки композитной арматуры, была опубликована таблица с техническими характеристиками металлического и композитной арматуры.
Композитная арматура в сравнении со стальной обладает рядом существенных недостатков:
— низкий модуль упругости;
— низкая огнестойкость изделий армированных композитной арматурой;
— невозможность изготовления гнутых арматурных изделий из арматуры в состоянии поставки;
— невозможность использования в качестве сжатой арматуры;
— значительно более высокая стоимость.
Несмотря на традиционно сложившееся мнение за последние десятилетия о наиболее целесообразном использовании композитного армирования в конструкциях с предварительным напряжением, до сих пор были реализованы только несколько подобных примеров и, как правило, в качестве экспериментальных образцов. Фактически практика показала, что это было неправильное позиционирование в области применения, которое было подавлено массовым внедрением.
В дополнение к техническим барьерам для широкого использования композитной арматуры существуют значительные организационные трудности:
— нет единых требований на уровне государственных или международных стандартов на механические свойства, методы контроля и правила приемки арматуры;
— ввиду принципиальной разницы в диаграмме деформации композитной арматуры от сталь-ной не существует понимания по назначению расчетных характеристик. Как правило, расчетные характеристики либо вообще не известны, либо указаны изготовителем на основе индивидуальных соображений;
— нет четкой терминологии и классификации, нет дифференциации для напряженного и ненапряженной арматуры с соответствующими требованиями;
— методы расчета композитных бетонных конструкций не стандартизированы;
— методы для расчета минимального процента арматуры не стандартизированы;
— опыт эксплуатации изделий с данной арматурой недостаточно изучен;
— во многих случаях неверное позиционирование в области применения;
— нет никаких нормативных требований к ширине открытия трещины в конструкциях с композитной арматурой;
— не используется единая методика для контроля механических свойств композитной арматуры используется унифицированная методология;
— требования не стандартизированы, а характеристики сцепления композитной арматуры с бетоном не контролируются каким-либо образом.
Наибольшим препятствием при использовании композитной арматуры является полное отсутствие какой-либо нормативной базы. Единственное упоминание в текущем СНиП — это абзацы. 6.10 и 8.13 ГОСТ 31384-2008 «Защита железобетонных и железобетонных конструкций от коррозии»:
В пять раз более низкий модуль упругости по сравнению со стальной арматурой приводит к уменьшению предельной нагрузки изогнутого элемента без предварительного напряжения не только во второй группе предельных состояний, но и в первом. Высокая деформируемость композитной рабочей арматуры фактически не позволяет производить большинство конструкций, которые обычно выполняются в железобетоне. Если учесть, что в качестве сжатой композитную арматуру использовать невозможно, то расчет и конструкция композитных структур не могут быть выполнены методами, которые оправданы по отношению к железобетону. Уравнения равновесия действительные в отношении сечений со стальной арматурой совершенно не работают в отношении сечений с арматурой, имеющей значительно более низкий модуль упругости. При увеличении удлинения растянутой зоны изогнутого элемента высота зоны сжатия уменьшается, а форма диаграммы напряжений изменяется таким образом, что приводит к уменьшению прочности элемента вдоль поперечного сечения.
В следствие низкого модуля упругости композитной арматуры при проценте армирования ниже определенного уровня и при незначительных напряжениях в арматуре композитобетонная изгибаемая конструкция может разрушиться по бетону. Такой характер разрушения невозможен в случае сечения со стальной арматурой. По этой причине высокие прочностные показатели композитной арматуры в подавляющем большинстве случаев остаются нереализованными. Учитывая данное обстоятельство, на стадии расчета обязательным является контроль минимального процента армирования индивидуально для каждого расчетного случая, т.к. в случае с композитной арматурой его величина не может иметь фиксированного значения, которая, к примеру, в американских нормах является функцией расчетного сопротивления арматуры и геометрических параметров сечения.
Таким образом ошибки в оценки минимального процента армирования композитобетонной конструкции могут привести к разрушению сжатой зоны изгибаемого элемента на стадии образования трещин при нагрузках менее проектных.
Распространенное мнение об отсутствии необходимости контроля ширины раскрытия трещин в конструкциях армированных композитной арматурой входит в противоречия с существующими по данному направлению национальными нормами. К примеру, в соответствии с японскими нормами допускаемая ширина раскрытия трещин — 0,5 мм. Канадские нормы: 0,5 мм для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе и 0.7 мм для конструкций внутри помещений. В соответствии с американским стандартом ACI 318 требования по ширине раскрытия трещин, как со стальной арматурой, так и композитной — идентичны.
Вычисление напряжений в арматуре и высоты сжатой зоны сечения производится по принципиально иным выражениям относительно принятых в действующих СНИП для расчета железобетонных конструкций. Коэффициент принимают от 0,71 до 1,83 в зависимости от уровня сцепления арматуры с бетоном. Для арматуры, производимой в Российской Федерации, значение данного коэффициента не известно, поскольку соответствующих экспериментальных исследований выполнено не было.
Серьезной технологической проблемой является невозможность выполнения гнутых арматурных изделий из композитной арматуры в состоянии поставки. Без гнутых изделий (хомутов, гнутых стержней, шпилек и т.д.) сконструировать армирование конструкции невозможно. Фактически производитель работ должен комплектовать объект арматурными изделиями исключительно по договоренности с производителем самой арматуры, что потенциально несет в себе значительные организационные сложности.
Весьма существенным недостатком композитобетонных конструкций в сравнении с аналогичными железобетонными является их меньшая огнестойкость. Огнестойкость изделий в значительной степени зависит от конструкции ее армирования и величины защитного слоя.
Экспериментальные данные свидетельствуют, что минимальное значение предела огнестойкости составляет 13 минут для изгибаемых конструкций, при этом разрушение является хрупким. При интенсивном разогреве рабочей арматуры до 100°С происходит активное выделение пара из смежных со стержнем микротрещин бетона. При этом мгновенно повышается давление на поверхности арматуры, что приводит к разрушению волокна. Логично предположить, что предел огнестойкости может значительно отличаться для различных производителей арматуры, а также зависеть от материала ровинга, однако, очевидно, что композитную арматуру нельзя применять без специальных конструктивных мероприятий либо дополнительной огнезащиты несущих конструкций, к которым предъявляются требования по огнестойкости.
Выводы. В железобетонных изделиях повсеместно заменить стальную арматуру на композитную очень сложно. Благодаря существующему соотношению цен со стальной арматурой, использование композитной арматуры целесообразно и эффективно только в том случае, если необходимо использовать ее свойства, которые нет в стальной арматуре. Прежде всего, это касается химической стойкости, радиопрозрачности и диэлектрических свойствах.
Чтобы расширить область широкого применения композитного армирования в строительстве, необходимо предпринять следующие меры:
— разработать стандарты, регулирующие требования к качеству арматуры, ее механическим свойствам и методам контроля;
— разработать строительные нормы, регулирующие правила расчета и проектирования сложных композитобетонных конструкций, и установить требования к контролируемым параметрам в предельных состояниях;
— подготовка предложений по оценке характеристик периодического профиля арматуры;
До реализации этих мер можно проектировать композитобетонные конструкция только с использованием иностранных стандартов проектирования и исключительно под арматуру конкретного производителя.