Композитная арматура: защита будущей инфраструктуры от климатического стресса

По всему миру бетонные структуры подвергаются атаке как никогда раньше. Не только трафик увеличился на дорогах, мостах и переходах, но изменение климата усилило экстремальные погодные события, включая бури и ливни, приводящие к наводнениям и другим разрушительным событиям. Под таким стрессом бетон может трескаться. Это позволяет быстрому ухудшению в агрессивных средах через воздействие элементов, таких как соленая вода, которая коррозионна для стальной арматуры.

«Трещины создают пути для агентов агрессивных сред для достижения арматуры и/или предварительно напряженной стали и начала коррозионного окислительного процесса», — объясняет веб-сайт инноваций структур Департамента транспорта Флориды (FDOT, Таллахасси, Флорида, США). «Инновационный подход к борьбе с этой главной проблемой — замена традиционной стальной стержневой и струнной арматуры на волокнисто-усиленный полимер (FRP)». FDOT был лидером в использовании и тестировании FRP арматуры, а также в разработке дизайнерских и стандартов использования, таких как те, выпущенные Американским бетонным институтом (ACI, Фармингтон Хиллс, Мичиган, США). Хотя композитная арматура в основном делается со стекловолокном (GFRP или GRP), продукты также были разработаны с базальтом (BFRP) или углеволокном (CFRP).

«С долгой и дорогой историей коррозии по всему миру, сталь больше не рассматривается как стоимоэффективная опция в агрессивных средах», — говорит Ник Крофтс, CEO производителя GFRP арматуры Mateenbar (Дубай, ОАЭ и Конкорд, Северная Каролина, США), ведущий поставщик для крупнейшего в мире проекта GFRP арматуры. Этот проект — 23-километровая и до 80-метровая шириной паводково-митигационный канал в Джизане, Саудовская Аравия. Хотя GFRP арматура существует 30-40 лет, говорит Крофтс, ключевые проекты как Джизанский паводковый канал теперь толкают ее в мейнстрим инфраструктуры. Этот рост уже оправдывает новые заводы Mateenbar в Саудовской Аравии и США.

Пионерство технологии GFRP арматуры

GFRP арматура Mateenbar была разработана Pultron Composites (Гизборн, Новая Зеландия), пионером и специалистом в технологии пультрузии и продуктовой инновации. Mateenbar адресует уникальные вызовы рынка арматуры, который не только требует высокого объема и низких цен, но также требует, чтобы продукт был специфицирован архитекторами и/или инженерами проекта. Таким образом, первый завод Mateenbar в 2008 году был построен близко к потенциальным клиентам и проектным инженерным фирмам в Дубае, ОАЭ, регионе, известном крупными инфраструктурными проектами и пионерским использованием композитов в строительстве. Pultron остается стратегическим партнером Mateenbar и ключевым поставщиком беспокойной технологии и продуктовой разработки.

Производственные шаги

Завод Mattenbar использует передовые технологии Pultron для производства очень последовательной пультрудированной арматуры на высокой пропускной способности без выбросов летучих органических соединений (VOC). «Мы впрыскиваем смолу и отвердеваем ВНУТРИ инженерированной стальной пультрузионной матрицы», — говорит Крофтс.

«Эта арматура — инженерированный продукт с размерной производительностью лучше чем ±1%», — добавляет он. «Нет оправдания видеть смолу на полу или пыль в воздухе. Используемое волокно — коррозийно-стойкое ECR стекло от Owens Corning (Толедо, Огайо, США) и смола — наш собственный вариант эпоксидного винилэфира с эпоксидной спиной. Она максимизирует жесткость, прочность и долговечность и намного превосходит полиэфирную спину с эпоксидными терминациями».

