Сравнение стеклопластиковой или металлической арматуры

Полимерные стержни, в отличие от стальных, имеют значительно меньший вес. Это свойство делает их особенно полезными, так как использование таких материалов позволяет уменьшить нагрузку на фундамент здания. Кроме того, полимерный материал не вступает в реакцию с водой и не подвержен коррозии, что делает его долговечным выбором для строительных объектов.

Стальная арматура

Армирование с использованием стали используется уже более ста лет для того, чтобы увеличить прочность бетона на растяжение. Дополнительная армировка является необходимой, поскольку прочность бетона на растяжение составляет всего около 10-15% от его прочности на сжатие. Стальные элементы обычно располагаются в нижней части балки, и когда бетон, окружающий сталь, начинает трескаться, даже если эти трещины невидимы, сталь предоставляет необходимую прочность на растяжение. Однако, сталь имеет свои недостатки: со временем влага, кислород и хлориды могут проникать в бетон, вызывая коррозию арматуры. В случаях, когда коррозия достигает серьезных уровней, прочность бетонной стены или фундамента может ухудшиться — это особенно актуально для конструкций, которые подвергаются воздействию антикрионных солей, как на мостах.

Стальные прутья классифицируются по назначению:

• Монтажные — предназначены для создания каркасов.
• Распределительные — используются для равномерного распределения нагрузки и конструирования фиксаторов.
• Рабочие прутья — служат для укрепления фундаментов и балок, обеспечивая высокую стойкость к растяжению.
• Анкерные — необходимы при строительстве инженерных сооружений, трубопроводов и технологических объектов.

Кроме того, арматура разделяется на поперечную и продольную в зависимости от характера воспринимаемых нагрузок. Продольная арматура предотвращает появление вертикальных трещин, в то время как поперечная защищает от повреждений, возникающих из-за скользящего напряжения в бетоне.

Монтаж арматуры может осуществляться с использованием сварки, что значительно упрощает этот процесс. Среди преимуществ стальных прутьев можно выделить:

• Отличная огнестойкость;
• Существенная адгезия к бетону;
• Универсальность применения в строительной практике.

Арматура из стеклопластика

Стеклопластиковая арматура доступна в различных размерах и классах, что делает её универсальной для самых разных применений. В процессе производства используются такие материалы, как стекловолокно, базальтовые волокна, армид и углерод. Для их пропитки применяется термостабильная смола, включая эпоксидную, винил-эфирную и эпоксидно-диановую. Для повышения сцепления с бетоном на арматуре имеют спиралевидные ребра жесткости, иногда с песчаной обсыпкой.

Сложность заключается в том, что стеклопластиковые стержни невозможно гибким образом изменять в полевых условиях. Кроме того, стеклопластик имеет низкую огнестойкость и значительно уступает по этому показателю металлу. Тем не менее, стеклопластиковая арматура обладает целым рядом преимуществ:

• Невысокий вес;
• Устойчивость к влаге и химическим веществам;
• Прочность на разрыв, которая в три раза выше, чем у стальной арматуры;
• Небольшой коэффициент теплового расширения, что снижает вероятность появления трещин;
• Низкая теплопроводность. Стеклопластиковая арматура не проводит тепло, что позволяет строить здания без мостиков холода;
• Стекловолокно не проводит электрический ток, выступая как диэлектрик.
• Простота в процессе монтажа и транспортировки;
• Широкий ассортимент предлагаемых сечений.

Эти достоинства делают стеклопластиковую арматуру очень популярной в строительстве жилых и промышленных зданий, а также дорожных покрытий.

Технические характеристики

Стеклопластиковая или композитная арматура представляет собой гибкие прутья, выполненные из полимерных материалов. На поверхности этих стержней расположены спиралевидные рифления, что способствует улучшению сцепления с бетоном. Диаметр прутьев может варьироваться от 4 до 18 мм, а длина достигает 12 метров. Полимерный стержень состоит из двух слоев: внутренний слой образован из параллельных стекловидных волокон, связанных полимерной смолой, что придаёт конструкции высокую прочность, тогда как внешний слой представляет собой полимерные волокна, накрученные по спирали на основу стержня. Ниже приведена таблица, сравнивающая характеристики стеклопластиковой и металлической арматуры:

Композитные прутья производятся на современном оборудовании, и их изготовление в кустарных условиях невозможно. Для данного процесса требуется специализированное полимерное сырьё и технологическая линия. Таким образом, при покупке композитных стержней можно быть уверенным в их высоком качестве. На рынке стальной арматуры существует риск обмана, когда могут продаваться стальные прутья с прочностными характеристиками ниже заявленных.

