Понимание волоконно-укрепленного полимера (FRP) для глубоких оснований

Композиты из полимеров с клетчаткой представляют собой класс передовых материалов, которые неуклонно набирают силу в гражданском строительстве, особенно для укрепления скученных свай в сложных условиях. Скучные сваи - также известные как сверленные валы - являются глубокими элементами фундамента, которые передают структурные нагрузки через слабые или нестабильные почвы в компетентные несущие слои. Условно усиленные сталью, эти сваи подвержены коррозии в агрессивных условиях почвы или грунтовых вод, что приводит к преждевременному ухудшению и дорогостоящему ремонту. FRP предлагает некоррозионную, легкую и высокопрочную альтернативу, которая продлевает срок службы и снижает требования к техническому обслуживанию. Эта статья обеспечивает углубленное изучение армирования FRP для скученных свай, охватывающих свойства материала, принципы проектирования, методы установки, экономические соображения и последние исследования.

Что такое волокноукрепленный полимер?

ФРП представляет собой композитный материал, состоящий из непрерывных волокон, встроенных в полимерную смоловую матрицу. Волокна обеспечивают прочность на растяжение и жесткость, при этом смола связывает волокна, переносит нагрузки между ними и защищает их от воздействия окружающей среды. Наиболее распространенными типами волокон, используемыми в гражданском строительстве, являются:

  • Стеклянная FRP (GFRP): Изготовленная из E-стекла или S-стекла, GFRP предлагает хорошую прочность на растяжение и является наиболее экономичным вариантом.
  • Углеродные волокна FRP (CFRP): Углеродные волокна обеспечивают исключительно высокую прочность на растяжение и модуль, а также отличную усталость и сопротивление ползучести. CFRP используется там, где требуется высокая жесткость или высокое соотношение прочности к весу, хотя это дороже.
  • Арамидные волокна FRP (AFRP): Арамидные волокна обладают высокой прочностью на растяжение и ударопрочностью, но менее распространены в структурной армации из-за восприимчивости к УФ-деградации и поглощению влаги.

Бары FRP обычно изготавливаются посредством пультрузии, где непрерывные волокна протягиваются через смоловую ванну, а затем через нагретую штамп для лечения материала. Полученные бруски могут быть снабжены поверхностными деформациями, песчаным покрытием или спиральными обертками для улучшения связи с бетоном. В отличие от стали, FRP является линейной эластичностью до отказа - она не дает пластически, что фундаментально влияет на философию дизайна для железобетонных элементов.

Преимущества FRP над сталью в укреплении скученной сосны

Коррозионная устойчивость

Наиболее неотразимым преимуществом FRP является его иммунитет к электрохимической коррозии. Стальная армация в скученных сваях уязвима для попадания хлорида из морской воды, обледенения солями или агрессивных грунтовых вод. Коррозионные продукты занимают больший объем, чем исходная сталь, создавая обширные напряжения, которые раскалывают бетонный покров и ускоряют износ. FRP, будучи по своей сути неметаллическим, не разъедает в этих средах, устраняя основную причину преждевременного отказа в глубоких фундаментах. Это свойство делает FRP особенно привлекательным для морских сооружений, мостовых фундаментов в прибрежных зонах и промышленных объектов, обрабатывающих химикаты.

Легкий вес и простота в обращении

Укрепление FRP весит примерно одну четверть-пятую стали для эквивалентной прочности на растяжение. Типичный 20-мм диаметр GFRP-бар весит около 0,7 кг/м по сравнению с 2,5 кг/м для стали. Это снижение веса упрощает транспортировку, обработку и размещение в поле. Для скученных свай, требующих поднятия и опускания в глубокие раскопки, более легкие клетки снижают требования к грузоподъемности крана, ускоряют установку и повышают безопасность работников.

Высокое соотношение силы и веса

Стержни GFRP обычно имеют прочность на растяжение от 600 до 1200 МПа, в то время как CFRP может превышать 2000 МПа - значительно выше, чем 400-500 МПа обычных стальных армирующих стержней. Поскольку плотность FRP намного ниже, чем сталь, его удельная прочность (сила, разделенная на плотность) в несколько раз выше. Это позволяет дизайнерам достичь требуемой грузоподъемности с меньшим количеством материала, потенциально уменьшая диаметр сваи или размер клетки, что приводит к экономии бетона и затрат на выемку.

Магнитный и электрический нейтралитет

FRP немагнитный и непроводящий с электрической точки зрения. Это имеет решающее значение для фундаментов, поддерживающих чувствительное оборудование, такое как МРТ-машины в больницах, ускорители частиц или объекты магнитно-резонансной томографии. Стальная армация может мешать магнитным полям и вызывать токи; FRP полностью устраняет эти проблемы.

