Из чего строить будущее: как инженеры применяют композитную арматуру

Фото: Shutterstock

На автомобильной дороге легко заметить покрытие, разметку и ограждения. Гораздо труднее увидеть сооружения, без которых она не сможет нормально работать. Под насыпью проходят трубы, пропускающие воду, а бетонные лотки направляют поток и защищают конструкцию от размыва. Летом они контактируют с водой, зимой — ещё и с веществами, которыми обрабатывают дорогу от гололёда. Для армирования таких лотков на трассе Шали — Бавлы в Татарстане использовали стержни ROCKBAR из композитного материала.

Композитная арматура похожа на стальную, но устроена иначе. Внутри неё — длинные стеклянные или базальтовые волокна, соединённые полимером. Такой стержень не ржавеет как сталь и весит меньше неё. При этом одного сравнения прочности материалов недостаточно, чтобы решить, где использовать композит: инженер рассчитывает, как поведёт себя вся бетонная конструкция.

Почему арматура из волокон оказалась под автомагистралью, как её производят и чему учатся специалисты, которые с ней работают, рассказываем в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Как из волокон получается стержень

Арматуру ROCKBAR выпускает компания «Гален», основанная в 2001 году. У неё есть базальтопластиковые и стеклопластиковые стержни. Для их изготовления используют пултрузию: длинные непрерывные волокна пропитывают полимерным связующим, а затем протягивают через формующие устройства — фильеры. Связующее отверждается, и на выходе получается стержень заданного сечения.

Волокна воспринимают растягивающее усилие вдоль стержня. Полимер удерживает их вместе и помогает передавать нагрузку между ними. Важна и наружная поверхность арматуры: через неё усилие переходит от бетона к стержню. Один из способов обеспечить сцепление — нанести песчаное покрытие.

Производственная линия должна выпускать стержни с предсказуемыми свойствами. Технолог следит за составом сырья, расположением и натяжением волокон, качеством пропитки, размерами и поверхностью готовой арматуры. Если волокна повредятся или связующее распределится неравномерно, стержень может повести себя под нагрузкой иначе, чем ожидает проектировщик.

Требования к композитной полимерной арматуре, правила её приёмки и методы контроля устанавливает ГОСТ 31938-2022. Благодаря испытаниям инженер получает характеристики материала, которые нужны ему для расчёта будущей конструкции — будь то фундаментная плита или небольшой бетонный элемент дороги.

Фото: Базальтопластиковые стержни ROCKBAR с покрытием. Источник: производитель ООО «Гален»

Почему самый прочный стержень не всегда подходит

Бетон хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже — растяжению. Арматура помогает воспринимать растягивающие усилия, которые появляются в конструкции под нагрузкой. Но бетонному элементу мало просто не разрушиться. Он не должен чрезмерно прогибаться, а появившиеся в нём трещины — раскрываться шире допустимого.

Разницу между прочностью и жёсткостью легко представить на двух линейках. Обе можно согнуть, не сломав, но одна при одинаковом усилии отклонится гораздо сильнее другой. С арматурой происходит нечто похожее: материал может хорошо сопротивляться разрыву и при этом заметнее деформироваться под нагрузкой.

Для базальтопластиковой ROCKBAR производитель приводит прочность при растяжении 1300 МПа и модуль упругости 55 000 МПа. Для сравнения рядом указаны показатели стальной арматуры класса А400С — 390 и 200 000 МПа соответственно. Первое число относится к сопротивлению растяжению, второе характеризует жёсткость. Композитный стержень прочен на разрыв, но при одинаковом напряжении деформируется сильнее стального.

У стеклопластиковой ROCKBAR свои показатели: прочность при растяжении составляет 1000 МПа, модуль упругости — 52 000 МПа. Поэтому при проектировании важно знать, какая именно арматура будет применяться. Затем инженер рассчитывает не только стержень, но и бетонный элемент целиком: его прочность, прогиб и возможное раскрытие трещин.

Для такой работы существует СП 295.1325800.2017 — свод правил проектирования бетонных конструкций с композитной полимерной арматурой. Он охватывает расчёты прочности, образования трещин и деформаций и применяется с учётом действующих изменений. Так свойства материала превращаются в конкретные размеры конструкции и схему армирования.

Зачем композит дорожным сооружениям?

Автомобильную дорогу приходится защищать от воды. Для этого вдоль неё устраивают водоотвод, а под насыпью — водопропускные сооружения. Их бетонные части работают во влажной среде; некоторые элементы также подвергаются воздействию противогололёдных реагентов. Для стальной арматуры попадание влаги и агрессивных веществ создаёт условия, при которых может начаться коррозия.

Композитный стержень не ржавеет как стальной. Именно это свойство делает его интересным для дорожных элементов, контактирующих с водой и реагентами. Но арматура работает внутри бетона, а значит, проектировщику всё равно нужно учитывать нагрузки, форму элемента, свойства бетона и сцепление двух материалов. «Гален» относит к областям применения базальтопластиковой ROCKBAR в том числе элементы дорог, подверженные воздействию противогололёдных веществ.

