Составной арматурный стержень для будущей инфраструктуры

Во всем мире бетонные конструкции подвергаются атакам, как никогда раньше. Увеличилось не только движение на дорогах, мостах и ​​путепроводах, но и изменение климата увеличило количество экстремальных погодных явлений, включая сильные штормы и проливные дожди, которые приводят к внезапным наводнениям и другим разрушительным явлениям. Под таким напряжением бетон может треснуть. Это делает возможным быстрое ухудшение в агрессивных средах из-за воздействия таких элементов, как соленая вода, которая вызывает коррозию стальной арматуры.

«Трещины создают пути для агентов агрессивных сред, которые достигают арматурной и / или предварительно напряженной стали и запускают процесс коррозионного окисления», - поясняет веб-сайт инновационных структур Департамента транспорта Флориды (FDOT, Таллахасси, Флорида, США). «Инновационный подход к решению этой серьезной проблемы заключается в замене традиционной арматуры из стальных стержней и прядей на армированный волокном полимер (FRP)». FDOT является лидером в области использования и испытаний арматуры из стеклопластика, а также в разработке стандартов проектирования и использования, таких как стандарты, выпущенные Американским институтом бетона (ACI, Фармингтон-Хиллз, Мичиган, США). Хотя композитная арматура в основном изготавливается из стекловолокна (GFRP или GRP), продукты также были разработаны с использованием базальта (BFRP) или углеродного волокна (CFRP).

«Благодаря долгой и дорогостоящей истории коррозии по всему миру, сталь больше не рассматривается как рентабельный вариант в агрессивных средах», - говорит Ник Крофтс, генеральный директор производителя арматуры из стеклопластика Mateenbar (Дубай, ОАЭ и Конкорд, Северная Каролина, США). поставщик для крупнейшего в мире проекта арматуры из стеклопластика. Этот проект представляет собой канал для смягчения последствий наводнений длиной 23 километра и шириной до 80 метров в Джизане, Саудовская Аравия. Хотя арматура из стеклопласта существует уже 30-40 лет, по словам Крофтса, ключевые проекты, такие как Джизанский паводковый канал, теперь продвигают ее в основную инфраструктуру. Этот рост уже оправдывает открытие новых заводов Mateenbar в Саудовской Аравии и США.

Новаторская технология арматуры из стеклопластика

Арматура Mateenbar GFRP была разработана Pultron Composites (Гисборн, Новая Зеландия), пионером и специалистом в области пултрузионных технологий и инновационных продуктов. Mateenbar решает уникальные проблемы рынка арматуры, который требует не только больших объемов и низких цен, но и также требует, чтобы продукт был специфицирован архитекторами проекта и / или инженерами. Таким образом, первая фабрика Mateenbar в 2008 году была построена рядом с потенциальными клиентами и проектными инжиниринговыми фирмами в Дубае, Объединенные Арабские Эмираты, регионе, известном крупными инфраструктурными проектами и новаторским использованием композитов в строительстве. Pultron остается стратегическим партнером Mateenbar и ключевым поставщиком индивидуальных технологий и разработок продуктов.

Этапы производства

Завод Маттенбар использует передовую технологию Pultron для производства пултрузионного арматурного стержня очень стабильного качества с высокой производительностью без выбросов летучих органических соединений (ЛОС). «Мы вводим смолу и отверждаем внутри пресс-форма для пултрузии из стали », - говорит Крофтс.

«Этот арматурный стержень является конструктивным продуктом с габаритными характеристиками лучше, чем ± 1%», - добавляет он. «Нет оправдания тому, чтобы увидеть смолу на полу или пыль в воздухе. Используемое волокно представляет собой коррозионно-стойкое стекло ECR от Owens Corning (Толедо, Огайо, США), а смола является нашим собственным вариантом эпоксидного винилового эфира с обратной связью. Он обеспечивает максимальную ударную вязкость, прочность и долговечность и намного превосходит основу из полиэстера с эпоксидными окончаниями ».

