Композитная полимерная арматура (АКП; также композитная арматура; ) — неметаллическая арматура в виде стержней из полимерного композиционного материала, армированного непрерывными волокнами. Применяется преимущественно для армирования бетонных конструкций.
Согласно ГОСТ 31938-2022, композитная полимерная арматура периодического профиля представляет собой стержень из полимерного композита с расположенным на поверхности анкеровочным слоем, обеспечивающим сцепление с бетоном.
В качестве армирующего наполнителя применяются стеклянные, базальтовые, углеродные, арамидные и сочетания различных видов волокон. Свойства арматуры зависят от вида волокна, полимерной матрицы, содержания армирующего наполнителя, технологии изготовления и конструкции периодического профиля.
История
Исследования неметаллической арматуры для строительных конструкций проводились в СССР со второй половины XX века. В 1960-х годах были организованы опытные производства стеклопластиковой арматуры, а в последующие десятилетия появились экспериментальные сооружения с её применением.
В 1978 году НИИЖБ им. А. А. Гвоздева были разработаны рекомендации Р-16-78 по расчёту конструкций со стеклопластиковой арматурой. В дальнейшем область исследований расширилась на базальтовые, углеродные и арамидные композиты.
В России первый межгосударственный стандарт на композитную полимерную арматуру ГОСТ 31938-2012 был принят в 2012 году. В 2022 году его заменил ГОСТ 31938-2022, введённый в действие с 1 сентября 2022 года.
Правила проектирования бетонных конструкций с такой арматурой установлены СП 295.1325800.2017 «Конструкции бетонные, армированные полимерной композитной арматурой. Правила проектирования».
Конструкция
Основным несущим элементом композитной арматуры являются ориентированные преимущественно вдоль продольной оси непрерывные волокна. Они объединяются полимерной матрицей, которая обеспечивает совместную работу волокон, передаёт между ними усилия и защищает их от внешнего воздействия.
ГОСТ 31938-2022 устанавливает содержание непрерывного армирующего наполнителя не менее 80 %.
Для передачи усилий между арматурой и бетоном на поверхности стержня формируется анкеровочный слой. Он может образовываться поперечными выступами, намоткой непрерывного волокна или жгута либо формированием выступов непосредственно на поверхности силового стержня.
По типу полимерной матрицы ГОСТ 31938-2022 предусматривает арматуру на основе эпоксидных и полиэфирных термореактивных смол. По состоянию поставки АКП подразделяется на поставляемую в прутках мерной длины и в мотках.
Номинальные диаметры АКП, предусмотренные ГОСТ 31938-2022, находятся в диапазоне от 6 до 22 мм.
Классификация
ГОСТ 31938-2022 по типу непрерывного армирующего наполнителя выделяет четыре основных вида композитной полимерной арматуры:
стеклокомпозитная арматура (АСК) — на основе стеклянных волокон; базальтокомпозитная арматура (АБК) — на основе базальтовых волокон; углекомпозитная арматура (АУК) — на основе углеродных волокон; комбинированная композитная арматура (АКК) — с сочетанием стеклянных и углеродных либо базальтовых и углеродных волокон.
В технической литературе широко используются более ранние названия: стеклопластиковая, базальтопластиковая и углепластиковая арматура.
Действующая редакция СП 295.1325800.2017 предусматривает также арамидокомпозитную арматуру (ААК) и приводит для неё нормативные прочностные и деформационные характеристики.
Свойства
Прочность и деформативность
Композитная арматура характеризуется высокой прочностью при растяжении, однако механические характеристики существенно различаются в зависимости от типа армирующих волокон.
В отличие от многих арматурных сталей композитная арматура не имеет выраженной площадки текучести. При растяжении она работает преимущественно упруго вплоть до разрушения. ГОСТ 31938-2022 прямо указывает на необходимость учитывать хрупкий характер разрушения АКП.
