Киев ПКЧП "Термо-Тор"

СТЕКЛОПЛАСТИКОВАЯ АРМАТУРА ДЛЯ БЕТОНА

Стеклопластиковая арматура (СПА) занимает все более прочные позиции в современном строительстве. Это обусловлено, с одной стороны, ее высокой удельной прочностью (отношением прочности к удельному весу), с другой стороны, высокой коррозионной стойкостью, морозостойкостью, низкой теплопроводностью. Конструкции с СПА неэлектропроводны, что очень важно при возникновении блуждающих токов и электроосмоса. Основные принципы проектирования железобетонных конструкций применимы и к бетонным элементам с СПА. По прочности СПА не уступает стальной арматуре, однако, в связи с более высокой стоимостью используется главным образом в ответственных конструкциях, к которым предъявляются особые требования. К таким конструкциям относятся, в частности, морские сооружения, особенно те их части, которые находятся в зоне переменного уровня воды.

Коррозия бетона в морской воде

Соленость мирового океана изменяется в незначительных пределах и составляет 34-35 г/л. Значение рН обычно равно 7,8-8,3. Атлантический океан, например, содержит около 11 г Na+, 20 г Cl-, 2,9 г SO42- и 1,4 г Mg2+ на литр, а также в меньших количествах K+, Ca2+, Br-, HCO3- (0,08 г/л). СНиП 2.03.11-85 предусматривает оценку степени агрессивности воды-среды (в том числе морской воды) по восьми видам коррозии, указанным в табл. 1.

Таблица 1.

Химическое действие морской воды обусловлено главным образом присутствием сернокислого магния. В бетоне протекает реакция

Ca(OH)2 + MgSO4 > Mg(OH)2 + CaSO4

Гидроксид магния характеризуется меньшей растворимостью, чем Ca(OH)2, но образуется в виде дисперсной массы, что ведет к снижению прочности бетона. Чем больше концентрация в воде ионов магния, тем опаснее вода. Сульфат кальция реагирует с гидроалюминатом кальция:
3CaO·Al2O3·6H2O + 3CaSO4+ 25H2O > 3CaO·Al2O3·3CaSO2·31H2O.
Образующаяся комплексная соль (гидросульфоалюминат кальция) имеет объем, в несколько раз больший, чем объем исходных продуктов. В результате происходит расширение и разрушение бетона.
Другим сильным фактором коррозии является углекислота, которую морская вода может содержать в присутствии органических веществ, выделяющих при разложении углекислоту. Такая вода растворяет карбонат кальция.  Последний образуется в цементном камне из Ca(OH)2 под воздействием той же углекислоты:

Ca(OH)2 + CO2 > CaCO3 + H2O.

В присутствии углекислоты CaCO3 переходит в хорошо растворимый бикарбонат кальция, вымываемый из бетона:

CaCO3 + CO2 + H2O - Ca(HCO3)2.

Имеются данные [1], что разрушение бетона в водах Черного моря вызывается отчасти действием бактерий, причем наиболее активную роль играют те из них, которые окисляют серу до серной кислоты. Морская вода действует наиболее сильно на надводный бетон непосредственно над верхним уровнем воды. При испарении воды из бетона в его порах остается твердый остаток, образующийся из растворенных в морской воде солей. Постоянное поступление воды в бетон и последующее ее испарение с открытых поверхностей приводит к накоплению и росту кристаллов соли в порах бетона, что сопровождается расширением и растрескиванием последнего. В присутствии K+ и Na+ этот процесс усиливается, т. к. при доступе углекислоты воздуха к испаряющей поверхности бетона происходит карбонизация щелочей, с образованием Na2CO3 и K2CO3. Кроме солей надводный бетон испытывает на себе действие попеременного замораживания и оттаивания, а так же высушивания и увлажнения.