Затем пултрузионные круглые стержни обрабатываются для создания спирального профиля, обеспечивающего несущее сцепление внутри бетона. «Это также закрытая операция, - отмечает Крофтс, - с использованием кабины для механической обработки, оснащенной системами фильтрации воздуха Donaldson (Блумингтон, Миннесота, США). Затем мы наносим полимерную пленку снаружи, чтобы улучшить удобство использования ». Арматурный пруток Mateenbar производится длиной до 80 футов и может быть обрезан по мере необходимости. «Обычно длина 40 футов для большинства инфраструктурных и строительных проектов», - говорит Крофтс.

«Наша средняя прямая арматура составляет 0,75 дюйма в диаметре, с модулем упругости 8700 тысяч фунтов на квадратный дюйм (60 ГПа), сделанная из стекловолокна плотностью 11 600 тысяч фунтов на квадратный дюйм (80 ГПа); таким образом, содержание клетчатки очень высокое - более 80% по весу. Его невозможно согнуть, поэтому наша изогнутая арматура из стеклопластика изготавливается с использованием другого процесса и смолы по собственной технологии ».

Крупнейший в мире проект арматуры из стеклопластика

Джизан (также пишется как Джазан) - столица области Джизан, которая находится в юго-западном углу Саудовской Аравии, к северу от границы с Йеменом. Катастрофические паводки происходят во время периодических проливных дождей из-за стока с близлежащих гор. Железобетонный дренажный канал длиной 23 километра был построен для защиты большой промышленной зоны, которая включает нефтеперерабатывающий завод для Saudi Aramco (Дахран, Саудовская Аравия).

До пандемии COVID-19 Saudi Aramco была крупнейшей компанией в мире по доходам. Он обслуживает весь бизнес Королевства в области нефти и производных продуктов, а также составляет 10% всего строительства в Саудовской Аравии. «Saudi Aramco осознала, что огромная часть ее годового бюджета была потрачена на замену бетонных конструкций», - говорит Крофтс. «Высокая соленость в песке региона и высокая разница температур днем ​​и ночью вызывают более быстрое растрескивание бетона. Saudi Aramco начала поиск альтернативных технологий, и, как члены ACI, они взяли свою стратегию на основе разработанных стандартов арматуры FRP, в дальнейшем адаптируя и уточняя их в качестве стандартов Saudi Aramco. Затем компания потребовала использовать арматуру из стеклопластика в определенных средах с высокой степенью коррозии ».

Saudi Aramco запросила тендеры на проект паводкового канала в Джизане, а затем выбрала трех поставщиков арматуры из стеклопластика. Mateenbar получил 50% контракта. «Мы ждали несколько месяцев, пока проект готовился, - вспоминает Крофтс, - а затем внезапно потребовались все материалы. Завод в Дубае полностью остановился за неделю и произвел почти 6000 километров арматуры из стеклопластика за семь месяцев ».

После доставки арматура была установлена ​​подрядчиком проекта, Al Yamama Group (Даммам, Саудовская Аравия). «Мы думали, что нам потребуется помощь во время установки, но в этом не было необходимости», - говорит Крофтс. «Они обнаружили, что его установить намного быстрее, чем стальную арматуру». При весе 25% от веса стальной арматуры арматурный стержень GRFP позволяет обрабатывать изделия большей длины с меньшим количеством людей, а также его легче перемещать и размещать. «Также требуется меньше труб для позиционирования», - добавляет он. «Эти круглые секции трубы используются для поддержки арматурного стержня в бетоне на нужной высоте».

После того, как арматура размещена, связана проволокой из нержавеющей стали и осмотрена, она готова для заливки бетона. Бригада по установке арматуры двигалась так быстро, отмечает Крофтс, что они фактически проехали километр вниз по каналу шириной от 40 до 80 метров, прежде чем они осознали, что заливка бетона не успевает за ними. «Итак, они остановились и позволили бетону наверстать упущенное», - добавляет он. «Это важно, потому что, если идут сильные дожди, наводнение засыпает канал песком. Это происходило несколько раз, что приводило к задержкам, но также подчеркивало важность этого дренажного канала ».

После заливки бетона поверх арматурного стержня бригада монтажников утрамбовывает и сжимает его, чтобы удалить пузырьки воздуха, а затем он затвердевает в течение следующих дней и недель. «Для этих ступеней нет никакой разницы между стеклопластиком и стальной арматурой», - говорит Крофтс. «Мы закончили поставки арматуры в январе 2020 года, и канал только что достроен».

