Что такое композитная арматура: Что такое композитная арматура?

Содержание

Композитная арматура: виды, химический состав, свойства

Композитная арматура из полимерных материалов – материал, предназначенный для замены металлических аналогов в местах с высокой вероятностью воздействия агрессивных сред. Полимерные изделия эффективны во влажных средах, особенно в местах контакта с морской водой.

Виды композитной арматуры в зависимости от исходного материала

Эта продукция состоит из волокон различного происхождения и полимерной связующей пропитки. Для производства этих изделий используется несколько видов сырья, состав которого определяет свойства материала:

стекловолокно – стекловолоконная арматура АСК с поперечным рифлением;
арамидное волокно – изделия ААК;
базальтовое волокно, образуемое из расплава диабаза или базальта – базальтопластиковая арматура АБК с продольным рифлением;
углеводородное волокно – углекомпозитная арматура (АУК), на сегодняшний день используется мало.

Поверхность стержней может быть двух типов:

периодической – стержень обматывается полимерным канатом, изделие покрывается прозрачной термореактивной смолой, такая форма обеспечивает прекрасное сцепление с бетонной смесью;
условно-гладкой, покрытой мелкофракционным кварцевым песком.

Примерный состав композитной полимерной арматуры и базовые механические свойства стеклопластиковых изделий регламентируются ГОСТом 31938-2012. Производители самостоятельно подбирают точную рецептуру, а проектировщики делают расчеты в соответствии с их рекомендациями.

Особенности использования полимерной арматуры

Использование металлических усиливающих элементов – классическая строительная технология, для которой характерен ряд серьезных недостатков.

Большой удельный вес металлических элементов в железобетоне требует сооружения массивного усиленного фундамента. Удельный вес полимерной арматуры примерно в 7-8 раз ниже аналогичного показателя стальных изделий.
Коррозия стального арматурного каркаса ослабляет прочность сооружений. Пластиковая арматура коррозии не подвержена, проявляет хорошую стойкость к морской воде, аммиачным растворам, соляной, серной и другим кислотам.
Полимерная продукция устойчива к воздействию низких температур.
Высокая электропроводность стали – нежелательный фактор при эксплуатации некоторых типов сооружений, например, в которых расположены приборы, чувствительные к электромагнитному влиянию. Полимеры – диэлектрики, магнито- и радиопрозрачны.
Дополнительный плюс – возможность сматывать изделия в бухты с последующим возвращением в исходное состояние. Изделия могут иметь любую длину, у металлической продукции ограничение – 12 м.

Минусы использования полимерной арматуры

Существенный недостаток – потеря рабочих характеристик при температурах, начиная с +120°C.
Для соединения неметаллической арматуры нельзя применять сварку, а только пластиковые хомуты или вязальную проволоку.
Из композитных стержней нельзя сформировать углы конструкций и криволинейные области.
Неметаллическая арматура не пригодна для связи с колоннами, для этих целей может использоваться только металлопрокат.
Ограниченное применение в плитах перекрытий.

Области применения неметаллических усиливающих элементов

Композитная арматура востребована:

при создании бетонных конструкций в строительстве жилых, общественных и промышленных объектов;
для проведения ремонтных и реставрационных работ;
для осуществления кирпичной кладки с гибкой связью;
при устройстве наливных полов;
в строительстве дорог для усиления покрытий и укрепления откосов;
для создания конструкций, препятствующих размыву берегов;
возможно применение в ленточных фундаментах нетяжелых строений, возводимых на прочных грунтах.

Стоит ли доверять композитной арматуре

Композитная арматура – сравнительно молодой в строительстве материал, который, несмотря на свой возраст, успел себя положительно зарекомендовать среди сообщества строителей, и прочно обосноваться на стройплощадке, потеснив стальную арматуру. Это – материал, состоящий из нескольких компонентов. Точнее, основных компонентов два:

Волокна, которые несут основную нагрузку, и непрерывно тянутся по всей длине арматурного стержня. Объем волокон должен быть не менее 75% от массы арматуры.
Связующее на основе термореактивных смол, благодаря которому компоненты соединяются в единое целое.

