Verstärkung aus Verbundwerkstoffen - ein Schritt in die Zukunft

Gusevsky Andrey Anatolyevich

Periodische Profilstangen aus Glasfaser

Wir alle wissen, dass Produkte und Strukturen aus Beton innen verstärkt sind, da dies ihre Festigkeit und Rissbeständigkeit erheblich erhöht. Stahlstangen oder -draht erfüllen die ihnen zugewiesene Aufgabe perfekt, haben jedoch zwei Nachteile. Das erste ist die geringe Korrosionsbeständigkeit des Metalls und das zweite ist sein hoher Preis.

Eine Verstärkung auf Kunststoffbasis ist zwei- bis dreimal billiger, hat ein geringeres Gewicht, keine Korrosionsangst und ihre Festigkeit reicht nicht nur für Flachbaukonstruktionen aus. Trotzdem ahnen viele Menschen nicht einmal, dass es sie gibt - deshalb haben wir beschlossen, diese Lücke zu schließen.

Nichtmetallische Verstärkung: die Geschichte des Aussehens und der Entwicklung

Wie üblich stellt sich eine Neuheit bei näherer Betrachtung überhaupt nicht heraus. Einfach, vom Moment des Erscheinens der ersten Idee bis zu ihrer Umsetzung und universellen Anerkennung vergehen oft Jahrzehnte. Die gleiche Geschichte ereignete sich mit nichtmetallischen Armaturen, deren Interesse im Land vor einem halben Jahrhundert entstand.

Die Korrosion der Stahlbewehrung führt zur Zerstörung der Schutzschicht aus Beton

Damit:

• Es war mit der Notwendigkeit verbunden, Betonkonstruktionen zu errichten, die unter aggressiven Bedingungen betrieben werden sollten. Im Nassmodus - und selbst wenn es sich nicht um reines Wasser, sondern um chemische Flüssigkeiten handelt - ist es sehr schwierig und teuer, Korrosionsbeständigkeit für herkömmliche Stahlbewehrungen bereitzustellen.
• Manchmal wurde es auch notwendig, Strukturen mit dielektrischen und antimagnetischen Eigenschaften zu schaffen - zum Beispiel beim Bau von Forschungsinstituten oder medizinischen Zentren, in denen empfindliche Geräte installiert wurden.
• Bei Projekten, bei denen Leichtbaukonstruktionen mit ausreichend hoher Festigkeit eingesetzt werden sollten, konnte nur eine Kombination aus hochwertigem Beton mit Verbundbewehrung diese Anforderungen erfüllen. Übrigens kann Beton selbst, wenn er mit Polymer- oder Stahlfasern versetzt wird, auch als Verbundwerkstoff betrachtet werden.

Darüber hinaus gab es im Land mit der stetig wachsenden Nachfrage nach Stahl einen Mangel an Erzproduktion, der sie befriedigen konnte, und es fehlte auch an Additiven, mit denen Legierungen durchgeführt wurden. Es war offensichtlich, dass die Notwendigkeit, nichtmetallische Verstärkungen zu schaffen, reifte, was die Entwickler sozusagen zu neuen Errungenschaften veranlasste.

Wie alles mit uns begann

Die erste Technologie zur Herstellung von Bewehrungen mit einem Durchmesser von 6 mm auf der Basis von Glasfaser mit Zirkonadditiven wurde in den siebziger Jahren in der Union entwickelt. Seine Stützbasis wurde aus einer nahtlosen alkalischen Glasfaser mit einem Durchmesser von bis zu 15 Mikrometern hergestellt, deren Träger unter Verwendung von Kunstharzen zu Stäben kombiniert wurden.

• Natürlich haben sie nicht sofort damit begonnen, eine solche Verstärkung zu verwenden, sondern zunächst nur ihre Eigenschaften untersucht: Mechanik, chemische Beständigkeit und Haltbarkeit. Nach den Ergebnissen der Beobachtungen verbesserte sich die Zusammensetzung des Verbundstoffs, bis es möglich war, Stäbe mit einem Elastizitätsmodul von 50.000 MPa und einer Zugfestigkeit von 1,5.000 MPa zu erhalten.
• Ihre Biegefestigkeit wurde getestet, indem Prototypen von Betonprodukten hergestellt wurden, die unter Verwendung von Glasfaserverstärkung hergestellt und statischen Belastungen ausgesetzt wurden.Die ersten derartigen Produkte waren Traversenstützen für Stromleitungen, die an Versuchsstandorten montiert wurden.
• Basierend auf den Ergebnissen der Experimente wurden TUs für die Herstellung von Glasfaserverstärkungen sowie die Bedingungen für die Bemessung von Betonkonstruktionen bei deren Verwendung entwickelt. Parallel dazu wurden Anwendungsbereiche des neuen Materials empfohlen, zu denen nicht nur das Baugewerbe, sondern auch die chemische Industrie und die Metallurgie gehörten.

