არმატურა კომპოზიტური პოლიმერული

არმატურა კომპოზიტური პოლიმერული (აკპ) – წარმოადგენს კომპოზიტურ მასალას, რომელიც შედგება შემკვრელისა (სინთეზური პოლიმერი) და მაარმირებლისგან (ძაფისებრი ბოჭკოები).

რეკომენდებულია აკპ გამოყენება ძირითადად ისეთი კონსტრუქციების დაარმირებისათვის, რომელთაც მუშაობა უხდებათ აგრესიულ გარემოში. კონსტრუქციების დაარმირებისათვის გამოყენებული არმატურის სახეებია (რუსული ნორმების ГОСТ 31938-2012-ის მიხედვით): მინაკომპოზიტური (ამკ), ბაზალტკომპოზიტური (აბკ), ნახშირბადკომპოზიტური (ანკ), არამიდკომპოზიტური (ააკ) და ოპგანოპლასტიკური, ანუ კომბინირებული (აკკ).

აკპ-ით დაარმირებული კონსტრუქციების ძირითადი უპირატესობებია:

• ხანგამძლეობა;
• კოროზიამედეგობა;
• ელექტრომაგნიტური ნეიტრალურობა და არმატურის დიელექტრიკული თვისებები;
• არმატურის მაღალი სიმტკიცე და დაბალი კუთრი წონა;
• დამზადების სიმარტივე სამშენებლო მოედანზე;
• კონსტრუქციაში ჩანაჭერების ადვილკეთებადობა.

კომპოზიტური არმატურის ეფექტური გამოყენების სფეროებია:

• ნაპირგამაგრებითი სამუშაოები;
• საზღვაო და საპორტე ნაგებობები;
• კანალიზაცია, მელიორაცია და წყალარინება;
• საგზაო საფარი და შემოღობვა, მათ შორის ხიდების;
• ქიმიური წარმოების ინფრასტრუქტურის ელემენტები;
• ბეტონის ნაკეთობები დაუძაბავი და დაძაბული არმატურით (განათების ბოძები, მაღალი ძაბვის ელექტროგადამცემი ხაზების საყრდენები და ტრავერსები; საგზაო და ტროტუარის ფილები, ღობის ფილები, ბოძები და საყრდენები; რკინიგზის შპალები; კოლექტორების, მილგაყვანილობების და ტრასისთანამდევი კომუნალური სისტემების ფასონური დეტალები;
• მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფიის სათავსები, რადიოგამჭვირვალე კონ-სტრუქციები, კონსტრუქციები, რომლებსაც მოეთხოვებათ მაგნიტური ველების არარსებობა;
• დროებითი შენობები და ნაგებობანი ღიობებით, რომელიც კეთდება ადგილზე.

არმატურის სახეობა მიიღება კონსტრუქციის ექსპლუატაციის პირობების, დატვირ-თვის ხასიათისა და ეკონომიკური მაჩვენებლების მიხედვით.

გაანგარიშება ეხება კონსტრუქციებს, დაარმირებულს კომპოზიტური პოლიმერული არმატურით (აკპ – არმატურა კომპოზიტური პოლიმერული).

კონსტრუქციები კომპოზიტური არმატურით გაანგარიშდება I და II ჯგუფის ზღვრული მდგომარეობის მეთოდით (შესაბამისად საანგარიშო და ნორმატიული დატვირთვე-ბის მოქმედებისას).

I ჯგუფის ზღვრულ მდგომარეობაში შედის გაანგარიშება:

- სიმტკიცეზე;
- ფორმის მდგრადობაზე (თხელკედლიანი კონსტრუქციები);
- მდგომარეობის მდგრადობაზე (ამოყირავება, გასრიალება, ამოტივტივება).

II ჯგუფის ზღვრული მდგომარეობაში შედის გაანგარიშება:

- ბზარწარმოქმნაზე;
- ბზარების გახსნაზე;
- დეფორმაციებზე.

გაანგარიშების მიმდინარეობის პროცესში გათვალისწინებული უნდა იყოს:

1) სხვადასხვა საანგარიშო სიტუაციები, კერძოდ: დამზადების, ტრანსპორტირების, აგების, ექსპლუატაციის, ავარიის, ხანძრის სტადიები;
2) ძალოვანი ფაქტორები – მღუნავი და მგრეხი მომენტები, გრძივი და განივი ძალები, აგრეთვე ადგილობრივი (შეყურსული) დატვირთვები.

