Почему композитная арматура не может заменить металлическую

Существует популярное мнение, что композитная арматура может легко заменить стальную и дает двойную экономию — якобы ее нужно меньше, чем стальной. Это утверждение возникло благодаря продавцам композитной арматуры. Они придумали маркетинговый ход для продвижения своего товара — таблицу равнопрочности. С ее помощью якобы можно подобрать замену металлической арматуру на композитную. Это не так. Дальше расскажем — почему.

Чтобы провести сравнение, нужно посмотреть на два показателя — прочность и трещиностойкость.

Прочность арматуры. Чтобы понять почему нельзя заменить металлическую арматуру на пластиковую, нужно посмотреть диаграмму растяжения композитной арматуры в сравнении с диаграммой растяжения арматуры из мягкой стали. По вертикальной оси — напряжения, по горизонтальной — деформации.

Мягкая сталь имеет площадку текучести — это означает, что при условии приложенной к ней силы она может деформироваться и после прекращения воздействия принимать обратно свою форму. Композитная арматура хрупкая, ее поведение при напряжении линейно, вплоть до разрушения — на ее графике нет площадок текучести и точек преломления (кроме точки разрыва).

Продавцы за точку разрушения композитной арматуры берут точку преломления на красном графике. Допустим, механическое напряжение в этом месте будет 1000 МПа. Если напрямую рассматривать арматуру А400, то ее предел прочности будет ниже — 500 МПа. Получается на разрыв композитная арматура в 2 раза прочнее. Но когда делается расчет композитной арматуры, нужно смотреть еще на ее долговременные свойства. Согласно действующему своду правил по композитной арматуре СП 295:

R_f1l = Y_f1l *R_sn = 0,3*1000 Мпа=300 Мпа

R_f1l — расчетное сопротивление арматуры при длительной нагрузке

R_sn — нормативное сопротивление

Y_f1l — коэффициент длительности

Композитная арматура обладает ползучестью, которая не позволяет полностью использовать ее прочностные свойства. Это означает, что при механическом воздействии она может внезапно разорваться. Если дать высокий уровень напряжения на композитную арматуру и выдерживать его в течение длительного времени (срок службы дома), то она не сможет выдержать обещанную нагрузку и разрушится при меньших значениях. Поэтому безопасный уровень нагрузки, которую способна выдержать композитная арматура принят в современных нормах — 0,3. Поэтому чтобы понять ее предельный уровень прочности, нужно теоретический предел прочности умножить на 0,3 и получается длительное сопротивление стеклоарматуры растяжению будет 300 МПа (вместо 1000 МПа).

Если посмотреть на стальную арматуру А400, то у нее предел текучести будет 400 МПа, а расчетное сопротивление — 350 МПа (R_sn ). Здесь очевидно, что арматура А400 обладает немного большим сопротивление на растяжение. Для арматуры А500 — расчетное сопротивление будет уже 435 МПа.

Поэтому производители композитной арматуры делают акцент на большем пределе прочности на растяжение — 1000 МПа, чем он больше, тем больше расчетное сопротивление композитной арматуры на растяжение. Сейчас идут обсуждения того, что для композитной арматуры можно поднять коэффициент 0,3, но с условием проведения дополнительных длительных испытаний. Они проводятся больше полугода и доказывают свою эффективность.

Трещиностойкость. У композитной арматуры угол наклона диаграммы в 4 раза меньше угла наклона стальной арматуры. Соответственно модуль упругости для композитной арматуры составляет 50 000 МПа (E_f). Модуль упругости стали — 200 000 МПа (E_s). Это значит, что при одной и той же деформации, напряжения в композитной арматуре будут меньше в 4 раза. Получается такая конструкция будет более деформативна по второй группе предельных состояний и ширина раскрытия трещин будет больше.

Для композитной арматуры ширина раскрытия трещин регламентируется больше, потому что она коррозионно стойкая. Если для стальной арматуры этот показатель (a_crc,s) будет 0,3 при длительной нагрузке и 0,4 при кратковременной, то для композитной (a_crc,f) он составит — 0,5 и 0,7 соответственно. Композитная арматура не будет корродировать и здесь допускается большая ширина раскрытия трещин, но тем не менее показатель не может достигать больших значений.