Модуль упругости стекло- и базальтокомпозитной арматуры значительно ниже модуля упругости стальной арматуры. Поэтому при проектировании конструкций необходимо учитывать не только прочность арматуры, но также прогибы, деформации и ширину раскрытия трещин.
Углекомпозитная арматура отличается существенно более высоким модулем упругости по сравнению со стекло- и базальтокомпозитной.
Плотность
Плотность полимерных композиционных материалов существенно ниже плотности стали, поэтому стержни композитной арматуры имеют меньшую массу при сопоставимых геометрических размерах.
Малая масса упрощает транспортирование и ручной монтаж арматуры и позволяет поставлять некоторые типоразмеры в мотках.
Коррозионная стойкость
Композитная полимерная арматура не подвергается электрохимической коррозии, характерной для стальной арматуры. Это является одним из оснований для её применения в бетонных конструкциях, эксплуатируемых в агрессивных средах.
Вместе с тем свойства композитов могут изменяться при длительном воздействии щелочной среды, влаги и температуры. Поэтому ГОСТ 31938-2022 нормирует сохранение прочности после выдержки в щелочной среде, водопоглощение и другие показатели долговечности.
Предел прочности сцепления арматуры с бетоном по ГОСТ 31938-2022 должен составлять не менее 12 МПа, а после выдержки в щелочной среде — не менее 10 МПа.
Электрические свойства
Электрические свойства композитной арматуры зависят от материала армирующих волокон.
Стекло- и базальтокомпозитная арматура характеризуется высоким электрическим сопротивлением и может применяться в случаях, когда наличие электропроводящей стальной арматуры нежелательно.
Углекомпозитная арматура является электропроводной. ГОСТ 31384-2017 прямо указывает, что в конструкциях, подвергающихся электрокоррозии, допускается применение композитной арматуры с высоким электрическим сопротивлением, в частности стекло- и базальтопластиковой, тогда как углепластиковая арматура из-за высокой электропроводности в подобных условиях не допускается.
Таким образом, распространённое утверждение о диэлектрических свойствах всей композитной арматуры некорректно и применимо не ко всем её разновидностям.
Воздействие температуры
Температурная стойкость композитной арматуры в значительной степени определяется свойствами полимерной матрицы.
ГОСТ 31938-2022 устанавливает температуру стеклования полимерной матрицы не менее 90 °C и указывает, что применение бетонных конструкций с АКП при повышенных температурах ограничивается температурой стеклования матрицы.
Поэтому для композитной арматуры нельзя устанавливать единую предельную температуру эксплуатации только по виду армирующего волокна: характеристики конкретного изделия зависят также от связующего и технологии производства.
Стеклокомпозитная арматура
Стеклокомпозитная арматура (АСК), или стеклопластиковая арматура, изготавливается на основе непрерывных стеклянных волокон и полимерного связующего.
Это наиболее распространённый вид композитной полимерной арматуры.
Стеклокомпозитная арматура имеет относительно небольшую массу, высокую прочность при растяжении, высокое электрическое сопротивление и устойчивость к электрохимической коррозии. Одновременно её модуль упругости существенно ниже модуля упругости стальной и углекомпозитной арматуры.
В соответствии с действующей редакцией СП 295.1325800.2017 нормативный предел прочности АСК при растяжении должен быть не ниже 1000 МПа, а нормативный модуль упругости при растяжении — не ниже 50 ГПа.
Базальтокомпозитная арматура
Базальтокомпозитная арматура (АБК), или базальтопластиковая арматура, производится с применением непрерывных базальтовых волокон и полимерной матрицы.
По действующей редакции СП 295.1325800.2017 нормативный предел прочности АБК при растяжении составляет не менее 1000 МПа, модуль упругости — не менее 50 ГПа.
Характеристики конкретной базальтокомпозитной арматуры зависят не только от волокна, но и от состава полимерной матрицы, содержания наполнителя и технологии производства. Экспериментальные исследования показывают, что изменение состава связующего может существенно влиять на прочностные характеристики и сцепление с бетоном.