ასაწყობი კონსტრუქციების გაანგარიშებისას აწევის, ტრანსპორტირების, მონტაჟისა და მისი მასის გათვალისწინებით, დინამიკურობის კოეფიციენტის მნიშვნელობა მიიღება: 1,6 – ტრანსპორტირებისას; 1,4 – აწევისა და მონტაჟისას. დასაშვებია ამ კოეფიციენტების სიდიდის შემცირება, მაგრამ არანაკლები 1,25-ისა.

ზოგადად, კონსტრუქციები კომპოზიტური არმატურით გაანგარიშდება ნორმალური (მღუნავი მომენტისა და გრძივი ძალის გათვალისწინებით), დახრილი (განივი ძალე-ბის გათვალისწინებით), სივრცითი (მგრეხი მომენტების გათვალისწინებით) კვეთების და ადგილობრივად მოქმედი (ადგილობრივი კუმშვა, ჩაჭყლეტა) დატვირთვების მიხედვით.

კომპოზიტური პოლიმერული არმატურის ფიზიკურ-მექანიკური თვისებები

კომპოზიტური არმატურის სიმკვრივე დამოკიდებულია მისი კომპონენტების სიმკვრივეზე (მაარმირებელი ბოჭკოები და მატრიცა). როცა ბოჭკოების მოცულობითი წილი შეადგენს 0,5-0,75-ს (ყველაზე მეტად დამახასიათებელი კომპოზიტური არმატურისთვის) ნახშირბადპლასტიკური არმატურის სიმკვრივეა 1430-1670 კგ/მ³, მინაპლასტიკის – 1730-2180 კგ/მ³, ორგანოპლასტიკის – 1300-1450 კგ/მ³, რაც ნაკლებია ფოლადის არმატურის სიმკვრივეზე (3,6...6)-ჯერ.

აკპ-ის ტემპერატურული გაფართოების კოეფიციენტები, x10^-6/°С

მიმართულება	ფოლადი	ბეტონი	ნახშირბად-პლასტიკი	ორგანო-პლასტიკი	მინაპლასტიკი
ღეროს გასწვრივ (გრძივი)	11	7-13	–9 - 0	–2 - –6	6-10
ღეროს განივად (რადიალური)	11	7-13	74-104	60-80	21-23

კომპოზიტური არმატურის ტემპერატურული გაფართოების კოეფიციენტი მნიშვნელოვნად განსხვავდება ბეტონის ტემპერატურული გაფართოების კოეფიციენტისაგან (განსხვავებით ფოლადის არმატურისგან).

კონსტრუქციებში აკპ-ის გამოყენება შეზღუდულია პოლიმერული მატრიცის გამინების ტემპერატურით (ტემპერატურა, რომელზეც პოლიმერული მატრიცა შეუქცევადად იცვლის თავის ფიზიკურ-მექანიკურ თვისებებს). აკპ-ის გამინების ტემპერატურა დამოკიდებულია მატრიცის ტიპზე და მერყეობს დიაპაზონში 70-175°С. გამოკვლევებით დადგენილია ([39], [44], [45], [46]), რომ გამინების ტემპერატურის მიღწევისას აკპ-ის სიმტკიცისა და დეფორმადობის თვისებები მკვეთრად მცირდება, გარდა ამისა, ირღვევა არმატურის შეჭიდულობა ბეტონთან.

მაღალმა ტემპერატურამ შეიძლება გამოიწვიოს არა მარტო კომპოზიტური არმატურის სტრუქტურის რღვევა, არამედ არმატურის დამცავი ფენის განშრევებაც არმატურის განივი მიმართულებით გაფართოების გამო.

კომპოზიტური პოლიმერული ღეროვანი არმატურის სამშენებლო კონსტრუქციებში გამოყენებაზე გარკვეულ შემაფერხებელ გავლენას ახდენს დაბალი ცეცხლმედეგობა და ისევე, როგორც ფოლადის არმატურის გამოყენებისას, საჭირო ხდება ცეცხლდაცვის დამატებითი ღონისძიებების განხორციელება.