Диаметр арматуры, согласно нормативному документу ГОСТ 31938-2012, устанавливается и используется следующий: 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28 и 32 мм. Из них диаметры от 4 до 8 производятся и продаются в скрученном виде (мотках, барабанах), что облегчает транспортировку. Остальные диаметры производятся и продаются в прутках со стандартной длиной 6 – 12 метров.

Состав композитной арматуры бывает различный, и, в зависимости от компонентов, меняются свойства и себестоимость готового продукта.

Какая бывает композитная арматура

Классификация композитной арматуры в соответствии с составом волокон, несущих основную нагрузку, следующая:

стеклопластиковая,
базальтокомпозитная;
углекомпозитная,
арамидокомпозитная
комбинированная композитная арматура.

В последнем варианте разные волокна комбинируются в необходимой пропорции. Оптимальный вариант по себестоимости и свойствам – стеклопластиковая арматура, которая и получила наибольшее распространение.

На наружную оболочку композитной арматуры следует обратить особое внимание. Арматура (и композитная, и стальная) должна как можно плотнее сцепляться с бетоном, который она армирует, и эту задачу решает именно наружная поверхность. У разных производителей оболочка выполнена по-разному; например, где-то – это выступы волокон определённой формы, где-то – песок крупной фракции, и т.д.

Как правильно укладывать композитную арматуру

Перед заливкой бетонного элемента композитная арматура укладывается и вяжется в виде пространственного жесткого каркаса. Если вы покупали материал в бухте, её необходимо размотать, разрезать на нужные отрезки, и дать ей распрямиться, отлежаться, вернуть свою форму.

Далее, мы определяем необходимую для нашего бетонного изделия форму каркаса (или прибегая к помощи квалифицированных специалистов, или ищем информацию в интернете, и на свой страх и риск сами проектируем каркас). К сожалению, каждое изделие индивидуально, и в каждом конкретном случае правильный путь – это работа инженера-проектировщика, который в составе проекта дома, опираясь на расчетные данные проекта дома, предоставит дополнительно формы и размеры каркасов для армирования, а также диаметр арматуры и другие данные.

В местах пересечения прутков их необходимо зафиксировать. Фиксация выполняется либо при помощи специальных кляймеров (это идеальный вариант), либо при помощи пластиковых хомутов, если нет специализированного крепежа. Угловые пересечения прутков могут быть выполнены либо в металле (комбинируем композитный каркас и стальную арматуру), либо могут быть изготовлены на заводе-производителе цельнолитым элементом.

Так, как композитный каркас имеет малую жесткость и меняет свои размеры от малейших наружных воздействий, его необходимо закрепить. Идеальным решением будет применение стальных элементов каркаса, которые увеличат жесткость и позволят композитным пруткам не сдвинуться с места при заливке бетоном.

Что лучше: композитная или стальная арматура?

Поскольку до композитной арматуры свойства бетона улучшали исключительно стальной арматурой, и композитная арматура является прямым конкурентом стальной, повсеместно принято сравнивать два вида арматуры. Сравним и мы.

Итак, плюсы композитной арматуры:

Вес. Композитная арматура весит меньше в несколько раз.
Форм-фактор. Композитная арматура малых диаметров продается в скрученном виде, в бухтах. Это позволяют транспортировать её на личном автомобиле.
Коррозия на стеклопластиковую арматуру не распространяет свое действие, в отличие от стальной арматуры. Вследствие этого, более долгая служба.
Не проводит электричество. Не создает препятствий для радиосигналов, для сигналов мобильных телефонов.
Более устойчива к воздействию отрицательных температур. Сталь при низких температурах становится более хрупкой, композитная арматура сохраняет свои свойства.
Теплопроводность небольшая, вследствие этого дом, армированный композитной арматурой, в холодное время года лучше сохраняет тепло.
Экологична. Не наносит вред природе при разложении.