Механические свойства Tailored

Композиты FRP могут быть спроектированы для удовлетворения конкретных требований к конструкции путем изменения типа волокна, ориентации, объемной фракции и системы смолы. Например, сваи, подвергающиеся высокой циклической нагрузке в сейсмической зоне, могут извлечь выгоду из высокой усталостной стойкости CFRP. В химически агрессивной среде может быть указана виниловая эфирная смола вместо полиэстера для лучшей химической долговечности. Эта гибкость недоступна со стандартизированными марками стали.

Дизайн и код для FRP-укрепленных скученных кусков

Конструкция бетонных свай с армированными FRP следует многим из тех же принципов, что и стальной бетон, но с важными различиями из-за линейно-упругого поведения FRP, более низкого модуля эластичности (особенно для GFRP) и отсутствия пластичности.

  • Состояние предельного уровня обслуживания: Поскольку FRP не дает выходных значений, ширина трещин и отклонения под рабочими нагрузками становятся руководящими критериями. Разработчики должны обеспечить, чтобы напряжение растяжения в FRP при обслуживании не превышало доли его предельной прочности (обычно 0,3-0,5 в зависимости от кода).
  • Окончательное предельное состояние: Неисправность контролируется разрывом FRP или бетонным дроблением, в зависимости от того, что происходит первым. Для более качественных предупреждающих знаков предпочтительнее сжатие (бетонное дробление после достаточной деформации). Однако штанги FRP не используются в качестве усиления сжатия, поскольку их прочность на сжатие ниже прочности на растяжение и модуля недостаточно для предотвращения застежки.
  • Бонды и длина разработки:] Стержни FRP требуют более длинных проработок, чем сталь, из-за более мягкой поверхности и более низкого модуля. Стержни с песком или стержни с спиральными обертками улучшают связь, но значения конструкции должны быть проверены данными испытаний производителя. ACI 440.1R-15 обеспечивает руководство по расчету длины разработки.
  • Тепловая совместимость: Коэффициент теплового расширения FRP отличается от бетона и стали.В регионах с большими температурными колебаниями могут развиваться тепловые напряжения, но обычно не являются проблематичными для свай, которые закапываются и испытывают минимальные колебания температуры.
  • Сейсмическая производительность:] Отсутствие урожаев FRP приводит к хрупкому поведению, если бетон не сильно ограничен поперечным усилением. спиральные стремена FRP или обручи используются для обеспечения удержания и сдвига. Экспериментальные исследования показывают, что хорошо ограниченные сваи с усилителем FRP могут достичь адекватной пластичности для сейсмических зон с низким и умеренным уровнем.

Несколько кодексов и руководящих принципов были разработаны для армирования FRP в бетоне, в том числе ACI 440.1R-15 (Руководство по проектированию и строительству бетонных бетонных армированных с помощью волоконно-армированных полимерных баров), CSA S806-12 и европейский бюллетень 40 fb. Для глубоких фундаментов, в частности, Федеральное управление автомобильных дорог (FHWA) опубликовало временное руководство по проектированию в FHWA-HRT-04-104 (FRP Reinforcement for Concrete Bridges).

Практика установки для FRP Bored Pile Cages

Полевая установка арматуры ФРП в скученных сваях требует внимания к нескольким деталям для обеспечения структурной целостности и долгосрочной производительности:

  • Ручение и хранение: Стержни FRP более восприимчивы к истиранию и ударным повреждениям, чем сталь. Их следует поднимать нейлоновыми ремнями, а не цепями или стальными кабелями. Хранение на месте должно защищать стержни от прямых солнечных лучей (особенно для GFRP, которые могут разрушаться при воздействии ультрафиолета) и контактировать с химическими веществами.
  • Резка и изгиб:] FRP не может быть изогнутым полем, как сталь; изгибы должны быть изготовлены на заводе или с использованием тепла (для термопластичной FRP). Резка производится с помощью алмазной или карбидно-наконечной пилы. Абразивные колеса генерируют пыль, которая может содержать стеклянные волокна, требующие защиты от дыхания.
  • Сплайсинг и сплайсинг: Сплайсинг коленей обычно избегают из-за длительных требуемых длин разработки. Предпочтительны механические спариватели или запатентованные системы сплайс. В некоторых случаях для устранения сплайсов используются непрерывные стержни для свайных клеток.
  • Бетонное размещение: Легкий вес клеток FRP может вызвать проблемы плавучести во время размещения бетона, особенно в глубоких сваях. Клетки должны быть надежно привязаны и закреплены, чтобы предотвратить плавание.
  • Контроль качества: Визуальный осмотр стержней для повреждения поверхности, состояния связи и правильного позиционирования имеет важное значение. Некоторые проекты требуют испытаний на вытягивание на жертвенных стержнях для проверки прочности связи.

Тематические исследования и полевые применения

Несколько известных проектов успешно использовали подкрепление FRP в скученных сваях по всему миру.