Достоинства и недостатки

• Композитные стержни легче стальных аналогов того же объёма, что снижает нагрузку на основу построек.
• Стеклопластик демонстрирует высокую прочность, несмотря на невысокую массу — он легче, чем металл, и лучше переносит нагрузки на разрыв.
• Композитная арматура устойчива к окислению при воздействии влаги и агрессивных химических веществ — в отличие от стальной, она не ржавеет.
• Полимерные волокна менее проводящи теплоту, чем сталь, что исключает образование мостиков холода в строениях.
• Металлический каркас может создавать преграды для радиосигналов, мобильной связи и точных приборов, тогда как стеклопластик не имеет таких недостатков из-за своих диэлектрических свойств.

Композитные прутья имеют больший модуль упругости, что означает, что они легче и сильнее сгибаются под механическими нагрузками по сравнению со стальными. Поэтому при проектировании зданий с использованием стеклопластика необходимы точные расчеты, чтобы исключить возможность деформации бетонных перекрытий. Полимерные стержни нельзя соединять методом сварки, как это делается со стальными, и сгибание вручную может привести к их повреждению. Вместо этого для создания композитной сетки используются специальные петли, а если нужны стержни с изогнутыми формами, их следует заказывать у производителя.

Долговечность стальной арматуры была проверена временем. В то время как композитные материалы все еще новы для рынка Казани, ожидаемый срок службы стеклопластика составляет 50-80 лет, но это является расчетным показателем, который еще не был подтверждён в реальных условиях эксплуатации.

Особенности стальной арматуры

Различия между композитной и металлической арматурой достаточно значительны, что определяется составом и физико-механическими свойствами изделий. Стальные прутья производятся из низколегированных сталей методом холодного катания. Поверхность таких прутев может быть гладкой или рифлёной, с косыми или прямыми ребрами. Диаметр стальных прутьев варьируется от 6 до 80 мм, при этом максимальная длина одной секции может достигать 12 м.

Преимущества стальной арматуры включают:

• Высокую прочность на изгиб и растяжение, что обеспечивает стабильность форм и размеров конструкций под вертикальными и горизонтальными нагрузками;
• Широкий температурный диапазон, в пределах которого металл сохраняет свои характеристики при экстремальном охлаждении и нагреве; он может использоваться как каркас в огнеупорных сооружениях;
• Долговечный срок службы, при условии применения бетона с высокими показателями водонепроницаемости и морозостойкости;
• Разнообразные возможности монтажа, включая гибку на месте, сварку и соединение проволокой;
• Широкий ассортимент продукции, различающейся длиной, сечением, составом и рельефом поверхности, что позволяет применять её в различных сферах работы.

• Большой удельный вес, что затрудняет транспортировку и укладку в опалубку, также увеличивает массу конструкций;
• Высокая теплопроводность, что может приводить к промерзанию конструкций при низких температурах из-за передачи холода;
• Склонность к ржавлению при контакте с водой и химическими реагентами;
• Сложности с хранением, требуется защита от влаги и укладка на ровной поверхности, чтобы предотвратить деформацию;
• Ограниченный размер прутьев, что требует дополнительных временных и ресурсных затрат на стыковку при создании длинных конструкций.

Стальная арматура находит применение в практически всех отраслях промышленности. Она используется при строительстве жилых и промышленных зданий, в инженерных сооружениях, при создании плит для дорог, а также для сооружения заборов, площадок, памятников и монументов.

Сравнение стальной и стеклопластиковой арматуры

Работы по армированию составляют значительную часть расходов на строительство. Поэтому снижение затрат является важным фактором при выборе материалов. Тем не менее, финансовый аспект следует рассматривать только после тщательного анализа сравнительных характеристик стальной и стеклопластиковой арматуры.

В первую очередь, материалы должны соответствовать условиям применения на объекте, а затем учитывать условия их эксплуатации. Эти аспекты должны быть определены на стадии проектирования, основываясь на строительных нормах и правилах, а также на соответствующих законах N 184-ФЗ и N 384-ФЗ. Таблица, сравнивающая стеклопластиковую и стальную арматуру по основным техническим параметрам, выглядит следующим образом:

Вид (класс) арматуры:

Сортамент (диапазон диаметров) в мм:

Прочность на разрыв (МПа):

Модуль упругости (прочность на изгиб), в МПа:

Для всех видов композитной арматуры

Представленные данные указывают на отсутствие явного превосходства одной группы арматуры над другой по механическим характеристикам. Более того, в некоторых случаях композитная арматура имеет характеристики, которые не имеют аналогов среди стальных изделий.