Если использовать арматуру в перекрытиях, то нужно быть готовым к тому, что ее потребуется больше из-за ее деформационных свойств.

Фундаменты не рассчитываются на прогибы и считаются по прочности и раскрытию трещин — все правила расчета действуют также. Если посмотреть формулу раскрытия трещины, то видно, что модуль упругости стоит в знаменателе и что чем меньше модуль упругости, тем больше будет ширина раскрытия трещин.

a_crc = (φ₁φ₂φ₃ᴪ_f σf ) *l_f/E_f

Однако, ряд параметров для композитной арматуры берется более благоприятный, чем для стальной и позволяется большая ширина раскрытия трещин. Поэтому при хорошем модуле упругости можно выйти на замену стальной арматуры на композитную диаметр в диаметр, но никак не в 2 раза меньше — это исключено.

Сейчас ведутся споры по поводу коэффициента φ₂ , который учитывает форму поверхности композитной арматуры. Если сцепление композитной арматуры с бетоном на уровне стальной арматуры, то данный коэффициент принимается равным 0,5 (как и для стальной арматуры). Если сцепление с бетоном не удовлетворяет требованиям действующего ГОСТа, то тогда коэффициент φ₂ принимается равным 0,7 как для гладкой стальной арматуры, т.е. сцепление будет хуже. Если рассчитывать ширину раскрытия трещин для композитной арматуры после воздействия щелочи (щелочная среда бетона), то φ₂ будет хуже, чем для гладкой стальной арматуры. После воздействия щелочи на композитную арматуру идет очень большая потеря ее сцепных свойств с бетоном.

У композитной арматуры есть два расчетных сопротивления, в отличие от стальной:

1. Расчетное сопротивление при кратковременной нагрузке

Rf = (R_f1n * Ɣ_f1)/Ɣ_f

R_f1n — нормативное сопротивление арматуры, которое принимается равным пределу прочности с обеспеченностью 0,95 (точка разрыва)

Ɣ_f1 — коэффициент арматуры, который зависит от внешних условий. Для композитной арматуры это 0,7/0,8 в зависимости от того, где будет эксплуатироваться конструкция (влажная или сухая среда)

Ɣ_f — коэффициент надежности по арматуре (1,5 — для арматуры с большим разбросом данных, для плохого производителя, 1,2 — для хорошего). Чем меньше разброс данных, тем меньше будет этот коэффициент. Если коэффициент вариации больше 10%, то берется 1,5, — в 1,5 раза снижается расчетное сопротивление арматуры при действии кратковременных нагрузок. Если меньше 10% — берется 1,2.

На выходе — если взять обозначенную выше 1000 МПа, умножим ее сначала на 0,7, а потом разделим даже хотя бы на 1,2 — получится примерно 600 МПа. Если сравнивать эту цифру с арматурой класса А500, то разницы в 2 раза все равно нет.

2. Расчетное сопротивление при длительной нагрузке.

В этом случае конструкцию рассчитывают на действие всех нагрузок. Определяющей будет длительная нагрузка, где учитывается ползучесть и ширину раскрытия трещин. Эти 2 показателя не в пользу использования композитной арматуры при частном домостроении. Они хуже, чем среднестатистическая стальная арматура.

У нас нет цели сказать, что композитная арматура — некачественный материал. Дело в другом — она была создана совсем для других целей и не задумывалась как материал для частного строительства домов. Сэкономить на ней не получится.

Композитная арматура разрабатывалась с 50-х годов прошлого века. Ее делали, чтобы придать конструкции особые свойства — радиопрозрачность, магнитоинертность, коррозионная стойкость, непрозрачность к определенным видам волн. Она была создана, чтобы использовать ее в агрессивных средах — конструкции на открытом воздухе, мостовые конструкции, причальные, береговые и канальные сооружения, заглубленные подземные резервуары, плиты перекрытия паркингов, помещения для МРТ, где нужно убрать эффект экранирования. Это конструкции, где важно избежать проблем с коррозией.