დაბალმა ტემპერატურამაც შეიძლება გამოიწვიოს არმატურის ბეტონთან შეჭიდუ-ლობის რღვევა და კომპოზიტის შიგნით მიკროდაზიანებების გაჩენა. ამჟამად ინტენსი-ურად მიმდინარეობს ამ მოვლენის მეცნიერული შესწავლა, რისი დასტურია ის, რომ, მაგალითად, რუსეთის ფედერაციაში ჯერ კიდევ 2011 წელს მომზადებული იქნა შესაბამისი სახელმწიფო სტანდარტის პროექტი [42] და მიიღეს მოთხოვნები კომპოზიტური არმატურის სახეობის შესახებ კლიმატური რაიონების მიხედვით ГОСТ 15150-ის საფუძველზე.

კომპოზიტური მასალის ფიზიკურ-მექანიკური თვისებები განისაზღვრება შემად-გენლობაში არსებული მასალების (ბოჭკო და პოლიმერი) თვისებებითა და კომპოზიტში მათი მოცულობითი თანაფარდობით. მაგალითად, დრეკადობის მოდულისა Ec და გაჭიმვაზე სიმტკიცის Rc განსაზღვრა ხდება ფორმულებით:

Ec = Eƒ·Vƒ + Em·Vm ,

Rc = Rƒ·Vƒ + Rm·Vm,

სადაც Eƒ, Rƒ, Vƒ არის დრეკადობის მოდული, სიმტკიცე გაჭიმვაზე და ბოჭკოების (არამიდის, ნახშირბადის, მინის) მოცულობითი თანაფარდობა კომპოზიტში; Em, Rm, Vm – იმავეგამამყარებელ მატრიცაში. ამასთანავე Vƒ + Vm = 1.

რადგან ბოჭკოების დრეკადობის მოდული და სიმტკიცე მეტია, ვიდრე მატრიცის პოლიმერის, ამიტომ კომპოზიტის მექანიკური თვისებები განისაზღვრება მხოლოდ ბო-ჭკოების თვისებებითა და განივკვეთით.

რუსული ნორმების მიხედვით (ГОСТ 31938-2012) სხვადასხვა კომპოზიტური არმა-ტურის მექანიკური მახასიათებლების შედარება მოცემულია ცხრილში.

სიმტკიცის ზღვარი გაჭიმვაზე და დრეკადობის მოდული გაჭიმვისას არ უნდა იყოს ნაკლები ცხრილში მოცემულ მაჩვენებლებზე. თუ არმატურის დამამზადებლის მიერ მოწოდებულ დოკუმენტაციაში ეს ორი მაჩვენებელი მეტია ცხრ.10.5-ში მოცემულ მაჩვენებლებზე, მაშინ გაანგარიშებებში ვიყენებთ დამამზებლის მიერ მოწოდებულ სიდიდეებს.

ამ ცხრილის მიხედვით ირკვევა, რომ მინაკომპოზიტური და ბაზალტკომპოზიტური არმატურის მექანიკური მახასიათებლები ჩამორჩება დანარჩები კომპოზიტური არმატურის მაჩვენებლებს, თუმცა, ისინი გაცილებით იაფია. ამიტომ „ფასი-ხარისხის“ თანაფარდობის მიხედვით, მინაკომპოზიტური და ბაზალტკომპოზიტური არმატურები ითვლება ოპტიმალურად, რაც განაპირობებს მათ ფართოდ გამოყენებას მშენებლობაში.

დასახელება	ამკ	აბკ	ანპ	ააკ	აკკ
სიმტკიცის ზღვარი გაჭიმვაზე, მპა	800	800	1400	1400	1000
სიმტკიცის ზღვარი კუმშვაზე, მპა	300	300	300	300	300
სიმტკიცის ზღვარი განივ ჭრაზე, მპა, მპა	150	150	350	190	190
დრეკადობის მოდული გაჭიმვისას, გპა	50	50	130	70	100

აკპ-ის თვისებები ხანმოკლე დატვირთვების მოქმედებისას

სიმტკიცის ზღვარი და დრეკადობის მოდული გაჭიმვაზე ხანმოკლე დატვირთვების მოქმედებისას წარმოადგენს ძირითად ნორმირებულ და საკონტროლო მაჩვენებლებს. გამოცდის მეთოდები ასახულია შესაბამის დოკუმენტებში – ACI (American Concrete Institute, ამერიკის ბეტონის ინსტიტუტი), ASTM (American Society for Testing and Materials, ტესტირებისა და მასალების ამერიკული საზოგადოება), JSCE (Japan Society of Civil Engineers, სამოქალაქო ინჟინერიის იაპონური საზოგადოება), აგრეთვე რუსულ სტანდარტებში [29].

