Чем отличается стеклопластиковая арматура от композитной
Армирование бетонных изделий с применением стальной укрепляющей арматуры (любого исполнения — сетчатого или стержневого) имеет один существенный недостаток — низкую коррозионную стойкость (см. рис.1). Коррозия арматурных сталей сокращает срок службы строительных элементов и требует дорогостоящего ремонта. Когда железобетонные конструкции подвергаются воздействию влаги в сочетании с хлоридами и CO2, происходит постепенное разрушение бетона, что приводит к значительным материальным и финансовым издержкам, как правило, уже после 25 лет эксплуатации. По мере старения конструкции капитальный ремонт приходится проводить каждые десять лет. Но даже и в этом случае железобетонное сооружение или деталь, которые проработали 70…75 лет, придется заменить (см. рис.2).
Попытки повысить коррозионную стойкость конструкций применением арматуры из нержавеющей стали или имеющей поверхностные защитные покрытия во многих случаях кардинально ситуацию не меняют. И лишь полвека тому назад было найдено одно из потенциальных решений для предотвращения коррозии в железобетоне — использование арматурных стержней из полимеров, армированных различными типами волокон.
В чем разница? Неметаллическая арматура не только повышает стойкость от коррозии, но и снижает собственные нагрузки, способствует оздоровлению окружающей среды. Уменьшаются также транспортные расходы и затраты на рабочую силу. Ведущее место в списке занимают стеклопластиковая и композитная арматура.
Всё о стеклопластиковой арматуре
В мире современного производства и строительства бесконечен поиск материалов, которые были бы одновременно легкими, невероятно прочными и экономичными. В основе этой революции лежит скромный, но мощный материал: рубленое стекловолокно.
В практике строительного применения неметаллических армирующих материалов чаще всего используют стеклопластиковую арматуру из AR-стекла (аббревиатура происходит от англ. выражения Alkali-Resistant, что переводится как стекловолокно, стойкое к воздействию щелочей). Это особая разновидность стекловолокна, модифицированного добавками оксида циркония ZrO2 (см. рис. 3). Благодаря наличию такого вещества стекловолокно полностью сохраняет свою прочность и целостность при эксплуатации армированной бетонной конструкции в условиях химически активных рабочих сред, содержащих значительное количество щелочи (что часто и происходит в реальных условиях эксплуатации армированных поверхностей). Присутствие в составе оксида циркония благоприятно сказывается также на стойкости к ударным нагрузкам и долговечности применяемых цементных смесей.
Что представляют из себя нарезанные/рубленые стекловолоконные пряди
Рубленые пряди производятся путем разрезания непрерывных нитей стекловолокна на определенную длину, обычно от 3 до 50 мм. Эти пряди покрыты специальной «проклейкой» (химической обработкой поверхности), которая обеспечивает их идеальное сцепление с материалом матрицы — будь то пластиковая смола, гипс, или цемент (см. рис 4).
При использовании рубленых прядей стекловолокна наиболее важным различием является тип используемого стекла:
E-стекло («электрическое» стекло): часто встречающийся отраслевой стандарт для большинства композитных материалов (см. рис.5). Рубленые жилы из E-стеклаотличаются хорошей электроизоляцией и высокой механической прочностью. В основном они используются с термореактивными смолами (полиэстер, эпоксидная смола) для универсального применения — от корпусов лодок до электрических панелей. В строительстве Е-стекло применяют лишь при армировании бетонных сооружений, которые предусматриваются в прибрежных районах.
AR-стекло (см. рис.6), котороеспециально разработано для нужд строительной отрасли, чтобы противостоять высокощелочной среде портландцемента.
Преимущества
Одним из самых популярных применений такого типа материала является строительство. Нити стекловолокна для бетона действуют как вторичное армирование. В чем разница? В отличие от стальной сетки, которая обеспечивает прочность только в одной плоскости, рубленые пряди AR-стекловолокна создают разнонаправленную армирующую сеть. При этом достигаются следующие положительные особенности:
- Контроль пластической усадки, что позволяет значительно уменьшить растрескивание, которое возникает в процессе высыхания бетона (см. рис. 7).
- Ударопрочность: стеклопластиковая арматура из AR-стекла увеличивает поглощение энергии бетонными плитами и декоративными панелями из стекловолокна.
- Коррозионная стойкость:в отличие от стали, стекловолоконные рубленые прядиникогда не ржавеют, что делает их идеальными для среды с высокой влажностью.
Армирование термопластом и термореактивным материалом. Размеры
В индустрии пластмасс измельченное стекловолокноотличается тем, что смешивается со смолами для получения объемных и листовых формовочных масс. Их используют для изготовления:
- автокомпонентов (панели приборов, бамперы);
- корпусов приборов;
- промышленной трубопроводной арматуры.