Die Verwendung von nichtmetallischer Verstärkung in großem Maßstab funktionierte damals jedoch nicht. Grundsätzlich wurde es für die Herstellung von Betonpfählen, Hängen, Überführungsstrukturen und die Verstärkung einiger tragender Strukturen verwendet.

In den späten 80er Jahren wurde im Gebiet Chabarowsk auf der Grundlage der Glasfaserverstärkung eine 15-Meter-Brücke gebaut, deren fünf Träger jeweils mit einem 24-Stab-Verbundträger und einem typischen Stahldrahtträger verstärkt wurden. Das Ergebnis war ausgezeichnet und die Brücke funktioniert noch heute. Es war nur der Anfang ...

Und wie ist es im Ausland?

Wenn Sie die Geschichte der Verbundbewehrung als Ganzes nachzeichnen, dann stammt sie aus den vierziger Jahren des letzten Jahrhunderts - also aus den Nachkriegsjahren. Unser Land war damals nicht in der Lage, neue Materialien zu schaffen, aber in den USA wurde intensiv an der zusammengesetzten Formel gearbeitet. In diesen Jahren hat es bereits begonnen, weit verbreitet zu sein, weil preiswerte Materialien einfach für eine sich entwickelnde Wirtschaft notwendig waren.

In diesem Land wurde eine Glasfaserverstärkung mit konstantem Querschnitt geschaffen, die zunächst nur zur Herstellung von Lagerbeständen verwendet wurde. Eine ernsthaftere Anwendung begann bereits in den 60er Jahren, als der Verbund als Alternative zur Metallverstärkung in Betracht gezogen wurde.

Zunächst haben sie damit begonnen, Pflastersteine ​​zu verstärken, die, wie Sie wissen, nicht nur bei ihnen, sondern auch bei uns mit Salz bestreut werden, um im Winter Eis zu entfernen. Und es verdirbt nicht nur die Räder von Autos, sondern korrodiert auch die innere Bewehrung, indem es in Form einer Lösung durch die Dicke des Betons sickert.

Damit:

• In diesem Bereich erwies sich die Korrosionsbeständigkeit von Kunststoffen als die beste. Das einzige Hindernis für den vollständigen Ersatz von Metall durch einen Verbundwerkstoff waren die hohen Kosten, die nur in zwanzig Jahren gesenkt werden konnten. Daher wurde zunächst einfach eine Zink- oder Epoxidbeschichtung auf das Metall aufgebracht.
• Da sich jedoch herausstellte, dass Glasfaserbewehrung für Polymerbeton wirksamer ist als Stahlbewehrung - unterschiedliche Eigenschaften der Wärmeausdehnung beeinflusst -, wurde 1983 in den USA das erste Dokument entwickelt, das den Einsatz von Verbundtechnologien bei der Konstruktion von Brücken regelt.
• Warum Brücken? Ja, weil ihr schlechter Zustand mit Korrosion der Armaturen verbunden war, was die für ihren Betrieb verantwortlichen Dienste stark störte. Die Verbundbewehrung wurde dann als Hauptmöglichkeit zur Lösung dieses Problems angesehen.
• Im Anschluss daran wurde es bereits für fortschrittliche Technologien eingesetzt: für den Entwurf von Labors und medizinischen Zentren, die mit Elektronik, Landebahnen und sogar Reaktoren in Umspannwerken gefüllt sind.
• In Japan begann Mitte der neunziger Jahre die weit verbreitete Verwendung nichtmetallischer Verstärkungen. Dann hatten sie mehr als hundert große Projekte - hauptsächlich kommerzielle -, bei denen Glasfaserverstärkung verwendet wurde. Etwa zur gleichen Zeit, ausgehend von Deutschland, wurde es sowohl in Europa als auch in Kanada eingesetzt.

Aber der solideste Verbraucher von Verbundverstärkungen war natürlich China.In diesem Land wurde es nicht nur für den Bau von Brücken verwendet, sondern war auch das erste, das für die Planung von unterirdischen und Tunnelstrukturen verwendet wurde.

Was hat sich heute geändert?

Alle oben genannten Informationen sprechen für die soliden Vorteile der Verbundbewehrung, und dennoch wissen nicht nur die meisten privaten Händler, sondern viele Bauherren nichts davon. Und diejenigen, die es noch wissen, stehen diesem Material manchmal skeptisch gegenüber.

Um Zweifel auszuräumen, werden wir genauer beschreiben, welche Polymerverstärkung heute hergestellt wird, in welchen Bereichen sie verwendet werden kann und in welchen nicht.

Sorten der Polymerverstärkung

Heutzutage gibt es verschiedene Herstellungstechniken für nichtmetallische Armaturen, bei denen unterschiedliche Rohstoffe verwendet werden.