На трассе Шали — Бавлы в Татарстане стержни ROCKBAR диаметром 4, 5 и 6 мм использовали для армирования бетонных водосточных лотков трёхочковой водопропускной трубы. «Три очка» означают три прохода для воды. Лотки направляют поток возле сооружения, которое позволяет воде пересечь дорогу под насыпью. Арматура скрыта внутри бетона, но участвует в работе элемента, постоянно находящегося рядом с водой.

Водитель не видит такой лоток из машины, однако для дорожного инженера он — часть общей системы. Нужно определить, куда пойдёт вода, какие нагрузки испытает бетонный элемент, где разместить арматуру и как обеспечить её сцепление с бетоном. При выборе композита к этим вопросам добавляются особенности его жёсткости и работы в течение срока службы.

Дорожное строительство — лишь одна из областей применения арматуры из волокон. Влага и агрессивные вещества воздействуют также на бетонные ёмкости, гидротехнические сооружения и фундаменты. В каждом случае стойкость стержня к коррозии полезна по-своему, а конструкцию рассчитывают под её собственные условия работы.

Как композит применяют в зданиях

В фундаментной плите многоэтажного дома арматура испытывает совсем другие нагрузки, чем в дорожном водосточном лотке. Для неё имеют значение толщина плиты, расположение опор, масса здания и то, как усилия распределяются между слоями бетона и арматуры.

В Дрожжино при строительстве 17-этажного здания стеклопластиковую ROCKBAR диаметром 15 мм применили в верхнем слое фундаментной плиты вместо стальной арматуры А500С диаметром 20 мм. Расчёты армирования выполнил НИИЖБ имени А. А. Гвоздева. Диаметры здесь относятся к решению для определённого слоя конкретной плиты: в другой конструкции распределение нагрузок и результаты расчёта могут быть иными.

В Хабаровском крае базальтопластиковые стержни диаметром 10 мм использовали при подготовке ростверка частного дома площадью 160 квадратных метров. Ростверк соединяет опоры фундамента и распределяет передаваемые на них нагрузки. До заливки бетона расположение арматуры можно увидеть: стержни собирают в предусмотренную проектом конструкцию и закрепляют, чтобы при бетонировании они остались на месте.

Фото: Заготовки ростверка с базальтопластиковой арматурой ROCKBAR на объекте в Хабаровском крае. Источник: ООО «Гален»

У дорожного лотка, фундаментной плиты и ростверка разные задачи. Именно поэтому один и тот же материал нельзя оценить в отрыве от сооружения. В плите инженер проверяет работу нужного слоя под нагрузками здания, в ростверке — передачу усилий на опоры, а в дорожном лотке — сочетание нагрузок с постоянным воздействием воды.

Что ещё нужно учесть до заливки бетона

Композитная арматура передаёт усилие бетону через свою поверхность. Проектировщик определяет, как закрепить стержень, какой длины должны быть участки соединения внахлёст и где расположить арматуру внутри элемента. Если во время монтажа она сместится, готовая конструкция будет отличаться от рассчитанной.

На результат влияет и температура. Полимерное связующее при нагреве ведёт себя иначе, чем сталь, поэтому для конструкции с требованиями по огнестойкости нужны соответствующие проверки. Отдельно оценивают условия длительной эксплуатации: свойства всего бетонного элемента зависят не только от того, ржавеет ли стержень.

Генеральный директор «Галена» Валерий Гуринович объяснил принцип выбора материала так: «Мы заменяем металл на композитный материал, там, где это эффективно и целесообразно для нужд и целей потребителей». В проекте это означает вполне предметную работу: сопоставить свойства материалов с нагрузками, средой и требованиями к конкретной конструкции.

Кто создаёт такие конструкции?

Путь арматуры начинается на производственной линии. Технолог подбирает сырьё и режим изготовления, оператор следит за оборудованием, специалист контроля измеряет стержни и испытывает образцы. Их работа определяет, получит ли проектировщик материал с ожидаемыми свойствами. Дальше задача переходит к инженеру-конструктору. Он выбирает расположение арматуры и рассчитывает, как бетонный элемент выдержит нагрузки. В дорожном проекте ему также нужно понимать работу водоотвода; при проектировании здания — путь усилий через плиту и фундамент к основанию. Строители затем собирают арматуру и бетонируют конструкцию по чертежам.

Первое представление о работе материалов можно получить на простом опыте: сравнить, насколько два образца одинаковой длины прогибаются под одинаковой небольшой нагрузкой. Оба могут остаться целыми, хотя один заметно изменит форму. В инженерной практике за этим наблюдением стоят испытания, расчёты деформаций и подбор материала под будущую конструкцию.

Тем, кому интересно производство и исследование композитов, подойдёт материаловедение. В Ульяновском государственном техническом университете направление «Материаловедение и технологии материалов» включает профиль «Конструирование и производство изделий из полимерных и композиционных материалов». Студенты изучают свойства материалов, методы их обработки и испытаний. Для расчёта бетонных конструкций требуется уже строительная подготовка: здесь нужно знать и материал, и то, как работает сооружение целиком.

Под трассой Шали — Бавлы композитная арматура стала частью водосточных лотков. В Дрожжино её применили в слое фундаментной плиты. Между этими объектами — разные расчёты, нагрузки и условия службы, но общий инженерный вопрос: какие свойства нужны конструкции именно здесь? С ответа на него и начинается работа с новым материалом.