Pręty kompozytowe – kompozyty w budownictwie

Beton od dawna jest stosowany jako materiał budowlany ze względu na jego wysoką wytrzymałość na ściskanie, dobrą trwałość i niskie koszty. Jednak dobrze znana pięta Achillesa to jego kruchość i ograniczona wytrzymałość na rozciąganie. Zostało to rozwiązane dość umiejętnie około sto lat temu przy użyciu prętów zbrojeniowych (prętów zbrojeniowych) ze stali po stronie rozciągania konstrukcji betonowych. Stalowe pręty zbrojeniowe są funkcjonalnie wydajne i stosunkowo niedrogie, więc w większości przypadków dobrze się sprawdzają. Jednakże pręty zbrojeniowe stalowe mają swoją słabość: podatność na korozję (utlenianie) pod wpływem soli, agresywnych chemikaliów i wilgoci. Jak koroduje, stal zbrojeniowa pęcznieje i zwiększa obciążenie rozciągające betonu, który zaczyna pękać i odpryskiwać, tworząc otwory, które prowadzą do dalszego i szybszego niszczenia stali i betonu. Wymaga to kosztownej naprawy i konserwacji, a jeśli zostanie to dostatecznie daleko posunięte, może to zagrozić integralności konstrukcji. Liczne powłoki i penetranty zostały wprowadzone w ciągu dziesięcioleci, aby pomóc zabezpieczyć wilgoć z betonu, a sam pręt zbrojeniowy został wzbogacony o powłoki epoksydowe lub zastosowanie stali nierdzewnej. Ale nie zawsze jest możliwe, aby zapobiec korozji w dłuższej perspektywie czasowej. Ponadto, skłonność prętów zbrojeniowych do przewodzenia pól elektrycznych i magnetycznych sprawia, że są one niepożądane w betonie określonym dla pewnych zastosowań w energetyce, medycynie/nauce obrazowania, energetyce i elektryce/elektronice.

Istnieje wiele powodów, dla których polimer wzmocniony włóknami (FRP) ma sens w niektórych konstrukcjach betonowych. Po pierwsze, kompozytowe pręty zbrojeniowe nie rdzewieją ani nie korodują, dlatego idealnie nadają się do okresowego lub długotrwałego zanurzenia w wodzie słodkiej lub solance w takich zastosowaniach jak ściany oporowe, mola, pomosty, nabrzeża, kesony, pokłady, palowania, grodzie, kanały, platformy morskie, baseny i akwaria. Jest również odporny na sól drogową i inne środki chemiczne odladzające, dzięki czemu jest bardziej wytrzymały i mniej wymagający pod względem konserwacji wybór dróg i mostów, konstrukcji parkingowych, pasów startowych na lotniskach, barier Jersey, ścian oporowych i fundamentów, krawężników, parapetów i płyt na poziomie. Ponadto, oferuje dużą odporność na wiele innych substancji chemicznych występujących w oczyszczalniach ścieków, składowiskach odpadów stałych, zakładach petrochemicznych, celulozowniach i papierniach, rurociągach, zbiornikach, chłodniach kominowych i w alkalicznym środowisku samego betonu.

Kolejną zaletą jest to, że wytrzymałość na rozciąganie prętów zbrojeniowych z FRP jest zazwyczaj od 1,5 do 2 razy większa od stali, co stanowi dobrą przeciwwagę dla wysokiej wytrzymałości betonu na ściskanie. Zapewnia również doskonałą odporność zmęczeniową, dzięki czemu nadaje się do cyklicznych obciążeń (np. na drogach i mostach). Ponadto, kompozytowe pręty zbrojeniowe posiadają o jedną czwartą mniejszą wagę niż stal o porównywalnej charakterystyce. W tym przypadku istnieje szereg praktycznych korzyści. Pracownicy budowlani, którzy muszą ją przenosić i instalować, mniej się męczą, a także rzadziej potrzebują dźwigów i innych ciężkich urządzeń podnośnikowych. Można go łatwo ciąć zwykłymi narzędziami tnącymi, bez uszkadzania brzeszczotów pił. Więcej prętów zbrojeniowych można przewozić w przeliczeniu na ładunek ciężarówki bez przekraczania ustawowych limitów ładowności. W przypadku mostów i podobnych konstrukcji, wyższy stosunek wytrzymałości do ciężaru zapewnia albo większą nośność danej konstrukcji, albo możliwe możliwości zmniejszenia rozmiaru i ciężaru całej konstrukcji. Kompozytowe pręty zbrojeniowe są również przydatne w zastosowaniach wrażliwych na ciężar, gdzie grunty mają słabe właściwości nośne, w miejscach aktywnych sejsmicznie lub w miejscach wrażliwych pod względem środowiskowym, gdzie nie jest pożądane przenoszenie ciężkiego sprzętu.

