Strona główna > Aktualności > Treści

Ukryta rewolucja: kompozytowe zbrojenie zyskuje siłę

Aug 03, 2020

Beton jest od dawna stosowany jako materiał budowlany ze względu na jego wysoką wytrzymałość na ściskanie, dobrą trwałość i niski koszt. Jednak dobrze znaną piętą achillesową jest kruchość i ograniczona wytrzymałość na rozciąganie. Problem ten rozwiązano dość łatwo około sto lat temu, stosując pręty zbrojeniowe (zbrojenie) ze stali po stronie rozciąganej konstrukcji betonowej. Stalowe pręty zbrojeniowe są funkcjonalnie wydajne i stosunkowo niedrogie, więc w większości przypadków sprawdzają się dobrze. Jednak stalowe pręty zbrojeniowe mają swoją własną słabość: podatność na korozję (utlenianie) pod wpływem soli, agresywnych chemikaliów i wilgoci. W miarę korozji zbrojenie stalowe pęcznieje i zwiększa obciążenie rozciągające betonu, który zaczyna pękać i odpryskiwać, tworząc otwory, które prowadzą do dalszego i szybszego niszczenia stali i betonu. Wymaga to kosztownych napraw i konserwacji, a jeśli pozwoli się na dostateczny postęp, może zagrozić integralności konstrukcji. Przez dziesięciolecia wprowadzono liczne powłoki i penetranty, aby pomóc uszczelnić wilgoć z betonu, a sam pręt zbrojeniowy został ulepszony powłokami epoksydowymi lub stalą nierdzewną. Jednak długoterminowe zapobieganie korozji nie zawsze jest możliwe. Ponadto skłonność stalowych prętów zbrojeniowych do przewodzenia pól elektrycznych i magnetycznych sprawia, że ​​są one niepożądane w betonie przeznaczonym do niektórych zastosowań związanych z wytwarzaniem energii, obrazowaniem medycznym / naukowym, jądrowym i elektrotechnicznym / elektronicznym.

Propozycja wartości FRP

Istnieje wiele powodów, dla których zbrojenie z polimeru wzmocnionego włóknami (FRP) ma sens w niektórych konstrukcjach betonowych. Po pierwsze, zbrojenie kompozytowe nie rdzewieje ani nie koroduje, więc jest idealne do okresowego lub długotrwałego zanurzenia w słodkiej wodzie lub solance w zastosowaniach, takich jak ściany oporowe, pirsy, pomosty, nabrzeża, kesony, pokłady, pale, grodzie, kanały, platformy morskie, baseny i akwaria. Jest również odporny na sól drogową i inne chemikalia odladzające, dzięki czemu jest trwalszym i mniej wymagającym konserwacją wyborem dla jezdni i mostów, konstrukcji parkingowych, pasów startowych lotnisk, barier Jersey, ścian oporowych i fundamentów, krawężników, attyk i płyt na pochyłościach. Ponadto zapewnia szeroką odporność na wiele innych chemikaliów występujących w oczyszczalniach ścieków, składowiskach odpadów stałych, zakładach petrochemicznych, celulozowo-papierniczych, rurociągach, zbiornikach, chłodniach kominowych i kominach, a także na alkaliczne środowisko samego betonu.

Kolejną zaletą jest to, że wytrzymałość na rozciąganie prętów zbrojeniowych FRP jest zwykle 1,5 do 2 razy większa niż stali, więc jest to dobra przeciwwaga dla wysokiej wytrzymałości betonu na ściskanie. Zapewnia również doskonałą odporność na zmęczenie, dzięki czemu nadaje się do cyklicznych obciążeń (takich jak drogi i mosty). Ponadto kompozytowe pręty zbrojeniowe stanowią jedną czwartą ciężaru porównywalnej stali. Oto kilka praktycznych korzyści. Pracownicy budowlani, którzy muszą go nosić i instalować, są mniej zużywani i mniej potrzebują dźwigów i innego ciężkiego sprzętu do podnoszenia. Można go łatwo ciąć zwykłymi narzędziami tnącymi, bez uszkadzania brzeszczotów. Więcej prętów zbrojeniowych można przewieźć na ciężarówkę bez przekraczania ustawowych limitów obciążenia. W przypadku mostów i podobnych konstrukcji wyższy stosunek wytrzymałości do ciężaru zapewnia albo większą nośność danej konstrukcji, albo możliwe możliwości zmniejszenia rozmiaru i ciężaru całej konstrukcji. Pręty zbrojeniowe kompozytowe są również przydatne w zastosowaniach wrażliwych na ciężar, gdzie gleby mają słabe właściwości nośne, w miejscach aktywnych sejsmicznie lub w obszarach wrażliwych środowiskowo, gdzie niepożądane jest przenoszenie ciężkiego sprzętu.

W zastosowaniach wrażliwych na pola elektromagnetyczne zarówno szkło (najczęstsze kompozytowe zbrojenie zbrojeniowe), jak i polimer są z natury nieprzewodzące, więc nie przewodzą prądu, nie przyciągają wyładowań atmosferycznych ani nie zakłócają działania pobliskich urządzeń elektrycznych. To sprawia, że ​​jest to bezpieczniejszy wybór w hutach aluminium i miedzi, elektrowniach jądrowych, specjalistycznych obiektach wojskowych, wieżach lotniskowych, wieżach transmisyjnych elektrycznych i telefonicznych, włazach wyposażonych w sprzęt elektryczny lub telefoniczny, szpitalach wyposażonych w sprzęt do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI) oraz płatnych drogach. tablice czujnikowe i kabiny zbierające. Ponieważ kompozyt wzmocniony włóknem szklanym jest równie słaby w przepuszczaniu ciepła, może być pomocny w utrzymaniu kontroli klimatu w budynkach, tarasach patio i piwnicach.