  • Marine Pier Foundations, Port of Miami (США): Стержни GFRP заменили сталь в скученных сваях 1,2-метрового диаметра для пирса, подвергшегося воздействию приливной соленой воды. За 12 лет мониторинга не наблюдалось никаких признаков коррозии или деградации, в то время как близлежащие сваи, армированные сталью, требовали катодной защиты.
  • Реконструкция мостового пирса, Хитра (Норвегия): В зоне содержания скученных свай для моста в прибрежной среде с циклами замораживания-оттаивания использовались стремена CFRP. Проект продемонстрировал жизнеспособность FRP в экстремальных северных климатических условиях.
  • Химический завод в Саудовской Аравии: Арматура GFRP была выбрана для 30-метровых скученных свай, поддерживающих резервуар для хранения серной кислоты. Агрессивные грунтовые воды (pH 2-3) быстро разъединяли сталь, но FRP остается нетронутым через 8 лет.

Эти случаи подчеркивают, что армирование FRP может обеспечить бескоррозионный срок службы, превышающий 50 лет, в средах, где сталь выйдет из строя через 10-20 лет. Однако долгосрочные данные за 15-20 лет по-прежнему ограничены, и многие владельцы требуют ускоренных испытаний на старение, прежде чем определять FRP для критической инфраструктуры.

Перспективы экономики и устойчивости

Первоначальные материальные затраты на стержни FRP обычно в 2-5 раз выше, чем на сталь. Однако анализ стоимости жизненного цикла (LCCA) часто отдает предпочтение FRP при рассмотрении затрат на техническое обслуживание, ремонт и замену в течение срока службы конструкции. Для морских скученных свай стальная армация может потребовать катодных систем защиты стоимостью 50-100 долларов за линейный метр свай в год. Когда эти затраты капитализируются, срок окупаемости для FRP может быть столь же коротким, как 5-10 лет. Кроме того, более легкий вес снижает расход топлива на транспортировку и выбросы крана во время строительства.

С точки зрения устойчивости, производство FRP имеет более высокую энергоемкость на килограмм, чем сталь, но поскольку требуется меньше материала (из-за более высокой прочности), общая воплощенная энергия может быть сопоставимой или ниже. Исследования Американской ассоциации производителей композитов показывают, что усиление GFRP может сократить выбросы парниковых газов на 30-50% в течение 75-летнего срока службы по сравнению со сталью в агрессивных средах. Кроме того, утилизация в конце жизни является проблемой - FRP не легко перерабатывается - но сжигание с рекуперацией энергии является общей стратегией, и исследования в переработанных агрегатах FRP продолжаются.

Ограничения и исследовательские пробелы

Несмотря на свои преимущества, FRP-усиление для скученных свай имеет несколько ограничений, которые должны учитывать практикующие:

  • Долгосрочные данные о долговечности: Большинство доступных данных получены в результате ускоренных лабораторных испытаний. Воздействие на полевые поля в течение 20 лет является недостаточным, особенно для GFRP в щелочных бетонных средах, где стекловолокна могут понести потерю прочности, если они не защищены должным образом прочной смолой.
  • УФ-деградация: Бары FRP, хранящиеся или выставленные над землей (например, во время установки или для крышек свай), могут разрушаться под прямым солнечным светом, если они не покрыты или не защищены.
  • Тепловое несоответствие расширения: Хотя это не является серьезной проблемой для захороненных свай, это может вызвать напряжение связи в крышках свай, подвергающихся температурным циклам.
  • Отсутствие пластичности: Сейсмическая конструкция требует тщательной детализации уплотнения для достижения пластичного поведения. Коды для FRP в сейсмических приложениях все еще развиваются.
  • Стоимость изменчивости: Цены зависят от типа волокна, смолы и объема производства. Для небольших проектов премия за стоимость может быть непомерной.

Текущие исследования сосредоточены на улучшении долговечности связи GFRP в щелочных условиях, разработке гибридных стержней, которые объединяют волокна для достижения баланса прочности и пластичности, и установлении спецификаций проектирования на основе производительности. FHWA и ACI продолжают спонсировать крупномасштабные полевые демонстрации и программы мониторинга для заполнения пробелов в данных.

Заключение и прогноз

Клетчато-армированная полимерная армация для скученных свай предлагает убедительное решение хронической проблемы коррозии стали в агрессивных средах. Его коррозионный иммунитет, высокое соотношение прочности к весу и гибкость конструкции делают его привлекательным вариантом для морских, промышленных и сейсмических применений. В то время как первоначальные затраты выше, преимущества жизненного цикла часто перевешивают первоначальные инвестиции, когда учитывается техническое обслуживание и простои. Дизайнеры должны следовать установленным рекомендациям от ACI 440 или CSA S806 и консультироваться с конкретными данными производителя для связей и прочностных свойств. По мере накопления опыта и снижения затрат на материалы за счет увеличения производства, FRP готова стать стандартным выбором армирования для глубоких оснований в агрессивных или чувствительных средах. Для практиков, ищущих прочные, устойчивые глубокие основы, FRP заслуживает серьезного рассмотрения.