Углекомпозитная арматура
Углекомпозитная арматура (АУК), или углепластиковая арматура, представляет собой композитную полимерную арматуру, в которой основным непрерывным армирующим наполнителем являются углеродные волокна.
По сравнению со стекло- и базальтокомпозитной арматурой АУК характеризуется более высоким модулем упругости и более высоким нормативным пределом прочности при растяжении.
Согласно действующей редакции СП 295.1325800.2017 для углекомпозитной арматуры нормативные значения должны составлять не менее:
1400 МПа — предел прочности при растяжении; 130 ГПа — модуль упругости при растяжении.
Для сравнения, нормативный модуль упругости АСК и АБК составляет не менее 50 ГПа.
Высокий модуль упругости углеродных волокон позволяет уменьшить один из характерных недостатков стекло- и базальтокомпозитной арматуры — повышенную деформативность конструкций при одинаковой площади армирования.
Арматура на основе углеродных волокон характеризуется также высокой прочностью при растяжении и устойчивостью к электрохимической коррозии. При этом стоимость углеродных волокон и изделий на их основе значительно выше стоимости наиболее распространённых стекловолоконных композитов, что ограничивает массовое применение АУК.
Принципиальным отличием углекомпозитной арматуры от стекло- и базальтокомпозитной является высокая электрическая проводимость. Поэтому АУК не должна рассматриваться как диэлектрическая замена стальной арматуры и, согласно ГОСТ 31384-2017, не допускается к применению вместо высокоомной композитной арматуры в конструкциях, подвергающихся электрокоррозии.
Выбор углекомпозитной арматуры производится расчётом с учётом условий эксплуатации конструкции, характера нагрузок, требований по прочности, деформациям и трещиностойкости.
Углекомпозитную стержневую арматуру следует отличать от углеродных лент, ламелей, тканей и сеток, используемых для внешнего усиления существующих конструкций. Это разные виды композитной продукции, регулируемые различными нормативными документами.
Арамидокомпозитная и комбинированная арматура
Арамидокомпозитная арматура (ААК) применяется значительно реже стеклокомпозитной. В действующей редакции СП 295.1325800.2017 для неё установлен нормативный предел прочности при растяжении не менее 1400 МПа и нормативный модуль упругости не менее 70 ГПа.
Комбинированная композитная арматура (АКК) содержит сочетание разных армирующих наполнителей. ГОСТ 31938-2022 предусматривает, в частности, сочетание стеклянного и углеродного либо базальтового и углеродного волокна.
Комбинирование волокон позволяет изменять механические и эксплуатационные характеристики арматуры. Для АКК действующая редакция СП 295 устанавливает нормативный предел прочности при растяжении не менее 1000 МПа и нормативный модуль упругости не менее 60 ГПа.
Нормативные характеристики
Нормативные значения основных прочностных и деформационных характеристик различных видов композитной полимерной арматуры при осевом растяжении приведены в СП 295.1325800.2017 с изменением № 2.
+ Нормативные характеристики композитной полимерной арматуры при растяжении Вид арматуры Обозначение Предел прочности при растяжении, МПа, не менее Модуль упругости при растяжении, ГПа, не менее Стеклокомпозитная АСК 1000 50 Базальтокомпозитная АБК 1000 50 Углекомпозитная АУК 1400 130 Арамидокомпозитная ААК 1400 70 Комбинированная АКК 1000 60
Указанные значения не означают, что композитная арматура определённого диаметра может автоматически заменять стальную арматуру того же или иного диаметра. При проектировании необходимо учитывать модуль упругости, расчётное сопротивление, сцепление с бетоном, условия эксплуатации, раскрытие трещин, деформации и другие параметры конструкции.
Поэтому так называемая «равнопрочная замена» стальной арматуры композитной только на основании отношения пределов прочности без расчёта конструкции некорректна.
Применение