В зоне переменного уровня воды, из-за отсутствия общесолевой коррозии, бетон разрушается в несколько меньшей степени, чем над водой, но в непосредственной близости от верхнего уровня. Подводная часть бетона, не подвергающаяся циклическому действию указанных факторов, разрушается редко. Совместное действие Mg2+ и НСО3- приводит к образованию в подводном бетоне наружного покрова, обычно состоящего из слоя брусита толщиной около 30 мкм, на который накладывается более медленно образующийся слой арагонита. СаСО3 осаждается преимущественно как арагонит, нежели как кальцит, из-за присутствия ионов Mg2+. В случае хорошего качества бетона этот слой обеспечивает ослабление коррозии [ ]. В той степени, в какой она все же происходит, агрессия включает процессы выщелачивания, воздействие MgSO4, углекислую коррозию, проникновение ионов Cl-, а также возможную коррозию арматуры.
Опыты показали [3], что коррозии стальной бетонной арматуры в морской воде не наблюдается только при наличии плотного, водонепроницаемого защитного слоя значительной толщины, более 4,5 см.

Особенно серьезны и опасны для сооружения в целом повреждения тонких железобетонных элементов, например свай.

В работе В. М. Москвина с сотрудниками [4] приведен пример разрушения железобетонного свайного пирса, сваи которого, высотой 2,5 м, в зоне переменного горизонта воды не были защищены от коррозии. Уже через год было обнаружено почти полное исчезновение бетона из этой зоны, так что пирс держался на одной арматуре. Ниже уровня воды бетон остался в хорошем состоянии.

Возможность изготовления долговечных свай для морских сооружений заложена в применении поверхностного стеклопластикового армирования. Такие конструкции по коррозионной стойкости и морозостойкости не уступают конструкциям, выполненным полностью из полимерных материалов, а по прочности, жесткости и устойчивости их превосходят.
Долговечность конструкций с внешним стеклопластиковым армированием определяется коррозионной стойкостью последнего. Благодаря, непроницаемости оболочек бетон не подвергается воздействию среды и поэтому его состав может подбираться только исходя из требуемой прочности.

О перспективности применения бетонных конструкций со стеклопластиковым армированием свидетельствуют работы ИСиА Госстроя БССР, НИИЖБа Госстроя СССР, МИИТа, ХИСИ, СибНИИЭ, Московского сельэнергопроекта, ЦНИИ Минтрансстроя и других организаций, а также зарубежный опыт.

Виды стеклопластикового армирования

Армирование СПА бывает внутренним, внешним и комбинированным.
Внутреннее неметаллическое армирование. Применяется в случае, когда среда агрессивна к стальной арматуре и не агрессивна к бетону. При агрессивности среды к бетону применяется внешнее армирование. Внутреннее армирование можно разделить на дискретное и дисперсное.
Дискретное армирование производится стеклопластиковыми стержнями определенного диаметра, которые применяются взамен стальных. Не уступая стальным по прочности, стеклопластиковые стержни значительно превосходят их по коррозионной стойкости и поэтому используются в конструкциях, в которых существует опасность коррозии арматуры. Арматурные стержни часто объединяют в плоские сетки или пространственные каркасы. Скреплять стеклопластиковые стержни в армокаркасы можно с помощью самозащелкивающихся пластмассовых кляммеров или связыванием.
Дисперсное армирование производится введением в бетонную смесь при перемешивании рубленных волокон (фибр), которые в бетоне распределяются хаотично. Специальными мерами можно добиться направленного расположенния волокон. Бетон с дисперсным армированием обычно называют фибробетоном.

Внешнее стеклопластиковое армирование. Основная концепция внешнего армирования состоит в многофункциональности внешней листовой арматуры. Она может выполнять одновременно три функции: силовую, защитную и функцию опалубки при бетонировании. Поскольку стеклопластиковая оболочка непроницаема для воды и воздуха, она надежно защищает бетон от воздействий внешней среды, а благодаря высокой прочности выполняет функцию арматуры, причем более эффективно, чем внутренняя стержневая арматура, так как отстоит дальше от нейтральной плоскости.

