CC BY
86
Сравнительный анализ металлической арматуры и арматуры из композитных
материалов
Comparative analysis of metal reinforcement and reinforcement of composite materials
Бронников И.В.,
Белгородский государственный технологический университет имени В. Г. Шухова
Bronnikov I.V.,
Belgorod state technological University named after V. G. Shukhov
Аннотация: На сегодняшний день железобетон является самым широко используемым материалом в строительстве. Многие производители предлагают снизить себестоимость этого материала за счет замены металлической арматуры на композитную.
В статье проведен сравнительный анализ традиционной металлической и композитной арматуры. На основе анализа отечественных и зарубежных публикаций были определены основные характеристики для сравнения.
В ходе исследования этих характеристик выявлены достоинства и недостатки композитной арматуры в сравнении с металлической. Также в статье проведен экономический анализ эффективности замены металлической арматуры на композитную.
Итогом исследования является определение перечня конструкций, в которых использование композитной арматуры является эффективным.
Summary: Today reinforced concrete is the most widely used material in construction. Many manufacturers offer to reduce the cost of this material by replacing the metal reinforcement on the composite.
The article presents a comparative analysis of traditional metal and composite reinforcement. Based on the analysis of domestic and foreign publications, the main characteristics for comparison were determined.
The study of these characteristics revealed the advantages and disadvantages of composite reinforcement in comparison with metal. The article also carried out economic analysis of the efficiency of the replacement of the metal reinforcement to the composite.
The result of the study is to determine the list of structures in which the use of composite reinforcement is effective.
Ключевые слова: конструкция, композитная арматура, железобетон, строительство.
Key words: construction, composite reinforcement, reinforced concrete, construction.
Исследование свойств полимеров оказывает большое влияние на строительство. Это позволило не только улучшить свойства существующих материалов, но и создать новые, такие как волокнисто-арматурная сталь.
Замена старых строительных материалов современными с теми же характеристиками имеет важное значение, так как это приводит к значительной экономии средств. В частности, современные материалы позволяют не только сократить потребления дорогостоящего сырья, таких как сталь, но и облегчить производственный процесс и значительно снизить транспортные и затраты на установку благодаря своему лёгкому весу.
Армированное стекловолокно пластика изготовлено из стекла, базальта, углерода или арамидных волокон. Для того, чтобы обеспечить плотные связанные волокна, их пропитывают термореактивной или термопластической полимерными связующими. Шероховатость поверхности арматурного стержня обеспечивается поперечными или спиральными рёбрами. В случае металлической арматуры - ребра ручки на поверхности металлического прутка.
В случае композитной арматуры - ребра, скрученные обмоткой стекла, базальта, углерода или арамидных волокон с полимерным покрытием. Обмотки могут быть односторонними или двунаправленными. Кроме того, для лучшей адгезии к конкретному осаждению можно использовать песок [1-3]
Для сравнения композитной и металлической арматуры был выполнен обзор литературы. Международные источники обычно содержат комплексный анализ свойств металлической арматуры, основанный не только на экспериментальных данных, но и на многолетнем практическом опыте и наблюдениях за существующими конструкциями [4-6].
Таблица 1 - Сравнительный анализ армирования металлом, стеклопластиком и базальтом
Характеристика Металл Стекло Базальт
Предел прочности, МПа 360 600-1200 700-1300
Модуль эластичности, МП* 200000 45000 60000
Удлинение, % 25 2,5
Плотность, т/м'^З 2,0
Диапазон рабочнл температур. Целы;. -60 - +650 -60 - +650 -260 - +982
Магнетизм Магнитный Немагнитный Немагнитный
Долгосрочкосп» 40 лет 80 лет 100 лет
Электропроводность Проводит Диэлектрик Диэлектрик
Расстояния между волокнами, мм 6-80 4-20 (Россия) 4-40 (другие) 4*20 (Россия) 4-40 (друг пс)
Металлическая арматура имеет значительно более высокий модуль упругости и относительного удлинения, чем композитная арматурных стержней. Малая плотность и значительно более низкая теплопроводность, по сравнению с металлической арматурой, могут быть определены как преимущества волокнистой арматуры.
Кроме того, композитная арматура является немагнитной и диэлектрической, что делает её очень полезной при строительстве таких объектов, как помещения для магнитно-резонансной томографии в больницах, которые используют радиочастотную идентификацию клиентов.
