Что инженеру нужно знать о композитной арматуре из стеклопластика
В конструкциях из бетона, армированных стальной арматурой (железобетонных конструкциях), коррозия металлической арматуры снижает срок службы конструкции и требует дорогостоящего ремонта. Когда железобетонные конструкции подвергаются воздействию влаги в сочетании с хлоридами и CO2, происходит разрушение бетона, что приводит к значительным ремонтным работам, обычно после 25 лет эксплуатации. По мере старения конструкции можно ожидать значительных ремонтных работ каждые десять лет до тех пор, пока не потребуется замена конструкции, обычно после 50-75 лет непрерывной эксплуатации. Исследователи и инженеры изучают коррозию в бетонных конструкциях и исследуют способы ее предотвращения. Использование арматурных стержней из композитных материалов на основе волокон, таких как армированные полимеры (FRP — Fiber Reinforced Polymer), было рассмотрено в начале 1960-х годов как одно из потенциальных решений для предотвращения коррозии в армированном бетоне. С 1980-х годов исследования армированных полимеров, проведение демонстрационных испытаний и коммерциализация достигли значительного развития и продолжаются до сих пор.
Как и с любой новой технологией строительства или новым строительным материалом, критически важно иметь строительные нормы и правила для этих материалов, чтобы обеспечить безопасность и устойчивость конструкций. За последние несколько десятилетий в отрасли были разработаны руководящие принципы проектирования для бетонных конструкций с использованием арматуры из композитных материалов. ACI PRC-440.1R, Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Bars (Руководство по проектированию и возведению бетонных конструкции армированных полимерной арматурой) был опубликован впервые в 2001 году. Он описывает множество аспектов, характерных для бетонных конструкций, армированных полимерной арматурой, и широко используется в отрасли. Однако это руководство не является обязательным. Поскольку исследования и применение бетона, армированного стеклопластиковой арматурой, продвигаются вперед, возникла необходимость в стандартах и нормативах, на которые можно было бы напрямую ссылаться и которые могли бы быть использованы в других строительных нормах.
В 2017 году был представлен стандарт ASTM D7957, Standard Specification for Solid Round Glass Fiber Reinforced Polymer Bars for Concrete Reinforcement (Стандартная спецификация для круглых стеклопластиковых стержней сплошного сечения для армирования бетона), устанавливающий требования к стеклопластиковым стержням (GFRP). Стеклопластиковые стержни, удовлетворяющие этому стандарту, должны соответствовать минимальным требованиям к геометрии, материалу, механическим и физическим свойствам. В 2008 году ACI (American Concrete Institute — Американский институт бетона) опубликовал строительные нормативы для бетонных конструкций, армированных полимерной арматурой, которые недавно были обновлены в 2022 году. В ACI SPEC 440.5-22, Construction with Glass Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bars (Строительство с использованием стеклопластиковых арматурных стержней) представлены обязательные требования к конструкции, на которые могут прямо ссылаться проектные спецификации. В сентябре 2022 года ACI опубликовало ACI 440.11-22, Building Code Requirements for Structural Concrete Reinforced with Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) Bars (Нормативные требования для конструкционного бетона, армированного стеклопластиковыми стержнями (GFRP)). С публикацией этого норматива теперь существует полный набор норм и стандартов, которые позволяют инженерам уверенно и безопасно проектировать конструкций армированные полимерной арматурой. Следует отметить, что все эти нормы и стандарты касаются стеклопластиковой арматуры (GFRP). В будущем могут быть разработаны стандарты ASTM (American Society for Testing and Materials — Американское общество по испытаниям и материалам) и нормы проектирования ACI для других видов полимерной арматуры.
Что такое стеклопластиковая арматура?
В бетонных конструкциях стеклопластиковая арматура представляют альтернативу стальной арматуре. Они являются композитными материалами, состоящими из волокон, встроенных в полимерные смолы (рисунок 1). Немагнитная и некоррозионная природа материалов позволяет использовать их в качестве арматуры без проблем с электромагнитными помехами или коррозией стали. Кроме того, стеклопластиковая арматура обладает такими характеристиками, как высокая прочность на растяжение, что делает их подходящими для армирования конструкций.