Дизайн, стоимость и будущий стеклопакет

Крофтс отмечает, что арматура из стеклопластика не является прямой заменой стали. «Арматура из стеклопластика имеет свойства, отличные от свойств стальной арматуры. Эти различия должны быть учтены в конструкции. Таким образом, в то время как бетон, армированный сталью, обычно рассчитывается по ACI 318, он не подходит для арматуры из стеклопластика, которая вместо этого полагается на руководство по проектированию ACI 440. Например, арматура из стеклопластика имеет более высокий предел прочности на разрыв, чем сталь, но более низкий модуль упругости. Он также эластичен до отказа ». Крофтс отмечает, что в стальной конструкции количество арматуры обычно определяется пределом прочности на разрыв. Однако для GFRP модуль обычно является фактором, определяющим необходимое количество арматуры. Выполнение этого требования обычно приводит к конструкции, превышающей требования к пределу прочности. Это также обеспечивает желаемый режим разрушения армированной арматурой GFRP конструкции.

Еще одно соображение - изготовление изгибов и профилей. Crofts отмечает, что соотношение гнутой и прямой арматуры в проектах в среднем составляет примерно 30%. Изготовление стальной арматуры часто выполняется на месте. «Гнутые стержни Mateenbar производятся на нашем заводе с контролируемой средой и доставляются прямо на объект без промежуточных этапов изготовления», - поясняет он. «Это может быть проблемой с точки зрения предложения, поскольку потребности меняются от недели к неделе. Мы обнаружили, что гибкость и наличие завода в одном регионе очень важны ».

«Стоимость арматуры из стеклопластика в 3-4 раза выше стоимости стали, если рассчитывать в долларах за фунт, - говорит Крофтс, - потому что плотность нашего продукта составляет одну четверть плотности. Подходящей мерой является доллар за фут, потому что арматура фактически указывается и покупается как часть объема бетона. Если измерить стоимость по объему, арматура из стеклопласта конкурентоспособна по стоимости со сталью ».

«Джизан был первым мегапроектом, в котором не разрешалось производство стали», - говорит Крофтс. «У них была команда, которая спроектировала необходимые конструкции со сроком службы более 100 лет. Несколько производителей арматуры из стеклопластика сейчас ищут возможности для размещения в Саудовской Аравии, поскольку спрос растет ». Mateenbar также строит там новый завод, а также завод в Конкорде, Северная Каролина, США, для обслуживания Северной Америки, которая является вторым по величине рынком после Ближнего Востока. Обе новые фабрики представляют собой современные предприятия площадью 100 000 квадратных метров, в которых используется передовая технология пултрузии Pultron. Для обоих оборудование было поставлено в октябре 2020 года, а производство ожидается в начале 2021 года.

По мере роста спроса на арматуру из стеклопластика на Ближнем Востоке рынок Северной Америки продолжает развиваться. «В настоящее время наибольшее применение арматуры из стеклопластика в Северной Америке - это морские стены и мосты вдоль побережья или там, где дороги сильно засолены», - говорит Крофт. «Тем не менее, DOT и владельцы активов теперь стремятся снизить затраты на протяжении всего срока службы конструкций [ CW соглашается, см. «Растущая роль композитов в инфраструктуре»], что включает снижение потребности в обслуживании и создание инфраструктуры, которая будет долговечной и устойчивой. Инженеры-консультанты и конечные пользователи видят ценность технологии арматуры из стеклопластика, и производители арматуры из стеклопластика сотрудничают, следуя стандартам качества и производительности. Есть также ведущие пользователи, такие как FDOT, которые продвигают технологию и помогают другим DOT, что помогает распространять знания ».

Крофтс отмечает, что FDOT недавно провела веб-семинар по проектированию армированного стеклопластом бетона с 200 участниками. На другом вебинаре доктор Антонио Нанни, один из ключевых исследователей Университета Майами (Майами, Флорида, США), работающий с FDOT, заявил:«Арматура из стеклопластика готова к использованию в прайм-тайм». «Это было доказано», - говорит Крофтс. «Теперь задача состоит в том, чтобы больше компаний указали его, а подрядчики использовали».