სიმტკიცის ზღვარი გაჭიმვისას განისაზღვრება ფორმულით:

σ_გ = P/F,

სადაც σ_გ არის სიმტკიცის ზღვარი გაჭიმვაზე, მპა; P – მრღვევი დატვირთვა გაჭიმვისას, ნ; F – ღეროს განივი კვეთის ეფექტური ფართობი, მმ².

დრეკადობის მოდული გაჭიმვისას განისაზღვრება ფორმულით:

E = (P₁ – P₂)/(ε₁ – ε₂)·F,

სადაც E – ღერძული (გრძივი) დრეკადობის მოდულია, მპა;

P₁ – დატვირთვა, რომელიც შეადგენს მრღვევი დატვირთვის 50±2%, ნ;

P₂ – დატვირთვა, რომელიც შეადგენს მრღვევი დატვირთვის 20±2%, ნ;

ε₁ – ფარდობითი დეფორმაცია, რომელიც შეადგენს ზღვრული დეფორმაციის 50±2%;

ε₂ – ფარდობითი დეფორმაცია, რომელიც შეადგენს ზღვრული დეფორმაციის 20±2%.

ფარდობითი დეფორმაცია მრღვევი დატვირთვისას განისაზღვრება ფორმულით:

ε_გ = P/EF.

რუსული სტანდარტის პროექტში [29] მოცემულია კომპოზიტური პოლიმერული არმატურის ფიზიკურ-მექანიკური მახასიათებლების მინიმალური მნიშვნელობები უზ-რუნველყოფით 0,95 , ხოლო 2012 წლის რუსული სტანდარტის პროექტში [43, დანართი Б, В, Г, Д, Е ] – მინაპლასტიკური და ბაზალტპლასტიკური კომპოზიტური არ-მატურის ძირითადი პარამეტრები და ფიზიკურ-მექანიკური მახასიათებლების სრული ჩამონათვალი.

ფოლადის და კომპოზიტური არმატურის მახასიათებლები გაჭიმვისას

მაჩვენებლის დასახელება	განზომილება	ფოლადი	მინაპლასტიკი	ნახშირბადპლასტიკი	ორგანოპლასტიკი	ბაზალტპლასტიკი
სიმტკიცის ზღვარი გაჭიმვისას	მპა	240-700	450-1600	600-3500	1000-2500	800-1700
დრეკადობის მოდული გაჭიმვისას	მპა, ·103	200	35-60	100-580	40-125	60
ზღვრული ფარდობითი დეფორმაცია	%	5-20	1,2-3,7	0,5-1,7	1,9-4,4	1,0

შენიშვნა: ბაზალტპლასტიკის არმატურის მახასიათებლები მოგვაწოდა „ბაზალტ ფაიბერის“ ფირმამ (ქ. რუსთავი, საქართველო).

კომპოზიტური პოლიმერული არმატურის მინიმალური ნორმატიული მახასიათებლები გაჭიმვის

მაჩვენებლის დასახელება	განზომილება	მინაპლასტიკი	ბაზალტპლასტიკი	ნახშიბადპლასტიკი	ორგანოპლასტიკი	ჰიბრიდპლასტიკი
სიმტკიცის ზღვარი გაჭიმვისას	მპა	800	800	1600	1400	1000
დრეკადობის მოდული გაჭიმვისას	მპა, ·103	45	60	140	70	100