Минусы композитной арматуры:

Не пластична. Арматуру в условиях строительства часто необходимо гнуть, с последующим сохранением формы. Стальная арматура гнется и фиксируется в согнутом положении, а вот стеклопластиковая, к сожалению, нет. После того, как термореактивная смола-связующее затвердеет, изменить её форму уже нельзя, можно только сломать. Но выход есть, и даже не один: можно заказать на заводе арматуру какой угодно формы или комбинировать стальную и композитную арматуру.
Не сваривается. К сожалению, сварка композитной арматуры невозможна. Но есть решение. Если есть такая необходимость, можно использовать композитную арматуру, оканчивающуюся металлическими прутками. Соединение композитной арматуры и металлического прутка выполняется на производстве.
Не стойка к тепловому разрушению. Держит температуру до 150-160 градусов по цельсию. То есть, при пожаре бетон, армированный стальной арматурой, при разрушении повиснет на прутках стали, а вот бетон с композитной арматурой после нагрева более 150 градусов, просто упадет.
Высокая вредность при резке. При обработке образуются мельчайшие острые частицы, загрязняющие рабочее пространство, угрожающие дыхательным путям, органам зрения.
Не жесткая. Модуль упругости композитной арматуры меньше аналогичного у стальной в 4 раза. То есть, для того, чтобы армированный композитной арматурой бетон работал на растяжение так же, как армированный стальной арматурой, нужно увеличить диаметр композитной арматуры. Пример: диаметр стальной арматуры 12 мм, диаметр композитной арматуры должен быть 24 мм. То есть, это не выгодно экономически, и для перекрытий лучше брать стальную арматуру.

Вывод: Композитная арматура имеет как плюсы, так и минусы. Поэтому, в каждом конкретном случае нужно тщательно взвесить все качества стальной и композитной арматуры, и выбрать для себя нужный вариант в соответствии с конкретной ситуацией.

Что такое армирование и матрица в композитах?

Слово «составной» означает «состоящий из двух или более отдельных частей». Таким образом, материал, состоящий из двух или более отдельных составляющих материалов или фаз, может считаться композитным материалом . Армирование и матрица являются двумя фазами композиционного материала.

Однако мы признаем материалы композитами только тогда, когда составляющие фазы не растворяются друг в друге и имеют существенно разные физические свойства, и, таким образом, свойства композита заметно отличаются от свойств составляющих.

Материал считается композиционным, если

Комбинация материалов должна приводить к значительным изменениям свойств
Содержание составляющих, как правило, более 10 % 5), чем другой компонент

Один компонент называется усиливающей фазой , а тот, в который он встроен, называется матрицей. Материал армирующей фазы может быть в форме волокон, частиц или хлопьев. Материалы матричной фазы обычно являются непрерывными.

Армирование в композитах

Армирование может представлять собой волокна, частицы ткани или усы. эти усиления в основном используются для повышения механических свойств композита.

Основной целью армирования является

Обеспечение превосходных уровней прочности и жесткости композита.
Армирующие материалы (графит, стекло, карбид кремния, оксид алюминия) могут также обеспечивать тепло- и электропроводность, контролируемое тепловое расширение и износостойкость в дополнение к структурным свойствам.
Наиболее широко используемой формой армирования в высокоэффективных композитах являются жгуты волокон (нескрученный пучок непрерывных нитей).
Волокнистые мононити используются в ЧВК, ММС и ОМЦ; они состоят из одного волокна диаметром обычно ≥100 мкм.
В ММС частицы и рубленые волокна являются наиболее часто используемой морфологией армирования, и они также применяются в ФМС.
Усы и тромбоциты в меньшей степени используются в ЧВК и ММС.

Матричный материал в композитах

Матричный материал представляет собой однородный и монолитный материал, в который встроена и полностью непрерывна система армирования композита.

Основное назначение Матрицы

Связывание арматуры вместе благодаря ее когезионным и адгезионным характеристикам.
Для передачи нагрузки на арматуру и между арматурами матрица позволяет полностью использовать прочность арматуры, обеспечивая эффективную передачу нагрузки от внешних сил на арматуру.
Матрица обеспечивает жизненно важную неупругую реакцию, так что концентрации напряжений резко снижаются, а внутренние напряжения перераспределяются из-за сломанной арматуры.
Для защиты арматуры от окружающей среды и манипуляций.
Матрица также придает композиту твердую форму, что облегчает обращение с ним во время производства и обычно требуется для готовой детали.
Будучи непрерывной фазой, матрица, таким образом, контролирует поперечные свойства, межслойную прочность и прочность композита при повышенных температурах.
Поскольку арматура обычно прочнее и жестче, матрица часто является «слабым звеном» в композите с точки зрения конструкции.