Um den Unterschied verständlicher zu machen, werden wir der Übersichtlichkeit halber die Haupttypen in Form einer Tabelle darstellen:

Wie sieht die Verstärkung aus?	Unterscheidungsmerkmale
Fiberglas	Das Foto zeigt Glasfaserverstärkung (GFK-Bewehrung) - die häufigste Option. Bis zu 12 m lange Kunststoffstäbe sind mit durchgehenden Glasfasern verstärkt und werden im Durchmesserbereich von 4 bis 40 mm hergestellt. Eine solche Verstärkung wird als Alternative zum Stahlanalogon verwendet - in Strukturen mit ungespannter oder vorgespannter Bewehrung.
Basaltkunststoff	Diese Art der Verstärkung (BFRP) unterscheidet sich von der vorherigen Version dadurch, dass nicht Glas, sondern Basaltfasern zur Verstärkung verwendet werden. Sie unterscheidet sich nicht nur in der Farbe, sondern weist auch eine höhere Beständigkeit gegenüber aggressiven Umgebungen auf. Die Feuerbeständigkeit ist ungefähr gleich, da jedes Polymer maximal +160 Grad aushalten kann. Ideal für Fundamente und blinde Bereiche.
Carbonbeschläge	Diese Vorrichtung, abgekürzt CFK, wird Kohlenstoff genannt, da hier zusammen mit synthetischen duroplastischen Harzen Kohlefaser verwendet wird. Im Gegensatz zu den vorherigen Optionen kann es eine sandige Oberfläche haben, wie wir auf dem Foto sehen. Es wird nicht nur im Zivil-, sondern auch im Industriebau sowie beim Verlegen von Straßen, beim Errichten von Brücken, See- und Kommunikationsstrukturen verwendet. Wir betonen, dass die Zugfestigkeit einer solchen Verstärkung fünfmal höher ist als die von Stahlstäben der Klasse AIII und zehnmal leichter als diese.

Alle Polymerverstärkungsoptionen können in Form von Kabeln, Stäben oder Profilstäben hergestellt werden. Schnittprofilformen können auch unterschiedlich sein: hohl, massiv, quadratisch, rund.

Die Wicklung der Fasern kann ebenfalls unterschiedlich sein und, wie Sie auf den Bildern sehen können, die Option der Außenbeschichtung. Je nach Durchmesser und Flexibilität kann die Verstärkung als Einzelstange oder zu Spulen verdrillt verkauft werden.

Gibt es irgendwelche Nachteile?

Es wurde viel über die Vorteile der Polymerverstärkung gesagt, aber der potenzielle Benutzer hat möglicherweise eine berechtigte Frage: "Was sind die Nachteile des Materials und wo ist seine Verwendung unerwünscht?"

Hier werden wir es in diesem Teil des Artikels beantworten:

• Es gibt keine perfekten Materialien. Jeder von ihnen hat bestimmte Nachteile, und hier hängt alles von der Anwendung und den Betriebsbedingungen der Strukturen ab.
• Insbesondere ist das Polymer hinsichtlich seiner Feuerbeständigkeit dem gleichen Stahl unterlegen, da der Kunststoff aufgrund seiner Betondicke bereits ab +200 ° C zu schmelzen beginnt. Der Schmelzpunkt von Stahl ist siebenmal höher, so dass er in einigen Baubereichen nicht durch Kunststoff ersetzt werden kann.
• Beispielsweise wird keine Verbundverstärkung zur Herstellung von Bodenplatten verwendet. Dementsprechend werden die Rahmenelemente von vorgefertigten mehrstöckigen Gebäuden oder Produktionswerkstätten mit erhöhter Brandgefahr mit Stahlrahmen verstärkt - und es ist verständlich, warum.
• Für das Fundament spielt dieser Faktor jedoch keine Rolle, daher ist diese Art der Bewehrung für jeden ihrer Typen geeignet.Der Montageprozess des Fundamentrahmens ist vom traditionellen praktisch der gleiche. Das einzige, was hier ist, ist Plastikbinder zum Stricken zu verwenden - obwohl Sie auch Draht verwenden können.

• Eine der Unannehmlichkeiten besteht darin, dass es unmöglich ist, der Verbundverstärkung durch einfaches Erhitzen die gewünschte Form zu geben. Wenn daher Strukturen mit gekrümmten Formen hergestellt werden müssen, werden die Rahmenteile für diese vom Hersteller auf Bestellung gefertigt.
• Damit endet in der Tat die Liste der Mängel. Bereiche, in denen die Verwendung von Verbundverstärkungen vorzuziehen ist, sind weit mehr als Einschränkungen.
• Beachten Sie, dass eine solche Verstärkung leicht zu verarbeiten ist. Sie können sie mit einer einfachen Bügelsäge schneiden oder bei einem kleinen Durchmesser Zangen verwenden. Im Alltag kann es neben Gießfundamenten und einem Blindbereich beispielsweise für den Bau eines Gewächshauses verwendet werden.

Für den privaten Bau ist Kunststoffverstärkung die beste Option und noch wirtschaftlicher. Wenn Sie pro Tonne zählen, ist dies teurer, aber wenn Sie bedenken, dass aufgrund des leichteren spezifischen Gewichts der Stangen mehr davon in der Menge vorhanden sind, ist der Vorteil durchaus greifbar.