Рисунок 1. Виды стеклопластиковой арматуры, преимущественно используемых в строительстве
Как отмечается в ACI 440.1R-15, механическое поведение арматуры из стеклопластиковых материалов отличается от поведения традиционной стальной арматуры. Следовательно, требуется изменение традиционной философии проектирования железобетонных конструкций. Материалы на основе композитных полимеров являются анизотропными и характеризуются высокой прочностью на растяжение только в направлении армирующих волокон. Это анизотропное поведение влияет на прочность на сдвиг, нагельное сопротивление арматурных стержней (dowel action) и сцепление с бетоном. Кроме того, композитные полимеры не проявляют пластичности; они являются упругими до разрушения. Процедуры проектирования должны учитывать отсутствие пластичности в конструкциях, армированных полимерной арматурой. На рисунке 2 показано соотношение напряжение-деформация различных материалов для армирования.
Рисунок 2. Диаграмма Напряжение-деформация различных материалов для армирования
(Carbon HM — углеродное волокно с высоким модулем упругости (High Modulus Carbon Fiber); Carbon HS — углеродное волокно высокой прочности (High Strength Carbon Fiber); Aramid — арамидные волокна; Glass — стекловолокно; Steel tendon — арматурные канаты; Steel bars — арматурные стержни)
Преимущества и применение
Одно из основных преимуществ арматурных стержней из композитных материалов заключается в их невосприимчивости к коррозии. Это привело к использованию арматурных стержней из композитных материалов в качестве альтернативы стальным арматурным стержням там, где коррозия стальной арматуры является значительной проблемой. Например:
а) Морские сооружения, которые непосредственно подвержены воздействию морской воды;
б) Прибрежные здания и инфраструктура, которые подвержены воздействию хлоридов из окружающих морских вод;
в) Мостовые плиты и дорожные покрытия, подверженные высоким уровням агрессивных противогололедных реагентов;
г) Гаражи, подверженные воздействию транспортных средств, перевозящих противогололедные реагенты;
д) Промышленные предприятия подверженные воздействию агрессивных сред.
Далее, стеклопластик — это высокопрочный, легкий материал с удельной плотностью от ⅓ до ¼ плотности стали. Например, стержень из стеклопластика №5 весит приблизительно 0,30 фунта/линейный фут (pounds/lineal foot), в то время как стальной арматурный стержень №5 весит 1,04 фунта/линейный фут. Меньший вес арматурных стержней из стеклопластика может снизить транспортные расходы и трудозатраты, а также обеспечивает простоту в обращении.
Кроме того, арматурные стержни из стеклопластика относительно легко режутся с помощью циркулярной пилы с карборундовым диском. Также можно использовать пилы с возвратно-поступательным движением с металлическими лезвиями (газовые горелки или инструменты типа болторезов ни в коем случае не следует использовать для резки арматурных стержней из композитных материалов). Эти стержни режутся быстрее и с гораздо меньшим усилием, чем стальные стержни, что позволяет ускорить и упростить процесс монтажа.
Наконец, арматурные стержни из композитных материалов являются неметаллическими и немагнитными, что приносит преимущества в определенных случаях, связанных с воздействием электромагнитных полей. Например, использование стальной арматуры вблизи оборудования, генерирующего магнитные поля, может нарушить работу этого оборудования. Аналогично, оборудование, генерирующее высокий ток, может вызывать высокую тепловую нагрузку на стальную арматуру, что снижает ее несущую способность. В таких случаях неметаллическая арматура становится необходимым компонентом безопасной и эффективной работы оборудования. К таким случаям могут относиться области вокруг аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ) в больницах, поезда на магнитной подушке и реакторы в электростанциях. Стержни из стеклопластика не проводят электричество и имеют низкую теплопроводность. Поэтому они используются там, где необходимо избегать тепловых мостиков.
Характеристики стержней из стеклопластика
Арматурные стержни из стеклопластикового композита состоят из волокон, которые обеспечивают механическую прочность, смолы, которая помогает передавать и распределять напряжение волокнам, обеспечивает защиту волокон от воздействия окружающей среды и механических повреждений, а также наполнителей, которые снижают стоимость и уменьшают усадку. Взаимодействие между волокном и матрицей существенно влияет на характеристики композитов из стеклопластика. Кроме того, такие факторы как объем волокон, тип волокон, тип смолы, ориентация волокон, диаметр стержня и контроль качества во время производства, играют важную роль в определении характеристик стержня из стеклопластика.