Заключение

Мы обсудили основное назначение армирования и матрицы в композиционных материалах. Если у вас все еще есть какие-либо мысли по этой теме, сообщите нам об этом в разделе комментариев ниже.

Арматура — композитные материалы | CompositesLab

Арматура может быть ориентирована для обеспечения заданных свойств в направлении нагрузок, действующих на конечный продукт.

Многие материалы способны усиливать полимеры. Некоторые материалы, такие как целлюлоза в древесине, являются природными продуктами. Однако большинство коммерческих подкреплений созданы руками человека. Существует множество коммерчески доступных форм армирования, отвечающих конструктивным требованиям пользователя. Возможность адаптировать архитектуру волокна позволяет оптимизировать производительность продукта, что приводит к снижению веса и стоимости.

Хотя многие виды волокон используются в качестве армирующих материалов в композитных ламинатах, стекловолокна составляют более 90 процентов волокон, используемых в армированных пластмассах, потому что они недороги в производстве и имеют относительно хорошие характеристики прочности к весу.

Стекловолокно: На основе алюмо-известково-боросиликатной композиции стекловолокно «E» или «E-CR» считается преобладающим армирующим материалом для композитов с полимерной матрицей из-за их высоких электроизоляционных свойств, низкой восприимчивости к влагостойкостью и высокими механическими свойствами. Стекло E-CR отличается от стекла E-стекла превосходными свойствами коррозионной стойкости. Другие коммерческие составы включают стекло «S» с более высокой прочностью, термостойкостью и модулем, H-стекло с более высоким модулем и стекло AR (щелочестойкое) с превосходной коррозионной стойкостью. Стекло, как правило, является хорошим ударопрочным волокном, но весит больше, чем углерод или арамид. Стекловолокно обладает превосходными механическими характеристиками, в некоторых формах прочнее стали. Более низкий модуль требует специальной обработки конструкции, где жесткость имеет решающее значение. Стеклянные волокна прозрачны для радиочастотного излучения и используются в радиолокационных антеннах.

Углеродные волокна: Углеродные волокна изготавливаются из органических прекурсоров, включая ПАН (полиакрилонитрил), вискозу и смолы, причем последние два обычно используются для низкомодульных волокон. Термины «углеродное» и «графитовое» волокно обычно используются взаимозаменяемо, хотя технически графит относится к волокну, состав которого составляет более 99 процентов углерода, по сравнению с 93-95 процентами для углеродных волокон на основе ПАН. Углеродное волокно обеспечивает самую высокую прочность и жесткость среди всех армирующих волокон. Высокотемпературные характеристики особенно важны для углеродных волокон. Основным недостатком волокон на основе ПАН является их высокая относительная стоимость, которая является результатом стоимости основного материала и энергоемкого производственного процесса. Композиты из углеродного волокна более хрупкие, чем стекло или арамид. Углеродные волокна могут вызвать гальваническую коррозию при использовании рядом с металлами. Для предотвращения этого используется барьерный материал, такой как стекло и смола.

Арамидные волокна (полиарамиды): Наиболее распространенным синтетическим волокном является арамид. Арамидное волокно представляет собой ароматический полиимид, представляющий собой искусственное органическое волокно для композитного армирования. Арамидные волокна обладают хорошими механическими свойствами при низкой плотности с дополнительным преимуществом в виде ударной вязкости или устойчивости к повреждениям/ударам. Они характеризуются достаточно высокой прочностью на растяжение, средним модулем и очень низкой плотностью по сравнению со стеклом и углеродом. Арамидные волокна являются изоляторами электричества и тепла и повышают ударопрочность композитов. Они устойчивы к органическим растворителям, горюче-смазочным материалам. Арамидные композиты не так хороши по прочности на сжатие, как стеклянные или углеродные композиты. Сухие арамидные волокна прочны и используются в качестве тросов или канатов, а также часто используются в баллистических целях. Кевлар®, пожалуй, самый известный пример арамидного волокна. Арамид является преобладающей заменой органического армирующего волокна для стальных брекеров в шинах.