Благодаря композиту, арматурные стержни могут быть изготовлены любой длины и формы, они могут быть эффективно использованы при строительстве сложных архитектурных форм, для которых использование металлической арматуры часто невозможно.
В то же время, использование композитной арматуры в предварительно напряженном бетоне связано со значительными трудностями. Для того, чтобы её зафиксировать, требуется дополнительное крепление. Для сравнения технико-экономических характеристик был проведен расчёт композитной арматуры экономической эффективности.
Такие характеристики, как вес и стоимость на метр бара были выбраны в качестве основы для расчета. Вес 1 метра металлической арматуры определяется в соответствии с ГОСТ 5781-82.
Вес 1 метра композитной арматуры определяется по данным производителей. Стоимость метра арматуры 1 определяется как среднее значение рыночных цен.
Международный журнал прикладных наук и технологий «Integral» №3 2019 Таблица 2 - Сравнение видов волокон по массе
Металлическая Стекловолокно Базальтовая
Тип Нее 1 метра, кг Tint Вес 1 MCipa_ кг Тип Все 1 метра, кг
6А-1П 0,222 GRP^ 0,026 RRP—1 0,026
8A-III 0,395 GRP-6 0,040 RRP-6 0,040
ЮА-Ш 0,617 GRP-H 0,072 BRI'-« 0,072
12А-Ш о,т GRP-8 0.072 HRP-K 0,072
I4A-III 1,210 GRP-10 О.ПО BRP-!0 0.110
I6A-III 1,580 GRP-12 0.184 BRP-12 0,184
* NA-I1I; N - диаметр арматурного стержня, мм; Л-III - класс арматуры по ГОСТ .57ЯI -К2 * (Предел текучести am 390 Н t мм2} ** GRP- N, BRP- N: N - диаметр арматуры, мм.
Таблица 3 - Сравнение армирования металла и базальтового
армирования
Металл Базальт Разница (&,%)
Тип Цена (Руб/метр) Тип Цена {Руб/метр)
OA-Ill 7,00 RRP4 8,91 -27,3
8Л-П1 12,00 BRP-6 15,12 -26,0
10А-1П 17,21 RRP-Я 23,31 -35,4
I2A-II1 23, 13RP-8 2331 2,4
14А-Ш 32,56 BRP-10 35,9!
16A-I1I 42,67 RRP-12 47,88 -12,2
Среднее -18,!
Таблица 4 - Сравнение стеклянного и базальтового армирования
Стекло Базальт Разница (Д,%)
Тип Цена (Руб/мстр) Тип Цена (Руб/мэтр)
GRP-4 7,00 BRIM 8,91 1,3
GRP-rt 9,50 BRP-6 15,12 !,6
iiRP-8 М,50 BRP-8 23,31 1.6
■CiRI'-S 14.50 BRP-й 23.31 1,6
GRP-1Q 22,00 HRP-I0 35,91 !,6
GRIM 2 30,00 BRP-12 47,88 1.6
Среднее 1,55
На основе анализа расчётных данных таблиц 4-6 приходим к выводу, что 1 м стекловолокна в среднем дешевле, чем металлической арматуры на 23%, в то время как армирование базальтом является дороже, чем металлической арматуры на 18,1%.
Также стекловолокно дешевле, чем базальтовое армирование в 1,55 раза. Более высокие затраты, определяемые большей долговечностью при армировании базальтом (20 лет дольше, чем стекловолокно) и большой диапазон рабочих температур.
Выводы
Преимущества и недостатки композитного армирования.
Исследования показали следующие преимущества композита:
- высокая жесткость;
- низкий удельный вес;
- низкая теплопроводность;
- высокая коррозионная стойкость в агрессивной среде;
- шире металлической арматуры диапазон рабочих температур;
- возможность изготовления слитков любой длины и формы по запросу;
- долговечность в 2-3 раза выше, чем для металлической арматуры;
- низкая стоимость по сравнению с металлической арматурой;
- возможность включать оптические датчики в армирующие волокна, что позволяет осуществлять дистанционный контроль структур.
Недостатки:
- низкий модуль упругости по сравнению с металлической арматурой;
- отсутствие возможности структурных складок во время армирования работ. Тем не менее, это компенсируется способностью принимать изгиб волокна арматуры непосредственно в процессе производственного процесса в соответствии с конкретным проектом;
- неудобно использовать в предварительно напряженном бетоне;
- высокая стоимость по сравнению с металлической арматурой.
