СОВРЕМЕННАЯ КОМПОЗИТНАЯ БАЗАЛЬТОВАЯ АРМАТУРА ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

15.08.2010

В современной мировой практике наряду с традиционной стальной арматурой все более широкое применение находит неметаллическая композитная базальтовая арматура. Отличительной особенностью такой арматуры является высокая стойкость к коррозионным воздействиям агрессивной среды, в частности хлористых солей, углекислого и сернистого газа, оксидов азота и других, что существенно увеличивает межремонтный цикл эксплуатации по сравнению с железобетонными конструкциями. Композитная базальтовая арматура обладает низким коэффициентом теплопроводности, является диэлектриком, радиопрозрачна, магнитоинертна, и как следствие в ряде случаев позволяет обеспечить антимагнитные и диэлектрические свойстваконструкций.

Совокупность перечисленных выше служебных свойств, а также достаточные для армирования конструкций прочностные и деформативные характеристики и обеспечение требуемого сцепления с бетоном, предопределили наиболее рациональные области применения композитной базальтовой арматуры, а именно: конструкции морских и припортовых сооружений, автомобильные дороги, фундаменты, конструкции инженерных сетей, опоры линий электропередач, теплосберегающие ограждающие конструкции.

В современной практике композитная базальтовая арматура наиболее широко применяется в США, Канаде, Японии, Германии, Италии, где разработаны соответствующие нормативные документы, регламентирующие правила проектирования, испытаний и применения такой арматуры.

В последние годы в Украине освоено производство базальтопластиковой арматуры для армирования бетонных конструкций ООО ”Технобазальт-Инвест” (г. Славута, Хмельницкая область). Арматура производится по ТУ У В.2.7-25.2-34323267-001:2009 [1] и  имеет следующие основные технические характеристики:

- номинальный диаметр - 6 – 12 мм;

- временное сопротивление разрыву – 800 МПа;

- модуль упругости – 43000 МПа;

- относительное равномерное удлинение при разрыве – 2,2%;

- плотность 1900 кг/м³.

Для изучения закономерностей сопротивления бетонных изгибаемых элементов, армированных композитной базальтовой арматурой, были проведены специальные экспериментальные исследования, целью которых являлось установление характера изменения напряженно-деформированного состояния бетона и композитной арматуры в процессе нагружения, характера деформирования, возможных форм разрушения элементов, прочности, жесткости и трещиностойкости элементов.

В качестве опытных образцов были приняты балки прямоугольного сечения, с продольной композитной базальтопластиковой арматурой. Варьируемыми факторами при проведении экспериментальных исследований являлись содержание (коэффициент армирования) и расположение композитной базальтовой арматуры в сечении балки.  

Всего было испытано 3 серии образцов балок-близнецов. Первая и вторая серии включали в себя по 6 балок-близнецов, в которых композитная базальтовая арматура располагалась в растянутой зоне. Третья серия включала в себя 7 балок-близнецов, в которых композитная базальтовая арматура располагалась в растянутой и сжатой зонах. В первой серии коэффициент армирования составлял 0,0059 (2Ø10), во второй - 0,0086 (2Ø12), а в третьей суммарный процент армирования растянутой (2Ø12) и сжатой зон (2Ø10) составлял 0,0146.

Балки имели поперечное сечение 120х220 мм, испытывались как свободно опертые и загружались двумя сосредоточенными силами, расположенными в третях пролета. В процессе испытаний измерялись деформации бетона сжатой зоны, деформации композитной арматуры растянутой зоны, вертикальные перемещения (прогиб) балки в середине пролета, смещение (сдвиг) свободного конца композитной базальтовой продольной арматуры растянутой зоны на торцах балки.

В процессе нагружения первыми при нагрузке 0,32…0,36 от разрушающей образовывались нормальные трещины в зоне чистого изгиба. При дальнейшем увеличении нагрузки происходило развитие по высоте и раскрытие нормальных трещин. Развитие нормальных трещин по высоте практически прекращалось при нагрузке 0,65…0,8 от разрушающей, раскрытие трещин продолжалось вплоть до разрушения балки. Разрушение всех опытных балок носило пластический характер и происходило в результате разрушения (раздробления) бетона сжатой зоны над нормальной трещиной.При разрушении элементов в результате разрушения бетона сжатой зоны над нормальной трещиной напряжения в композитной базальтовой арматуре составляли 541…725 МПа, что соответствовало 0,50…..0,79 от временного сопротивления композитной арматуры. При этом изменение деформаций продольной композитной арматуры растянутой зоны опытных балок в процессе нагружения носило линейный характер. Деформации бетона на уровне середины высоты сжатой зоны опытных балок на стадии, предшествующей разрушению, составляли (1,762…2,947) 10^-3 и были близки к предельным деформациям бетона при сжатии.