Chociaż początkowy koszt zbrojenia kompozytowego jest generalnie wyższy niż standardowego zbrojenia stalowego i jest z grubsza porównywalny z prętem stalowym powlekanym żywicą epoksydową, biorąc pod uwagę koszt cyklu życia (LCC), może być dość ekonomiczny - szczególnie w przypadku zastosowań w betonie nie sprężonym. do obciążeń zginających, ścinających i ściskających, które zazwyczaj wymagają częstych napraw i konserwacji lub w przypadku innych problemów z metalem. Z tych i innych powodów kompozytowe pręty zbrojeniowe zaczęły powoli zdobywać udział w rynku inżynierii lądowej.



Żadnych przepisów, żadnych postępów

Kompozytowe pręty zbrojeniowe zaczęły się w Japonii w latach 80-tych XX wieku ze wzmocnieniami z włókna węglowego i aramidowego w matrycach termoutwardzalnych i powoli rozprzestrzeniły się na projekty w Kanadzie na początku lat 90-tych, mówi John Busel z American Composites Manufacturers Assn. (ACMA, Arlington, Wirginia). Ale tak naprawdę nie odniosło sukcesu, wspomina, do czasu opracowania i opublikowania specyfikacji kompozytowych prętów zbrojeniowych pod koniec lat 90. Busel, dyrektor ACMA's Composites Growth Initiative, był przez 12 lat sekretarzem, a następnie przewodniczącym Komitetu 440 - FRP Reinforcement w American Concrete Institute (ACI, Farmington Hills, Michigan), w czasie gdy grupa opracowywała przełomowe specyfikacje i projekt przewodnik dla prętów zbrojeniowych FRP.

„Wymyślanie produktów, które nie są wspierane przez testy i badania, po prostu nie działa w przypadku inżynierów budownictwa” - wyjaśnia Busel. „Potrzeba wielu danych, aby ich przekonać, a uzyskanie tego wymaga czasu”. W związku z tą rzeczywistością, Komitet 440 powstał na początku lat 90., a opracowanie pierwszego wydania, opublikowanego w 1999 r., Zaktualizowanego w 2006 r., A kolejnej aktualizacji przewidzianej na 2012 r. Zajęło prawie dekadę. „Teraz masz standardy, które architekci, inżynierowie , a wykonawcy mogą wcielić się w swoje plany na całym świecie ”, mówi Busel, zauważając, że„ ACI 440.1R okazał się jednym z najbardziej znanych i najczęściej używanych przewodników specyfikacji na świecie i był zdecydowanie wart całej pracy ”.

„ACI 440 jest niezwykle dynamicznym i aktywnym stowarzyszeniem”, zauważa wieloletni kolega Busel Doug Gremel. „Nie dyskryminowaliśmy żadnych badań nigdzie na świecie. Jeśli możemy to wziąć i włączyć do naszych kodów, robimy to. ” Gremel - dyrektor Non-Metallic Reinforcing w Hughes Brothers Inc., dyrektor oddziału HughesAslan Pacific Ltd.(Seward, Neb.) i przewodniczący komitetu zarządzającego w firmie Composite Insulated Concrete Systems LLC z siedzibą w Omaha w Neb. - dodaje: „Nie jesteśmy dumni z posiadania, jeśli chodzi o tę wiedzę”.

Pomimo tej rosnącej wiedzy i doświadczenia w połowie i późnych latach 90-tych, wzrost wykorzystania prętów zbrojeniowych FRP był powolny. Pierwsza instalacja w USA pojawiła się dopiero w 1996 r. W McKinleyville / Buffalo Creek Bridge w Brooks County, W. Va. Zbrojenie FRP w końcu zyskało przyczepność w Ameryce Północnej po włączeniu do kanadyjskiego kodu mostu autostradowego, gdzie stało się domyślnym rozwiązaniem dla radzenie sobie z korozją spowodowaną surową pogodą w Kanadzie. To z kolei doprowadziło do podjęcia pracy przez Amerykańskie Stowarzyszenie Urzędników ds. Autostrad i Transportu (AASHTO) w celu opracowania specyfikacji dotyczących stosowania szklanych pokładów betonowych i balustrad drogowych ze szkła FRP (GFRP). Od tego momentu inżynierowie i specjaliści z Departamentu Transportu Stanów Zjednoczonych (DoT) mieli własny przewodnik projektowy, który był zgodny z ACI 440. W rezultacie, mówi Busel, Kanada i USA razem mają teraz prawie 400 mostów z prętami zbrojeniowymi FRP w niektórych aspektach ich konstrukcja. Instalacje europejskie rosną, ale w wolniejszym tempie.

Gremel - którego pracodawca, Hughes Brothers, jest globalnym dostawcą prętów zbrojeniowych FRP - twierdzi, że standardy stanowią obiektywne ramy zapewniania jakości. „Musimy dostarczyć certyfikaty partii produkcyjnej jako dowód, że jakikolwiek dany pręt zbrojeniowy spełnia lub przekracza właściwości określone w normach ASTM” - mówi. „Przeprowadzamy testy modułu sprężystości i odkształcenia na każdej działce, którą prowadzimy, tak jak stalowcy”.

Postęp społeczności inżynierów budownictwa lądowego w kierunku komfortu dzięki prętom zbrojeniowym FRP może być powolny, ale nie zniechęcił do poszukiwania nowych podejść do ich produkcji, które, jak wskazują poniższe przykłady, mogą uczynić następną generację zbrojenia kompozytowego znacznie bardziej atrakcyjną alternatywą dla stali .