Объемная доля (volume fraction) представляет собой отношение объема волокон в композите к общему объему материала. Более высокие значения объемной доли, которые варьируются обычно в диапазоне от 70% до 80%, обеспечивают более высокие показатели прочности на растяжение. Также ориентация волокна играет важную роль в определении механических свойств и других характеристик, таких как коэффициент термического расширения (coefficient of thermal expansion), теплопроводность и электропроводность стеклопластиковых стержней. Для максимально эффективной работы конструкции волокна ориентируют вдоль направления основных напряжений. Ориентация волокон вдоль длины стержня приводит к высокой прочности и жесткости вдоль длины, но относительно более низкой прочности и жесткости в поперечном направлении. Это объясняет более низкую прочность на сдвиг, прочность сцепления с бетоном и более низкое нагельное сопротивление арматурных стержней из стеклопластика по сравнению со стальной арматурой.
Механические свойства
- Свойства при растяжении. Как показано на рисунке 2, растяжение стеклопластиковых стержней характеризуется линейно-упругим поведением до разрушения. Прочность на растяжение стеклопластиковых стержней варьирует в зависимости от их размера, в то время как продольный модуль упругости не претерпевает заметных изменений. Обычно стержни большего диаметра имеют более низкое сопротивление растяжению, так как внешние волокна стержня более напряжены, чем внутренние волокна стержня, когда он находится под растягивающей нагрузкой (и связан с бетоном). ACI 440.11 использует характеристику, называемую гарантированной предельной прочностью на растяжение (guaranteed ultimate tensile strength), указанную в ASTM D7957. ASTM D7957 предоставляет таблицу минимальной растягивающей силы для стеклопластиковых стержней с различными значениями в зависимости от их размера. Например, минимальная растягивающая сила для стержня диаметром 1/4 дюйма (No. 2) составляет 6,1 kips (kilo-pounds – тысяча фунтов), что примерно равно 125 ksi (kilo pounds per square inch – тысяча фунтов на квадратный дюйм), в то время как минимальная прочность стержня диаметром 11 1/4 дюйма (No. 10) составляет 98,2 kips, что примерно равно 77 ksi.
- Свойства при сжатии. Прочность на сжатие стеклопластиковой арматуры может быть значительной, но обычно не такой высокой, как ее прочность на растяжение. Проектные критерии ACI 440.11 предполагают, что стеклопластиковые стержни имеют такой же модуль упругости на сжатие, как и бетон, и обеспечивают эквивалентное сжатие.
- Прочность на сдвиг. Прочность на сдвиг стеклопластиковых арматурных стержней обычно ниже, чем у арматурных стержней из стали с сопоставимыми размерами, из-за анизотропной природы стеклопластиковых стержней. ACI 440.11 предусматривает более низкию прочность бетона на сдвиг (Vc) на основе испытаний бетонных балок, армированных стеклопластиковой арматурой, и это может быть частично обусловлено более низким нагельным сопротивлением стеклопластиковых стержней по сравнению со стальной арматурой. ACI 440.11 не рассматривает использование стеклопластиковых арматурных стержней для передачи поперечных сил через соединения между различными элементами или материалами в конструкции.
- Прочность сцепления. Стеклопластиковые арматурные стержни, предназначенные для армирования бетона, обычно имеют поверхностную обработку, которая обеспечивает сцепление с бетоном. Это могут быть песчаное покрытие, деформации, такие как спирально наматываемые волокна, которые углубляются в поверхность стержня, или выступы и пазы, изготовленные на поверхности стержня. (Существуют типы стеклопластиковых арматурных стержней без поверхностной обработки, такие как стержни, используемые для усиления существующих конструкций. Однако эти типы армирования выходят за рамки ACI 440.11.). Стеклопластиковые арматурные стержни, соответствующие ASTM D7957, должны иметь соответствующую поверхностную обработку и гарантированную прочность сцепления с бетоном не менее 1100 psi при испытании в соответствии с ASTM D7913, Standard Test Method for Bond Strength of Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite Bars to Concrete by Pullout Testing (Стандартный метод испытания на прочность сцепления с бетоном композитных стержней из полимерной матрицы с помощью испытаний на выдергивание). ASTM D7913 представляет собой стандарт, описывающий испытание на выдергивание аналогичное тому, что используется для оценки прочности сцепления стальных стержней.