При выборе размеров AR-стекловолокна важно понимать, на что влияет длина пряди. Так, длина около 6 мм не является случайным выбором. От этого зависит производительность и качество конечного продукта. Специально разработанное для высокоточных применений рубленое стекловолокно длиной минимум 6 мм отличается безупречной, ультра-гладкой поверхностью, подходящей для декоративного стеклофибробетона (см. рис. 8) и сложных архитектурных форм, где детализация имеет первостепенное значение. Они легко диспергируются и обеспечивают гладкую поверхность без «расплывчатости».
В то же время для применений с высокими нагрузками нити стекловолокна длиной от 15 до 30 мм обеспечивают превосходное механическое армирование, сочетая легкость диспергирования с максимальной устойчивостью к разрушению и устойчивостью к нагрузкам.
Маркетинговые и технические преимущества арматуры из стекловолокна
Почему лучше выбирать пряди из стекловолокна, а не из углеродного волокна или синтетических полимеров? Тут учитывается ряд факторов:
- Экономическая целесообразность (оптимальное соотношение производительности и цены на рынке арматуры); учитывается, что AR-стекло дороже, чем E-стекло, из-за наличия циркония.
- Логистика.Поскольку стекловолокно плотное и тяжелое, стоимость доставки является основным фактором, влияющим на конечную цену товара.
- Высокая прочность на растяжение.
- Структурная целостность при больших нагрузках.
- Стабильность размеров.
- Устойчивость к растяжению или сжатию при изменении температуры.
- Химическая стойкость.
Такое стекловолокно невосприимчиво к гниению, плесени и большинству промышленных растворителей.
Как правильно использовать нарезанные пряди
Чтобы получить максимальную отдачу от материалов из прядей, следуют этим профессиональным советам:
Для бетоносмешивания используют так называемое правило «хвоста»: всегда добавляют измельченное стекловолокно для бетонав конце цикла смешивания. Чрезмерное смешивание может разрушить армирующие пакеты и снизить их эффективность.
Для стандартного контроля трещин обычно применяется дозировка от 0,6 до 1,0 кг на кубический метр, но не более 3…5% по массе.
Для композитов на основе смол важно избежать пустот. При смешивании измельченного стекла со смолой вручную делают складывающиеся движения, чтобы исключить попадание пузырьков воздуха, которые создают слабые места в армирующем слое (см. рис. 9).
Подбор подходящего волокна для применения — от рубленых прядей из E-стекла (для высокоэффективных морских смол) до рубленых прядей из AR-стекловолокна (для бетона с интенсивным содержанием щелочи) является решающим шагом на пути к обеспечению превосходной структурной целостности и долговечности армирования.
Всё о композитной арматуре
Композиционные армирующие материалы объединяют два или более отдельных компонента, образуя новый материал с улучшенными свойствами. Обычно одна часть обеспечивает прочность, а другая — гибкость или долговечность. Таким образом, в композитной арматуре используют лучшие характеристики каждого ингредиента. Они могут быть такими же простыми, как стекловолокно, или такими продвинутыми, как полимеры, армированные углеродным волокном (см. рис. 10).
Технология производства и структура
Армирующие композиты производятся путем объединения двух или более разнородных веществ для создания продукта с улучшенными свойствами, не содержащимися в исходном материале.
Они состоят из матрицы (связующего компонента) и армирования (фазы упрочнения). Матрица служит для скрепления арматуры, а арматура обеспечивает прочность и жесткость. Такое взаимодействие приводит к созданию прочных и легких материалов, что делает их бесценными во многих сферах применения.
Материалы, используемые в композитной арматуре
Все композиционные материалы можно разделить на группы в зависимости от материала матрицы:
- Композиты с полимерной матрицей (см. рис. 11). Это наиболее распространенные композиты, где в качестве матрицы используется полимерная смола (например, эпоксидная смола), а армирующие волокна, такие как стекло или углерод, обеспечивают прочность. Такие композиты широко используются в автомобильной и авиационной промышленности из-за их повышенного соотношения прочности и веса.
- Композиты с металлической матрицей из алюминия или титана. Эти два металла действуют как матрица, а керамические волокна или частицы действуют как армирование. Они обеспечивают повышенные механические свойства и используются в условиях высоких температур.
- Композиты с керамической матрицей (композиционные материалы с керамической матрицей, армированной волокнами карбида кремния). Проявляют устойчивость к высоким температурам и находят применение в турбинных двигателях и режущих инструментах.
- Гибридные композиты, когда два типа армирования объединяются в одну матрицу для создания гибридных композитов. Этот метод позволяет адаптировать свойства в соответствии с конкретными требованиями.
Для целей армирования используют все виды композитов, кроме материалов с керамической матрицей (они малопластичны).