სამშენებლო კონსტრუქციებში აკპ გამოიყენება სწორი და აღუნული (იღუნება დამ-ზადების პროცესში) ღეროების სახით. ექსპერიმენტულად დადგენილია, რომ კომპოზიტის სიმტკიცე კუმშვაზე ნაკლებია, ვიდრე გაჭიმვაზე, რაც ემთხვევა კომპოზიტის რღვე-ვის მექანიზმის მოსალოდნელ შედეგს – შეკუმშული ბოჭკოების მდგრადობის დაკარგვა მატრიცის შიგნით და გაგლეჯა განივი მიმართულებით. კომპოზიტის სიმტკიცე გან-სხვავდება შეკუმშული ელემენტის ფორმასა და ტიპზე დამოკიდებულებით. დრეკა-დობის მოდულიც კუმშვისას ნაკლებია, ვიდრე გაჭიმვისას. ამერიკის ბეტონის ინს-ტიტუტის მონაცემებით [38] მინაპლასტიკის დრეკადობის მოდული კუმშვისას 20%-ით ნაკლებია დრეკადობის მოდულზე გაჭიმვისას, ორგანოპლასტიკებისთვის – 15%-ით, ხოლო ნახშირბადპლასტიკებისათვის ერთნაირია. ამჟამად კომპოზიტური პოლიმე-რული არმატურის დრეკადობის მოდულისა და კუმშვაზე სიმტკიცის განსაზღვრის მეთოდები შემუშავებული არ არის. რუსულ ნორმებში [42] მითითებულია, რომ არმატურის მწარმოებელი ვალდებულია მომხმარებელს მიაწოდოს არმატურის კუმშვაზე სიმტკიცის ზღვრის და დრეკადობის მოდულის მნიშვნელობები, რომლებიც აუცილე-ბელია კონსტრუქციის დაპროექტებისათვის.

კომპოზიტურ არმატურაზე მოქმედმა განივმა ან გადამჭრელმა ძალვებმა შეიძლება გამოიწვიოს კომპოზიტის მატრიცის რღვევა. მაღალი სიმტკიცის გრძივად განლაგებულ ბოჭკოებს არ შეუძლიათ მნიშვნელოვანი გავლენა იქონიოს კომპოზიტის სიმტკიცის მაჩვენებლებზე. ამ შემთხვევაში სიმტკიცეს განსაზღვრავს ფისის (მატრიცის) სიმტკიცე (30-130 მპა). არმატურის სიმტკიცე შეიძლება გაიზარდოს განივი მიმართულებით დამა-ტებითი ბოჭკოების განლაგებით. კომპოზიტური არმატურის ჭრაზე გაანგარიშების სპეციალური მეთოდები დამუშავებულია ამერიკელი და იაპონელი მეცნიერების მიერ (ACI, ASTM, JSCE).

აკპ-ის თვისებები ხანგრძლივი დატვირთვების მოქმედებისას

კომპოზიტურ პოლიმერულ არმატურას ფოლადის არმატურისგან განასხვავებს ცო-ცვადობის თვისება, რის გამოც მისი ხანგრძლივი სიმტკიცე მცირდება. კვლევებით დად-გენილია ([58], [59], [60 ]), რომ მინაპლასტიკისათვის ხანგრძლივი და ხანმოკლე სიმტკიცეების ფარდობა შეადგენს 0,29-0,55; ორგანოპლასტიკისთვის – 0,47-0,66; ნახშირბადპლასტიკისთვის – 0,79-0,93.

ცოცვადობის დეფორმაცია დამოკიდებულია გარე პირობებზე (ტემპერატურა, ტენიანობა), არმატურის დიამეტრსა და კომპოზიტის ტიპზე. ცოცვადობის გავლენის ანალიზური მოდელი ჯერჯერობით შემოთავაზებული არ არის. იგი გაითვალისწინება სიმტკიცის მახასიათებლების განზოგადებული კოეფიციენტებით. მხოლოდ ამერიკის ბეტო-ნის ინსტიტუტსა და სამოქალაქო ინჟინერიის იაპონურ საზოგადოებაში მიმდინარეობს გარკვეული სამუშაოები (ინტერნეტში განთავსებული მასალების მიხედვით) კომპოზიტური პოლიმერული არმატურის ხანგრძლივი სიმტკიცის განსაზღვრის მეთოდიკის შექმნის მიზნით, ხოლო დაღლილობითი სიმტკიცის განსაზღვრის მეთოდები მათ მიერ უკვე შემუშავებულია და გამოიყენება პრაქტიკულ საქმიანობაში (რიცხობრივად იგი შეადგენს 50-80% არმატურის ტიპზე დამოკიდებულებით).

წყარო

კომპოზიტური კონსტრუქციები