- Прочность при изгибе. Из-за их линейно-упругого поведения стеклопластиковые арматурные стержни нельзя согнуть в условиях строительной площадки (так чтобы после снятия нагрузки она оставалась согнутой). Однако производители стержней часто выпускают стержни с изгибами под углом 90°. Стержни с изгибами более 90° как правило не производятся; поскольку стеклопластиковые стержни не поддаются пластическому изгибу большие углы изгиба не улучшают их характеристики. Кроме того, радиусы изгиба, которым должны следовать волокна для создания таких изгибов, приводят к снижению прочности на растяжение в области изгиба. Согласно ASTM D7957, прочность на растяжение изогнутой части стержня должна быть не менее 60% прочности прямой части стержня.
Таблица коэффициента теплового расширения стеклопластиковых арматурных стержней. (Американская система мер).
AFRP: Aramid Fiber Reinforced Polymer (полимер армированный арамидными волокнами), CFRP: Carbon Fiber Reinforced Polymer (полимер армированный углеволокном), GFRP: Glass Fiber Reinforced Polymer (полимер армированный стекловолокном), BFRP: Fiber Reinforced Polymer (полимер армированный базальтовым волокном). Longitudinal CTE — коэффициент линейного теплового расширения вдоль направления волокон. Transverse CTE — коэффициент линейного теплового расширения поперек направления волокон.
Тепловые свойства
- Коэффициент теплового расширения (КТР) композитных материалов варьирует в зависимости от ориентации волокон. Обычно полимеры в композитных материалах имеют относительно высокий КТР, а волокна имеют относительно низкий КТР (арамидные и углеродные волокна могут иметь отрицательные значения КТР). В направлении волокон, более низкий КТР волокон ограничивает общий КТР композитного материала. В направлении, перпендикулярном волокнам, КТР остается достаточно большим без ограничений со стороны волокон. В таблице показаны типичные диапазоны коэффициента теплового расширения для различных арматурных стержней из композитных материалов в продольном и поперечном направлениях. КТР стеклопластиковых и базальтовых стержней в продольном направлении сопоставим с КТР бетона и стальной арматуры. Теоретически разница в коэффициентах теплового расширения может вызвать растрескивание при больших изменениях температуры, особенно при применении стержней больших диаметров. Однако эти эффекты не наблюдались при эксплуатации на практике.
- Температура стеклования. Полимерный компонент композитных материалов размягчается при умеренно высокой температуре. При повышенных температурах полимер быстро переходит из твердого, стекловидного состояния в высокоэластичное состояние, и композитный материал быстро теряет прочность и жесткость. Температура стеклования, Tg, композитных материалов представляет собой среднюю температуру, при которой материал переходит из жесткого, стекловидного состояния в высокоэластичное состояние. Этот переход происходит быстро при небольшом изменении температуры, как показано на рисунке 3. Важно отметить, что переход в высокоэластичное состояние является необратимым изменением для термореактивных полимеров, обычно используемых в стеклопластиковых арматурных стержнях. Большинство коммерчески доступных стеклопластиковых стержней, изготовленных из винилэфирных полимеров, имеют температуру стеклования около 250°F (121°C). ASTM D7957 требует минимальной температуры стеклования не менее 212°F (100°C) при испытаниях в соответствии с ASTM E1356.
Рисунок 3. Идеализированная кривая зависимости жесткости от температуры для стеклопластиковых материалов
Свойства долговечности
- Коррозия. Композитные материалы по своей природе не подвержены коррозии. В коррозионной среде не требуется использование определенных свойств бетона, которые могут потребоваться при использовании стальной арматуры. Отмечается, что таблица 19.3.1 ACI 440.11 не использует категорию воздействия C (Exposure Category C) (защита от коррозии арматуры), которая существует в таблице 19.3.1 ACI 318. Предполагается, что срок службы арматурных стержней из композитных материалов в определенных коррозионных средах превышает срок службы стальной арматуры.
- Ускоренные испытания на долговечность. Ускоренные испытания на долговечность стеклопластиковых арматурных стержней показали снижение предела прочности (но не модуля упругости) при воздействии определенных сред. ASTM D7957 устанавливает требования к водопоглощению и сохранению свойств после воздействия повышенных температур и щелочных сред, чтобы обеспечить ожидаемую долговечность стеклопластиковых арматурных стержней. ACI 440.11 использует коэффициент уменьшения прочности в зависимости от условий эксплуатации (environmental reduction factor), CE, для учета потери прочности со временем. Значение CE применяется к гарантированной предельной прочности на растяжение и гарантированной прочности изгибов для определения проектных значений этих характеристик. Значение CE, определенное в разделе 20.2.2.3 ACI 440.11, составляет 0,85.