Свойства композиционных материалов
Уникальное сочетание армирования и матрицы наделяет композиционные материалы целым рядом полезных свойств:
- Высокой прочностью. Композиты так же прочны, как традиционные материалы, такие как сталь, но намного легче, и поэтому они особенно хорошо подходят для использования там, где снижение веса имеет решающее значение (в том числе, и при армировании дорожно-строительных изделий).
- Устойчивостью к коррозии. Большинство композитов противостоят коррозии лучше, чем металлы, что продлевает срок службы деталей, которые должны работать в агрессивных средах.
- Свободой дизайна. Возможность формовать композиты со сложной геометрией позволяет создавать инновационные решения, которые трудно достичь с помощью традиционных материалов.
- Тепловой и электрической проводимостью: композитам можно придать определенные тепловые и электрические свойства, от изоляционных до электропроводных, в зависимости от условий применения и используемых компонентов.
Применение композитной арматуры
Композитные материалы произвели революцию в нескольких отраслях промышленности благодаря своим разнообразным свойствам.
В авиационной отрасли композиты широко используются с целью армирования деталей самолетов, таких как фюзеляжи и крылья, а в аэрокосмической промышленности — для снижения веса и максимизации топливной эффективности.
В автомобильной промышленности композиты помогают производить более легкие автомобили с лучшими характеристиками и экономией топлива.
Композиты для целей армирования строительных сооружений, таких как стены, дороги, фундаменты (см. рис. 12), обеспечивают прочность и долговечность, требуют меньше ухода за объектами.
Кроме того, композитные материалы применяются для производства спортивного снаряжения и техники, медицинского оборудования и т.д. Таким образом, сочетание таких разнородных свойств, как высокая прочность и малый вес, делает композиты привлекательным выбором для целей армирования объектов.
Сопоставление функциональных возможностей стеклопластиковой и композитной укрепляющей арматуры
Арматура — композитная или стеклопластиковая? Обе рассмотренные группы представляют собой передовые армирующие материалы. Стекловолокно очень гибкое, ударопрочное и экономически эффективное, что делает его идеальным для стандартного промышленного использования. Углепластик значительно прочнее, жестче и легче, подходит для высоких нагрузок и веса.
Ключевые функциональные различия композитной или стеклопластиковой арматуры
Основные из них:
- Наибольшая прочность на разрыв, МПа: для стеклопластика — до 600, для композита — до 1200.
- Наибольшая прочность на растяжение, МПа: для стеклопластика — до 800, для композита — до 1700.
- Оба материала по соотношению показателей прочности и веса превосходят сталь в 3…5 раза.
- Жесткость: стекловолокно — низкий модуль упругости (сопоставим с бетоном или немного выше его); композит — исключительно высокий модуль упругости, предотвращающий деформацию при высоких нагрузках.
- Ударная вязкость: стеклопластик — превосходная ударная вязкость, сгибается и поглощает удары без растрескивания или остаточной деформации; композит — более высокая жесткость, но более хрупок при внезапном боковом ударе.
- Электрическая проводимость: стекловолокно — чистый изолятор и немагнитный материал; композит — электропроводящий, требуется заземление в конструктивных средах.
- Стоимость материала: стекловолокно экономично, отличается конкурентоспособной ценой по сравнению со сталью; композиты — материалы премиум-класса; значительно дороже, чем стекловолокно.
Структурные возможности
Устойчивость к коррозии: оба материала полностью невосприимчивы к ржавчине, вызванной хлоридами, и химическому воздействию. Они являются идеальной заменой стали в морской среде, на водоочистных сооружениях и прибрежных мостах. Термические свойства: не расширяются и не сжимаются при колебаниях температуры, что сводит к минимуму растрескивание при замерзании и оттаивании бетона (см. рис. 13).
Они также обеспечивают превосходную теплоизоляцию (по сравнению со сталью) с высокой проводимостью.
В отличие от стали, которая поддается и растягивается перед разрушением, обе разновидности арматуры демонстрируют чисто линейно-упругое поведение вплоть до точки разрыва. Это требует от инженеров-строителей корректировать проектные расчеты, чтобы учесть отсутствие «предупреждения» перед отказом.
Технологичность: ни один из материалов (будь то композитная или стеклопластиковая арматура) не может быть согнут или сформирован на месте. Все изогнутые формы (например, крючки и стремена) должны быть изготовлены на заводе по индивидуальному заказу перед поставкой.
Рекомендуется использовать стекловолокно, когда нужна экономичная, не ржавеющая альтернатива стальной арматуре для бетонных плит, стен морских сооружений, строительства бассейнов или подъездных дорожек к ним.
Лучше применять композитную арматуру, когда требуется максимальная несущая способность при минимальном весе или при модернизации устаревших конструкций (задействуют композитные полосы с поверхностным соединением).