W przypadku zastosowań wrażliwych elektromagnetycznie, zarówno szkło czy bazalt (najczęściej spotykane kompozytowe zbrojenie prętów zbrojeniowych), jak i polimer są z natury nieprzewodzące, więc nie przewodzą prądu, nie przyciągają wyładowań atmosferycznych ani nie zakłócają pracy pobliskich urządzeń elektrycznych. To sprawia, że jest to bezpieczniejszy wybór w hutach aluminium i miedzi, elektrowniach jądrowych, wyspecjalizowanych konstrukcjach wojskowych, na wieżach lotniskowych, wieżach elektrycznych i telefonicznych, włazach zawierających sprzęt elektryczny lub telefoniczny, w szpitalach z urządzeniami do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI) oraz w tablicach sygnalizacji drogowej i kabinach poboru opłat. Ponieważ kompozyt wzmocniony włóknem szklanym jest również mało odporny na przenikanie ciepła, może być pomocny w utrzymaniu kontroli klimatu w budynkach, na tarasach i w piwnicach.

Chociaż początkowy koszt zbrojenia kompozytowego jest zazwyczaj wyższy niż w przypadku standardowego zbrojenia stalowego i jest mniej więcej porównywalny z prętami stalowymi pokrytymi powłoką epoksydową, w przypadku rozważań dotyczących kosztów cyklu życia (LCC), może on być ekonomiczny – szczególnie w przypadku zastosowań do betonu niesprężonego podlegających obciążeniom zginającym, ścinającym i ściskającym, które zazwyczaj wymagają częstych napraw i konserwacji lub w przypadku innych problemów związanych z metalem. Z tych i innych powodów pręty zbrojeniowe zespolone powoli zaczęły zyskiwać udział w rynku inżynierii lądowej i wodnej.

Pierwsze kompozytowe pręty zbrojeniowe zaczęto stosować w Japonii w latach 80-tych XX wieku, ze wzmocnieniami z włókien węglowych i aramidowych w osnowie żywic duroplastycznych, a następnie w Kanadzie na początku lat 90-tych. Jednak najważniejszym zadaniem było ustalenie specyfikacji prętów kompozytowych. Dzięki intensywnej pracy Komitetu 440 – FRP Reinforcement Amerykańskiego Instytutu Betonu (ACI) opracowano specyfikacje i przewodnik projektowy dla prętów zbrojeniowych FRP – ACI 440.1R, który okazał się jednym z najbardziej znanych i najlepiej wykorzystywanych przewodników pozwalających wykorzystać prętów kompozytowych w budownictwie

Pomimo rosnącej wiedzy z zakresu użycia prętów kompozytowych, ich wykorzystanie nie było spektakularne. Pierwsza amerykańska konstrukcja pojawiła się dopiero w 1996 roku. Pręty zbrojeniowe FRP zyskały wreszcie popularność w Ameryce Północnej po włączeniu ich do kanadyjskiego kodeksu budowy mostów autostradowych, gdzie stały się standardowym rozwiązaniem w przypadku korozji spowodowanej niekorzystnymi warunkami pogodowymi w Kanadzie. To z kolei doprowadziło do podjęcia przez Amerykańskie Stowarzyszenie Urzędników ds. Autostrad i Transportu (AASHTO) prac nad opracowaniem specyfikacji dotyczących stosowania włókna szklanego (GFRP) w drogownictwie. Od tego momentu amerykańscy inżynierowie i projektanci Departamentu Transportu (DoT) mieli swój własny przewodnik projektowy, który miał być zgodny z ACI 440. W rezultacie, Kanada i Stany Zjednoczone mają obecnie prawie 400 mostów z prętami zbrojeniowymi z FRP. Instalacje europejskie rozwijają się, ale w wolniejszym tempie.

Źródło: internet, compositesworld.com; ACMA