Прогибы опытных балок при нагрузке, соответствующей уровню нормативной, составляли 2,7…4,9 мм, что соответствовало (1/180…1/320) пролета.  

Ширина раскрытия трещин опытных балок при нагрузке, соответствующей уровню нормативной (характеристической), составляла 0,45…0,55 мм.

Сдвига свободного конца композитной продольной арматуры на торце балки вплоть до разрушения не происходило, что свидетельствует об обеспечении сцепления арматуры с бетоном.

Для оценки возможности применения композитной базальтовой арматуры был выполнен сопоставительный анализ с расчетными значениями несущей способности (предельного изгибающего момента), ширины раскрытия трещин и прогибов аналогичных балок с продольной стальной арматурой класса А500С по ДСТУ 3760:2006 [2]. При выполнении расчетов геометрические размеры, продольное армирование, прочность бетона на сжатие принимались такими же, как и балок, армированных композитной базальтовой арматурой. Предел текучести арматуры класса А500С принимался равным нормируемому значению – 500 МПа. Расчет несущей способности, ширины раскрытия трещин и прогибов балок с продольной арматурой класса А500С выполнялся по СНиП 2.03.01-84 [3] и “Рекомендациям по применению арматурного проката по ДСТУ 3760-98 при проектировании и изготовлении железобетонных конструкций без предварительного напряжения арматуры” [4]. Результаты сопоставления приведены в таблице 1, где для балок с базальтопластиковй арматурой приведены средние значения по сериям.

Таблица 1

№ серии	Несущая способность, Mu,кНм		Ширина раскрытия трещин, acrc, мм		Прогиб f, мм
	арматура		арматура		арматура
	Композитная базальтовая арматура	А500С	Композитная базальтовая арматура	А500С	Композитная базальтовая арматура	А500С
I	19,40	15,30	0,45…0,50	0,20	3,7	1,23
II	21,30	21,51	0,40…0,45	0,16	3,9	0,92
III	22,80	26,59	0,35…0,40	0,15	3,9	0,80

Обобщение, систематизация и анализ результатов проведенных экспериментальных исследований и их сопоставления с сопротивлением действию изгибающего момента элементов со стальной арматурой позволяют сделать следующие основные выводы.

1. Закономерности сопротивления бетонных элементов, армированных композитной базальтовой арматурой, а именно характер трещинообразования, деформирования и разрушения, соответствуют аналогичным закономерностям для элементов, армированных стальной арматурой.

2. Разрушение балок с композитной базальтовой арматурой с одиночным и двойным армированием с коэффициентами армирования 0,0059…0,0086 и 0,0146 происходит по бетону сжатой зоны при деформациях в бетоне близким к предельным и напряженях в композитной арматуре 0,50…..0,79 от временного сопротивления.

3. Несущая способность балок с одиночной композитной базальтопластиковой арматурой соответствует несущей способности балок со стальной арматурой. Несущая способность балок с двойным армированием композитной базальтовой арматурой ниже несущей способности балок со стальной арматурой, ввиду меньшего значения сопротивления композитной арматуры на сжатие.

4. Ширина раскрытия трещин балок с композитной базальтовой арматурой при нагрузке, соответствующей уровню нормативной, составляла 0,45…0,55 мм, что выше предельных значений, установленных для стальной арматуры исходя из требований коррозионной стойкости. Прогибы балок с композитной базальтовой арматурой при нагрузке, соответствующей уровню нормативной, составляли (1/180…1/320) пролета и в целом соответствовали требованиям к предельным прогибам элементов со стальной арматурой.

Ширина раскрытия трещин и прогибы балок с композитной базальтовой арматурой превышают ширину раскрытия трещин и прогибы балок со стальной арматурой (см. табл.1), ввиду меньшего значения модуля упругости базальтовой арматуры по сравнению со стальной.

5. Совокупность вышеизложенного позволяет считать, что при соответствующем технико-экономическом обосновании, композитная базальтовая арматура может применяться для армирования бетонных конструкций.

Доктор технических наук,

профессор Киевского национального 

университета строительства и архитектуры,

Академик Академии Строительства Украины

Ю.А. Климов

1. ТУ У В.2.7-25.2-34323267-001:2009 Арматура неметалева композитна базальтова періодичного профілю.

2. ДСТУ 3760:2006 Прокат арматурний для залізобетонних конструкцій. Загальні технічні умови.

3. СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции.

4. Рекомендации по применению арматурного проката по ДСТУ 3760-98 при проектировании и изготовлении железобетонных конструкций без предварительного напряжения арматуры, Технический комитет по стандартизации “Арматура для железобетонных конструкций”, Киев, 2002.