Это касается, например, гладкой арматуры (катанки) А-I, что делает сравнение не совсем корректным. Также стоит отметить, что существует отдельный класс термически упрочненной арматуры периодического профиля, которая имеет повышенные показатели прочности на разрыв.

Таким образом, категорично ставить вопрос о том, какая арматура лучше — стальная или стеклопластиковая — неправильно. На этапе проектирования для выбора того или иного материала необходимо провести расчёты по шести показателям предельных состояний (прочный конструкций) для различных условий эксплуатации.

Примеры широкого применения композитной арматуры включают:

• Возведение бетонных опор для линий электропередач, мостов, путепроводов и других объектов;
• Строительство объектов гидротехнического назначения;
• Монолитное строительство в сейсмоопасных регионах;
• Производство конструкций для железнодорожных путей и других транспортных инфраструктур;
• Строительство мелиоративных сооружений и так далее.

Сфера применения композитной арматуры базируется в большей степени на зарубежном опыте. Напоминаем, что единые строительные правила её использования в России вступили в силу только в декабре 2018 года. Однако за границей уже существуют сооружения с полимерным армированием, например, мосты, которые эксплуатируются более 50 лет и до сих пор находятся в отличном техническом состоянии.

Соотношение арматуры композитной и металлической

Чтобы упростить задачу выбора более целесообразного варианта, необходимо рассмотреть понятие равнопрочной замены. Оно предполагает поиск арматуры с определенным диаметром, которая могла бы заменить продукцию обеих групп. В качестве примера возьмём стальную арматуру периодического профиля класса А-III и композитный материал АКК.

Расчёты равнопрочной замены можно выполнить с высокой точностью, однако мы округлим значения до фактических величин сортамента, так как не существует композитной арматуры диаметром 7,15 или 14,89 мм. Результаты для стальной и композитной арматуры будут представлены следующим образом:

• 6 на 4 мм;
• 8 и 10 на 6 мм;
• 12 на 8 мм;
• 14 и 16 на 10 мм и подобные.

Однако, если A-III заменяется на A-IV, то равнопрочная величина диаметра АКК будет иметь поправочный коэффициент 1,5. Это означает, что для замены стального диаметра в 6 мм потребуется композитная арматура того же диаметра. Когда же сравниваем арматуру A-III и продукцию из стеклокомпозита, поправочный коэффициент составит 1,25.

Необходимость округления расчётных значений до стандартных диаметров композитной арматуры существенно уменьшает её преимущества в плане механической прочности. Кроме того, термически обработанная стальная арматура может значительно превосходить по прочностным показателям лучшие образцы композитной продукции, увеличивая своё преимущество в два раза или более.

Прочность на изгиб

Этот параметр зависит от модуля упругости материала. Для стали марки Ст3 он составляет 200 ГПа (гигапаскалей), а для стеклопластика — от 30 до 55 ГПа. Это означает, что в конструкциях, в которых арматура работает на изгиб (и это все виды плавающих фундаментов, плит и балок перекрытий, ригели каркаса здания и перемычки над проёмами), диаметр стеклопластиковой арматуры должен быть больше, чем у стальной. Насколько именно — зависит от конкретного расчета конструкции. Однако проблема заключается в том, что методика расчета была разработана только для железобетона (СП 63.13330.2012), тогда как для бетона с композитным армированием соответствующего метода пока не существует.

Практически следует рекомендовать при использовании стеклопластиковой арматуры в таких конструкциях увеличивать коэффициент армирования примерно на 20% или повышать диаметр прутков на 4 мм (по сравнению со стальными). Следовательно, рентабельность применения композитных материалов в случае таких условий остаётся под вопросом.

Прочность на разрыв

У стеклопластиковой арматуры прочность на разрыв превышает 1,1 ГПа, тогда как у стальной она равна 390 МПа, что почти в три раза ниже. При этом относительное удлинение при разрыве, определяемое как величина деформации при временном сопротивлении разрыву, выраженная в процентах от первоначальной длины, у стеклопластиковой арматуры может быть меньше в 10 раз. Это означает, что в конструкциях, испытывающих в основном растягивающие нагрузки (например, сваи, вертикальное и подошвенное горизонтальное армирование ленточных фундаментов глубокого заложения), стеклопластиковая арматура может быть тоньше стальной. К сожалению, на данный момент не существует методик для тщательного расчёта необходимых значений для стеклопластика.

Теплопроводность в основном имеет значение для стеновых кладочных конструкций, где поясное армирование часто приводит к образованию мостиков холода. В этом аспекте стеклопластиковая арматура более эффективна: её коэффициент теплопроводности в 13 раз ниже, чем у стали.