Пультрудированные круглые стержни затем обрабатываются для создания спирального профиля, обеспечивающего несущую адгезию внутри бетона. «Это тоже закрытая операция», — указывает Крофтс, «используя кабинки обработки, оснащенные системами воздушной фильтрации Donaldson (Блумингтон, Миннесота, США). Затем мы наносим пленочную смолу снаружи для улучшения обращения». Арматура Mateenbar производится в длинах до 80 футов, резается по длине по требованию. «Типично видеть 40-футовые длины для большинства инфраструктурных и строительных проектов», — говорит Крофтс.

«Наша средняя прямая арматура 0,75 дюйма в диаметре, с модулем растяжения 8700 ksi (60 ГПа) из 11600-ksi (80-ГПа) стекловолокна; таким образом, содержание волокна очень высокое — более 80% по весу. Нет способа согнуть это, поэтому наша изогнутая GFRP арматура делается другим процессом и смолой, с проприетарной технологией».

Крупнейший в мире проект GFRP арматуры

Джизан (также пишется Джизан) — столица Джизанского региона, который лежит в юго-западном углу Саудовской Аравии, на севере от границы с Йеменом. Катастрофические внезапные наводнения происходят во время периодических сильных дождей из-за стока с ближайших гор. 23-километровый усиленный бетонный дренажный канал был построен для защиты большой промышленной зоны, включающей нефтеперерабатывающий завод для Saudi Aramco (Дахран, Саудовская Аравия).

До пандемии COVID-19 Saudi Aramco была крупнейшей компанией в мире по выручке. Она управляет всей нефтью и деривативами Королевства и также составляет 10% всего строительства в Саудовской Аравии. «Saudi Aramco осознала, что огромный процент ее годового бюджета тратится на замену бетонных структур», — говорит Крофтс. «Высокая солевость в песке региона и высокая дельта температуры от дня к ночи вызывает более быстрые трещины в бетоне. Saudi Aramco начала искать альтернативные технологии и, как члены ACI, они взяли свою стратегию из стандартов FRP арматуры, разработанных, далее адаптируя и уточняя их как стандарты Saudi Aramco. Компания затем mandatировала использование GFRP арматуры в определенных высококоррозионных средах».

Saudi Aramco запросила тендеры для проекта Джизанского паводкового канала и затем выбрала трех поставщиков GFRP арматуры. Mateenbar получила 50% контракта. «Мы ждали несколько месяцев, пока проект набирался», — вспоминает Крофтс, — «и затем внезапно все материалы были нужны немедленно. Дубайский завод перешел в полную мощность за неделю и произвел почти 6000 километров GFRP арматуры за семь месяцев».

После доставки арматура была установлена подрядчиком проекта, Al Yamama Group (Даммам, Саудовская Аравия). «Мы думали, нам придется предоставить много помощи при установке, но это не было необходимо», — говорит Крофтс. «Они нашли это намного быстрее устанавливать, чем стальную арматуру». С весом 25% от стальной арматуры, GRFP арматура позволяет обрабатывать более длинные длины с меньшим количеством людей и легче перемещать и позиционировать. «Также меньше позиционных труб требуется», — добавляет он. «Эти круглые секции труб используются для поддержки арматуры на правильной высоте позиции внутри бетона».

После размещения арматуры, связанной вместе нержавеющей стальной проволокой и инспектированной, она готова к заливке бетона сверху. Команда установки арматуры двигалась так быстро, отмечает Крофтс, они фактически были на километр вниз по 40-80-метровому каналу до того, как поняли, что бетонные операции не могут поспевать. «Так что они остановились и дали бетону догнать», — добавляет он. «Это важно, потому что если идут сильные дожди, наводнение заполняет канал песком. Это случилось в паре случаев, вызывая задержки, но также подчеркивая важность этого дренажного канала».

После заливки бетона поверх арматуры, команда установки утрамбовывает и уплотняет его для удаления пузырьков воздуха, и затем он отвердевает в следующие дни и недели. «Нет разницы между GFRP и стальной арматурой для этих шагов», — говорит Крофтс. «Мы закончили поставку арматуры в январе 2020 года, и канал только что завершен».

