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.

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:

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

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.

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.

Армирование СПА бывает внутренним, внешним и комбинированным.

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).

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.

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 подсчитана эффективность замены железобетонных конструкций стеклопластбетонными при эксплуатации в различных агрессивных средах на предприятиях синтетических волокон.