Внешнее армирование подразделяется на сплошное и дискретное. Сплошное выполняется сплошным листовым материалом, дискретное - отдельными полосами или сетками. Часто осуществляется армирование только одной растянутой грани балки или поверхности плиты. При одностороннем поверхностном армировании балок целесообразно завести отгибы листа арматуры на боковые грани, что повышает прочность конструкции. Внешнее армирование может устраиваться как по всей площади поверхности несущего элемента, так и на отдельных, наиболее напряженных участках (когда не требуется защита бетона от воздействия агрессивной среды).
Возможны два пути получения бетонных конструкций в стеклопластиковых оболочках. Первый заключается в нанесении стеклопластиковой оболочки на предварительно высушенные бетонные элементы, путем обматывания их стекловолокном с послойной пропиткой смолой. После полимеризации связующего обмотка превращается в сплошную стеклопластиковую оболочку, а весь элемент - в, так называемую, трубобетонную конструкцию.
Второй основан на предварительном изготовлении стеклопластиковой оболочки и последующем заполнении ее бетонной смесью. Первый путь получения стеклопластармированных конструкций (СПА-конструкций) дает возможность создания поперечного предварительного обжатия бетона, что существенно повышает прочность и снижает деформативность получаемого элемента [1, 2]. Предварительное обжатие бетона создается не только натяжением стеклонитей (хотя оно составляет основную часть преднапряжения), но и за счет усадки связующего в процессе полимеризации, которая, например, для полиэфирной смолы составляет 5-6 %. Внешнее армирование может осуществляться также путем обматывания элементов стеклолентой [3]. В ряде случаев стеклопластиковая оболочка принципиально изменяет характер напряженно- деформированного состояния бетона [ ]. Например, в центрально сжатом трубобетонном элементе благодаря жесткой оболочке одноосное напряженное состояние трансформируется в весьма благоприятное для бетона трехосное сжатие. Поперечное сечение трубобетонных СПА-элементов может быть любым (круглым, кольцевым, прямоугольным, трапециевидным, тавровым, двутавровым и т.п.), однако, при осевом сжатии разрушение наступает, как правило, вследствие разрыва обоймы в местах концентрации напряжений [ ]. Следовательно, проектировать центрально сжатые элементы следует с плавным закруглением двугранных углов.

Комбинированное армирование. Если внешнего армирования недостаточно для восприятия механических нагрузок, дополнительно применяется внутренняя арматура, которая может быть как стеклопластиковой, так и металлической.

Коррозионная стойкость стеклопластиковой арматуры

Стойкость стеклопластиков к воздействию агрессивных сред в основном зависит от вида полимерного связующего и волокна. При внутреннем армировании бетонных элементов стойкость СПА должна оцениваться не только по отношению к внешней среде, но и по отношению к жидкой фазе в бетоне, так как твердеющий бетон является щелочной средой, в которой обычно применяемое алюмоборосиликатное волокно разрушается. В этом случае должна быть обеспечена защита волокон слоем смолы или использованы волокна другого происхождения. В случае неувлажняемых бетонных конструкций коррозии стекловолокна не наблюдается [1]. В увлажняемых конструкциях щелочность бетонной среды можно существенно понизить, используя в бетоне цементы с активными минеральными добавками.

В процессе изучения коррозионной стойкости арматуры на алюмоборосиликатном волокне и эпоксифенольном связующем (с содержанием в стекло-пластике 22-24 %) испытывались образцы при непосредственном воздействии кислот, щелочей, растворов солей и т. п., а также при воздействии агрессивных сред на арматуру через бетон. Испытания показали [ ], что стойкость СПА в кислой среде более чем в 10 раз, а в растворах солей более чем в 5 раз выше стойкости стальной арматуры. Наиболее агрессивной для СПА является щелочная среда. Снижение прочности СПА в щелочной среде происходит в результате проникновения жидкой фазы к стекловолокну через открытые дефекты в связующем, а также посредством диффузии через связующее. Следует отметить, что номенклатура исходных веществ и современные технологии получения полимерных материалов позволяют в широких пределах регулировать свойства связующего для СПА и получать составы с чрезвычайно низкой проницаемостью, а следовательно свести к минимуму коррозию волокна.

Влияние температуры

При понижении температуры от 20 до -40 оС прочность СПА на эпоксифенольном связующем возрастает на 40 %. При повышении температуры от 20 до 300 оС наблюдается постепенное снижение прочности арматуры до 60 % от первоначальной (при 20 оС). При дальнейшем повышении температуры прочность начинает резко падать за счет деструкции связующего [11].

Изменение прочности СПА в интервале температур от -40 до 300 оС является обратимым.