- Ползучесть. В целом, материалы из стеклопластика подвержены явлению, известному как ползучесть или статическая усталость. Когда материал подвергается постоянной нагрузке ползучесть вызывает более высокие уровни деформации. Если уровень деформации от ползучести становится достаточно высоким, может произойти внезапный разрыв/разрушение материала. Для предотвращения этого, ACI 440.11 Раздел 24.6.2 ограничивает постоянное напряжение в стержнях из стеклопластикового композита 30% от их проектной предельной прочности на растяжение. Сопротивление материала разрушающей ползучести в значительной степени зависит от типа волокон.
Что включает ACI 440.11-22
ACI 440.11-22, сертифицированный ANSI, устанавливает минимальные требования к строительным материалам, проектированию и расчету конструкций зданий и сооружений, армированных стеклопластиковыми стержнями, соответствующими ASTM D7957-22. Этот норматив соответствует ACI 318-19, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary (Требования строительных норм и правил к конструкционному бетону и комментарии). Он включает в себя проектирование и строительство с учетом прочности, эксплуатационных свойств и долговечности; сочетания нагрузок, коэффициенты нагрузки и коэффициенты снижения прочности; методы расчета конструкции; пределы прогибов; способы соединения арматуры; информацию в строительной документации; контроль на строительной площадке и испытания; а также методы оценки прочности существующих конструкций. Кроме того, норматив содержит положения по проектированию балок, плит с опиранием по двум сторонам и плит с опиранием по контуру, колонн, стен, фундаментов и соединений между элементами. Кроме того, в комментариях норматива объясняются различия в проектировании между бетоном армированным стеклопластиком и бетоном, армированным стальной арматурой. Арматура из стеклопластика ведет себя иначе, чем арматура из стали, поэтому простая замена стальной арматуры арматурой такого же диаметра с выдержкой таких же расстояний между стержнями недостаточна. Например, стеклопластиковые стержни не имеют предела текучести и обладают линейной упругостью до разрушения. ACI 440 учитывает эту разницу и подходит к проектированию с точки зрения деформируемости, в отличие от стальной арматуры, в случае которой акцентируется внимание на пластичности. Кроме того, стеклопластиковые стержни обладают высокой прочностью на растяжение только в направлении армирования, что влияет на прочность на сдвиг, нагельное сопротивление и прочность сцепления с бетоном. В результате, уравнения для расчета прочности на сдвиг и расчета деформации в ACI 440.11 отличаются от уравнений для стальной арматуры, хотя процедуры проектирования схожи.
Огнестойкость конструкций, армированных стеклопластиковой арматурой, является важным аспектом. Комментарий к ACI 440.11 содержат рекомендации по определению огнестойкости конструкций, армированных стеклопластиковой арматурой. Однако этой теме требуется дальнейшее развитие, и норматив в настоящее время ограничивает использование стеклопластиковой арматуры конструкциями, не требующими огнестойкости.
В текущей редакции норматива не рассматриваются несколько вопросов, которые ожидается включить в будущих изданиях. Эти вопросы включают в себя сейсмические требования, диафрагмы, анкерное крепление к бетону, метод «тяжей и распорок» (strut-and-tie methods), предварительно напряженные конструкций, легкий бетон, торкретбетон, соединения сборных элементов, буронабивные сваи и кессоны и ряд других вопросов. Кроме того, он не охватывает проектирование конструкций со смешанной стальной и стеклопластиковой арматурой, но это также предполагается в будущих изданиях норматива.
Ссылки
ACI Committee. Guide for the design and construction of structural concrete reinforced with fiber-reinforced polymer (FRP) bars (ACI 440. 1R-15). Farmington Hills, MI; American Concrete Institute (2015).
ACI Committee. Building Code Requirements for Structural Concrete Reinforced with Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) Bars- Code and Commentary (ACI 440. 11-22). Farmington Hills, MI; American Concrete Institute (2022).
Abbood, Imad Shakir, Sief aldeen Odaa, Kamalaldin F. Hasan, and Mohammed A. Jasim. “Properties evaluation of fiber reinforced poly-mers and their constituent materials used in structures – A review.” Materials Today: Proceedings 43 (2021): 1003-1008.
Автор: Апарна Дешмук (Aparna Deshmukh), Ph.D
Источник: www.structuremag.org
перевод Smeta-kz.com