Новые волокна: Полиэфирные и нейлоновые термопластичные волокна недавно были введены как в качестве основных армирующих материалов, так и в сочетании со стекловолокном. Привлекательные характеристики включают низкую плотность, разумную стоимость и хорошую ударопрочность и сопротивление усталости. Хотя полиэфирные волокна обладают довольно высокой прочностью, их жесткость значительно ниже, чем у стекла. Более специализированные армирующие материалы для высокой прочности и использования при высоких температурах включают металлы и оксиды металлов, такие как те, которые используются в самолетах или аэрокосмической промышленности.

Независимо от материала арматура доступна в формах, подходящих для широкого спектра процессов и требований к конечному продукту. Материалы, поставляемые в качестве армирующих материалов, включают ровинг, измельченное волокно, рубленые нити, непрерывный, рубленый или термоформуемый мат. Армирующие материалы могут быть разработаны с уникальной архитектурой волокна и предварительно отформованы (формованы) в зависимости от требований к продукту и производственного процесса.

Многосторонние и односторонние ровинги: Ровинги используются в основном в термореактивных смесях, но могут использоваться и в термопластах. Ровинги с несколькими концами состоят из множества отдельных прядей или пучков нитей, которые затем нарезаются и случайным образом укладываются в полимерную матрицу. В таких процессах, как листовая формовочная смесь (SMC), преформа и напыление, используется многосторонний ровинг. Многосторонние ровницы также могут использоваться в некоторых приложениях для намотки нити и пултрузии.
Ровница с одним концом состоит из множества отдельных нитей, намотанных в одну прядь. Продукт обычно используется в процессах, использующих однонаправленное армирование, таких как намотка волокна или пултрузия.
Маты и вуали: Армирующие маты и нетканые вуали обычно описываются по весу на единицу площади. Например, мат из рубленого волокна весом 2 унции будет весить 2 унции на квадратный ярд. Тип армирования, дисперсия волокон и количество связующего, используемого для скрепления мата или вуали, определяют различия между продуктами мата. В некоторых процессах, таких как ручная укладка, связующее необходимо растворить. В других процессах, особенно при компрессионном формовании и пултрузии, связующее должно выдерживать гидравлические силы и растворяющее действие матричной смолы во время формования. Таким образом, с точки зрения связующего, производятся две основные категории матов или вуалей, известные как растворимые и нерастворимые связующие.

Тканые, сшитые, плетеные и трехмерные ткани: Существует множество типов тканей, которые можно использовать для усиления полимеров в композитах. Разнонаправленное армирование получают путем переплетения, вязания, сшивания или плетения непрерывных волокон в ткань из крученой и крученой пряжи. Ткани могут быть изготовлены с использованием практически любого армирующего волокна. Наиболее распространенные ткани изготавливаются из стекловолокна, углерода или арамида. Ткани обладают направленной прочностью и высокими нагрузками армирования, которые часто встречаются в высокопроизводительных приложениях. Ткани позволяют точно разместить армирование. Это невозможно сделать с размолотыми волокнами или рублеными нитями, а возможно только с непрерывными нитями с использованием относительно дорогого оборудования для укладки волокон. Из-за непрерывной природы волокон в большинстве тканей отношение прочности к весу намного выше, чем у версий с разрезанными или рублеными волокнами. Сшитые ткани позволяют настроить ориентацию волокон в структуре ткани. Это может иметь большое преимущество при проектировании с учетом устойчивости к сдвигу или кручению.
Однонаправленные: Однонаправленные армирующие материалы включают ленты, жгуты, однонаправленные жгуты и ровинг (представляющие собой наборы волокон или прядей). Волокна в этой форме выровнены параллельно в одном направлении и не извиты, что обеспечивает высочайшие механические свойства. Композиты с использованием однонаправленных лент или листов обладают высокой прочностью в направлении волокон. Однонаправленные листы тонкие, и для большинства структурных применений требуется несколько слоев. Типичные области применения однонаправленного армирования включают высоконагруженные композитные материалы, такие как компоненты самолетов или гоночные лодки.
Препрег: Препрег – готовый материал, изготовленный из армирующей формы и полимерной матрицы. Пропускание армирующих волокон или форм, таких как ткани, через ванну со смолой используется для изготовления препрега. Смола насыщается (пропитывается) волокном, а затем нагревается для продвижения реакции отверждения на различные стадии отверждения.