Рекомендации по применению композитных материалов
В результате проведенных исследований использование композитов можно рекомендовать:
- для армирования бетонных конструкций и смешанного армирования бетона;
- в железобетонных конструкциях, пострадавших от агрессивной среды, агрессивных для стальной арматуры (хлористых солей, высокой концентрацией агрессивных газов и т.д.);
- в элементах дорожного строительства, которые подвергаются воздействию агрессивных противогололёдных средств;
- при ремонте железобетонных конструкций, повреждённых воздействием агрессивных сред;
- в случаях, когда не имеем возможности обеспечить нормативные требования к толщине защитного слоя (тонкостенных конструкций различного назначения, таких как панели структур защиты от шума, заборов, архитектурное проектирование и для других целей);
- для армирования кирпичной кладки, особенно в зимнее время, когда ускорители отверждения и антифризы добавляют в ступке (хлориды, которые вызывают коррозию стальной арматуры);
- при проектировании мостов, так как они наиболее восприимчивы к коррозии (поддержка необходима из-за постоянного контакта с водой, а верхняя часть плиты - из-за применения антиобледенительных агентов);
- для магнитно-резонансной томографии в больницах;
- в строительных конструкциях сложной формы, где трудно использовать подкрепление металла;
- в конструкциях, требующих их внутреннего мониторинга состояния.
В общем случае для строительных конструкций рекомендуется использовать металлическую арматуру. В связи с тем, что она имеет более высокий модуль упругости и эластичности, то, что в экстренном случае обеспечивает более длительный период обрушения конструкций. А это, в свою очередь, позволяет людям безопасно покинуть опасную зону.
Список использованной литературы
1. Бескоровайная О.Н., Бычков Д.С., Гаевская З.А. Быстромонтируемые здания из легкого наномодифицированного бетона // Строительство уникальных зданий и сооружений. -2014. - № 1(16). - С. 61-71.
2. Клюев С.В., Клюев А.В., Лесовик Р.В. Усиление строительных конструкций композитами на основе углеволокна: монография. - Ламберт, 2018. - 123 с.
3. Чернявский В.Л., Хаютин Ю.Г., Аксельрод Е.З., Клевцов В.А., Фаткуллин Н.В. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами. - М.: ИнтерАква, 2016. - 113 с.
4. ACI Committee 440. State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Plastic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures. American Concrete Institute. Detroit, Michigan, 2016. -68p.
5. Ali-Ahmad M. Debonding of FRP from concrete in strengthening applications: experimental investigation and theoretical validation. Ph.D. dissertation. City University of New York. USA. -2014. - 354 p
6. Crawford J.E., Malvar L.J. Morrill K.B., Ferritto J.M. Composite Retrofits to Increase the Blast Resistance of Reinforced Concrete Buildings. P-01-13. Tenth International Symposium on Interaction of the Effects of Munitions with Structures, May 2016. - Pp. 22.
7. Renstrom R. FRP to replace grated steel on Calif bridge. Plastics News. 1997. Vol. 9. Issue 22. P. 6.
References
1. Oh, Free.N., D Bulls.S., Gaevskaya Z. A. fast-Mounted buildings of light nanomodified concrete // Construction of unique buildings and structures. - 2014. - № 1(16). - Pp. 61-71.
2. Klyuev S. V., Klyuev A.V., Lesovik R. V. Strengthening of building structures by composites based on carbon fiber: monograph. - Lambert, 2018. - 123 p.
3. In Chernyavsky.L., Y. G. Khayutin, E. Z. Axelrod, In The Klevtsov.A., Fatkullin N. In. Guidelines for strengthening reinforced concrete structures with composite materials. - Moscow: Interakva, 2016. 113 PP.
4. The ACI Committee 440. State-of-the-art report on fiber reinforced plastic (FRP) reinforcement of concrete structures. The American Concrete Institute. Detroit, Michigan, 2016. - 68p.
5. Ali-Ahmad M. Debonding of FRP from concrete in strengthening applications: experimental investigation and theoretical validation. Candidate dissertation. City University of new York. USA. - 2014. - 354 p.
6. Crawford J. E., Malvar L. B. Y. K. Morrill, Ferritto J. M. composite upgrades to enhance vzryvotehniki reinforced concrete buildings. P-01-13. Tenth international Symposium on the interaction of the impact of munitions with structures, may 2016. — Pp. 22.
7. Renstrom R. FRP to replace grated steel on Calif bridge. Plastic News. 1997. Thom. 9. Question 22. P. 6.