Предварительное напряжение СПА

Модуль деформаций стеклопластиковой арматуры в 4-5 раз меньше, чем у стали. Поэтому ее целесообразно применять только в предварительно напряженных конструкциях.
Применяются в основном три способа предварительного напряжения бетонных конструкций с дискретной стеклопластиковой арматурой: натяжение на упоры, натяжение на бетон, непрерывная навивка. Наиболее распространенным является способ натяжения на упоры. С помощью специальных приспособлений арматура вытягивается на заданную величину и закрепляется на бортовые элементы металлической формы, затем производится бетонирование и термовлажностная обработка бетона для ускорения твердения. После набора бетоном 70 % конечной прочности усилие обжатия передается на бетон. Для изготовления преднапряженных СПА-конструкций после некоторой доработки используется технологическое оборудование и оснастка, применяемые за заводах сборного железобетона. Из-за более низкого, чем у стали, модуля упругости стеклопластика натяжные станции должны обеспечивать значительное перемещение, порядка 1,5 см на 1 м.

Серьезные трудности возникают при создании зажимов для стеклопластиковой арматуры. Часто используют зажим, состоящий из двух стальных пластин с полукруглыми канавками, в которые укладывается арматурный стержень. Пластины стягиваются винтами, обжимая арматуру. Применяется также самозатягивающийся цанговый зажим. Причем, при наличии специального вкладыша в нем могут одновременно зажиматься два стержня одного диаметра.
При натяжении арматуры на бетон в последнем предусматриваются каналы для прокладки арматуры. Натяжение производится с помощью гидравлических домкратов, закрепляемых на бетонном элементе с помощью специальных анкеров. Процесс изготовления завершается инъецированием в канал петролатума для заполнения свободного пространства и закрепления арматуры. Третий способ заключается в навивке на изделие гибких стеклопластиковых стержней или лент. Однако данный способ не нашел широкого распространения. Более технологичной является обмотка элементов пропитанными смолой пакетами волокон с последующей полимеризацией связующего непосредственно на изделии. Навиваемые жгуты укладываются в предусмотренные на изделии канавки. Навитая арматура покрывается защитным слоем полимера.

В работе [1] предложен способ внешнего армирования, при котором на сжатый по торцам бетонный элемент наносится стеклопластиковая оболочка. В таком положении элемент находится до завершения процесса полимеризации связующего. После снятия усилия обжатия бетон стремится возвратиться в первоначальное положение, однако стеклопластик препятствует этому, вследствие чего в бетоне сохраняются сжимающие напряжения, а в стеклопластиковой оболочке возникают растягивающие усилия. Сжимающие силы по торцам могут прикладываться как по оси конструкции, так и эксцентрично. Эксцентричное обжатие используется при изготовлении изгибаемых и внецентренно сжатых элементов. Предварительное напряжение может осуществляться также путём приложения поперечной силы в направлении, противоположном эксплуатационной нагрузке. Данным способом могут напрягаться и конструкции с внутренним армированием. При изготовлении бетонного элемента в нем оставляются каналы для СПА. Арматура формуется непосредственно в каналах, например, нагнетанием связующего после укладки стержня. После сброса сжимающего усилия в арматуре возникают растягивающие напряжения.

Применение СПА при ремонте железобетонных конструкций

Традиционные способы усиления и восстановления железобетонных конструкций достаточно трудоемки и часто требуют продолжительной остановки производства. В случае агрессивной среды после ремонта требуется создать защиту сооружения от коррозии. Высокая технологичность, малые сроки твердения полимерного связующего, высокая прочность и коррозионная стойкость внешнего стеклопластикового армирования предопределили целесообразность его использования для усиления и восстановления несущих элементов сооружений. Применяемые для этих целей способы зависят от конструктивных особенностей ремонтируемых элементов.

Экономическая эффективность СПА-конструкций

Срок эксплуатации железобетонных конструкций при воздействии агрессивных сред резко сокращается. Замена их стеклопластбетонными ликвидирует затраты на капитальные ремонты, убытки от которых существенно возрастают, когда на время ремонта требуется остановка производства. В работе [11] подсчитана эффективность замены железобетонных конструкций стеклопластбетонными при эксплуатации в различных агрессивных средах на предприятиях синтетических волокон.

Капиталовложения на возведение СПА-конструкций значительно больше, чем железобетонных. Однако через 5 лет они окупаются, а через 20 лет экономический эффект достигает двукратной стоимости возведения конструкций.