Дизайн, стоимость и будущее GFRP

Крофтс указывает, что GFRP арматура не является прямой заменой для стали. «GFRP арматура имеет другие свойства, чем стальная арматура. Эти различия должны учитываться в дизайне. Так что, в то время как бетон, усиленный сталью, обычно проектировался по ACI 318, это не подходило бы для GFRP арматуры, которая опирается на руководство по дизайну ACI 440 вместо. Например, GFRP арматура имеет более высокую растяжную прочность, чем сталь, но более низкий модуль растяжения. Она также эластична до точки отказа». Крофтс отмечает, что в стальном дизайне количество арматуры обычно определяется растяжной прочностью. Однако для GFRP модуль обычно является фактором, определяющим количество необходимой арматуры. Выполнение этого требования обычно приводит к структуре, которая превысит требования к предельной прочности. Оно также обеспечивает желаемый режим отказа в GFRP арматурной структуре.

Другое соображение — производство изгибов и форм. Крофтс отмечает соотношение изогнутой к прямой арматуре в проектах в среднем примерно 30%. Со стальной арматурой эта фabricация часто завершается на месте. «Изогнутые стержни Mateenbar производятся в нашей контролируемой среде завода и доставляются напрямую на площадку без промежуточных шагов фabricации», — объясняет он. «Это может быть вызовом с точки зрения поставок, так как потребности меняются с недели на неделю. Мы нашли, что гибкость и наличие завода в том же регионе очень важны».

«Стоимость GFRP арматуры в 3-4 раза выше стали, если рассчитывать в долларах за фунт», — говорит Крофтс, «потому что наш продукт в четыре раза менее плотный. Подходящая мера — доллары за фут, потому что арматура фактически специфицируется и покупается как фракция объема бетона. Когда вы измеряете ее стоимость по объему, GFRP арматура стоимоэффективна со сталью».

«Джизан был первым мега-проектом, не разрешавшим сталь», — говорит Крофтс. «У них была команда для проектирования требуемых структур со сроком службы более 100 лет. Несколько производителей GFRP арматуры смотрят на размещение в Саудовской Аравии сейчас по мере роста спроса». Mateenbar также строит новый завод там, а также в Конкорде, Н.К., США, для обслуживания Северной Америки, которая является вторым по величине рынком после Ближнего Востока. Оба новых завода — современные, 100 000-кв.фут объекты, использующие передовые технологии пультрузии Pultron. Для обоих оборудование доставлено в октябре 2020 года, и производство ожидается начать к началу 2021 года.

По мере рампы спроса на GFRP арматуру на Ближнем Востоке, рынок в Северной Америке продолжает зреть. «В настоящее время крупнейшие применения GFRP арматуры в Северной Америке — морские стены и мосты вдоль побережья или где дороги сильно засолены», — говорит Крофт. «Однако DOT и владельцы активов теперь смотрят на улучшение стоимости за время жизни структур [CW согласен, см. «Растущая роль композитов в инфраструктуре»], что включает снижение потребности в обслуживании и строительство инфраструктуры, которая и долговечна, и устойчива. Консультирующие инженеры и конечные пользователи видят ценность GFRP арматурной технологии и производители GFRP арматуры сотрудничают по качеству и стандартам производительности. Также есть ведущие пользователи, такие как FDOT, которые продвигают технологию и помогают другим DOT, что помогло распространить знания».

Крофтс отмечает, что FDOT недавно провел вебинар по GFRP-усиленному бетонному дизайну с 200 участниками. В другом вебинаре д-р Антонио Нанни, один из ключевых исследователей Университета Майами (Майами, Флорида, США), работающего с FDOT, заявил: «FRP арматура готова для прайм-тайма». Это было доказано, говорит Крофтс. «Работа сейчас — для большего числа компаний специфицировать ее и подрядчиков использовать ее».