Historia technologii

Od połowy XX wieku, dzięki zwiększonemu zainteresowaniu przedstawicieli sektora budowlanego materiałami odpornymi na korozję, zintensyfikowano wykorzystanie konstrukcji betonowych zbrojonych szkłem i tworzywem sztucznym. Ponadto konieczność zapewnienia niektórym rodzajom budowli właściwości antymagnetycznych oraz dielektrycznych jeszcze bardziej wzmocniła chęć deweloperów do stosowania zbrojenia wielokomponentowego. Co więcej, bardzo ważne było uwzględnienie wysokiego zużycia – nawet pomimo istniejącego już deficytu – rud metali wykorzystywanych w stalowych odpowiednikach.

Początkowo główną bazą wielokomponentowego szkieletu stało się ciągłe, odporne na alkalia włókno szklane o średnicy 10–15 mikronów. Wykazywało ono całkowitą obojętność na działanie środowiska zasadowego. Pręt zbrojeniowy formowano z włókien szklanych, a jako głównego spoiwa aktywnie używano surowców z żywic poliestrowych, epoksydowych lub innych podobnych kompozycji syntetycznych.

W zakładach dużych miast krajów byłego ZSRR stosowano technologię wytwarzania niemetalicznego, odpornego na środowisko zasadowe pręta szklanego. Jego średnica wynosiła 6 mm, a skład zawierał niewielki współczynnik dwutlenku cyrkonu.

Produkcja pierwszego wielokomponentowego zbrojenia do celów eksperymentalnych została zrealizowana dzięki determinacji i pracy radzieckich naukowców. Okres ten obejmuje lata 60. Na podstawie licznych wyników eksperymentów praktycznych dotyczących pięciomilimetrowego pręta z kompozytu szklano-polimerowego ustalono szereg jego charakterystyk fizyczno-technicznych:

• początkowy moduł sprężystości: 50 GPa;
• wytrzymałość na rozciąganie: 1,5 GPa;
• gęstość: 2 t/m³;
• utrzymanie współczynnika wytrzymałości w optymalnym reżimie temperaturowym przy odpowiedniej wilgotności: 65%.

W tamtym czasie obecność wielu czynników organizacyjnych nie pozwalała na uruchomienie stabilnej produkcji tego rodzaju zbrojenia. Mimo to, firmy budowlane wznosiły coraz więcej budynków, budowli i konstrukcji, w których wykorzystywano szkielety z kompozytu szklanego. Wiele z nich jest eksploatowanych do dziś. Był to pierwszy duży krok na drodze do udoskonalenia produkcji oraz wykorzystania niemetalicznego typu zbrojenia.

Od 1969 do 1979 roku betonowe poprzeczniki (trawersy) linii elektroenergetycznych były zbrojone prętami z włókna szklanego w wielu krajach byłego ZSRR. Na podstawie opracowanych eksperymentalnych wzorców elektroizolacyjnych poprzeczników podpór linii elektroenergetycznych wykonano i zainstalowano odcinki linii o znacznej długości w wielu regionach takich krajów jak Białoruś, Adżaria i Rosja. Dodatkowo specjaliści ze wszystkich tych krajów badali szkielety z włókna szklanego pod kątem wzmacniania podpór sieci trakcyjnej oraz, między innymi, w konstrukcjach pionów ciśnieniowych. Co więcej, znalazło ono zastosowanie nawet w kompleksach przemysłowych, transportowych czy handlowych metali kolorowych oraz w magazynach nawozów nieorganicznych. Wykorzystanie tego typu wielokomponentowych prętów przy budowie obiektów z lekkiego betonu, w poprzecznikach bez izolacji, fundamentach i pokryciach rozpoczęło się w latach 70. XX wieku.

Jednak mimo aktywnego i pomyślnego wykorzystania szkieletów ze szkła i tworzywa sztucznego w wielu dziedzinach życia, niestety fabryczna produkcja kompozytowych szkieletów wzmacniających nie została wówczas w pełni wdrożona.

Zbrojenie wielokomponentowe było również aktywnie wykorzystywane przy wzmacnianiu stropów galerii technologicznych w stacji kwasowej Swietłogorskiego Kombinatu Włókien Sztucznych. Do zbrojenia użyto prętów o średnicy 6 mm. Jego żebra oraz płyty w kierunku poprzecznym zostały wcześniej poddane sprężaniu (naprężeniu). Przyniosło to wyłącznie pozytywne efekty, a także obniżyło koszty.

W 1970 r. w pobliżu Kostromy, zgodnie z danymi z opracowań i analiz wyników ISiA Gosstroja BSRR wraz z GPI „Sielenergoprojekt”, oddano do użytku linię podpór elektroenergetycznych o napięciu 10 kV z poprzecznikami (trawersami), których beton został wzmocniony kompozytem szklano-polimerowym. Stawropol wsławił się w 1972 r., oddając do eksploatacji analogiczną konstrukcję linii elektroenergetycznej, tyle że o napięciu 35 kV. Rok 1975 stał się ważny dla Grodna i Soligorska, gdzie podłączono linie 10 kV. Kolejną znamienną datą dotyczącą instalacji linii o napięciu 0,4 i 10 kV był rok 1979 w Batumi.

Prefabrykowana, trójramienna konstrukcja poprzecznika (trawersy) składała się z dwóch prostoliniowych, wstępnie naprężonych elementów z kompozytu szklano-polimerowego, do których przymocowano trzy przewody. Podstawą poprzecznika był beton elektroizolacyjny, zbrojony czterema prętami o średnicy 6 mm w każdym poszczególnym elemencie.

Specjaliści z Ust-Kamienogorskiego Kombinatu Metali Kolorowych opanowali produkcję wstępnie naprężonych wanien elektrolitycznych do otrzymywania aluminium, których konstrukcja była zbrojona prętami kompozytowymi o średnicy 6 mm. Z wykorzystaniem 4-milimetrowego zbrojenia kompozytowego, zgodnie z projektem katedry „Mosty i Tunele” Chabarowskiego Instytutu Politechnicznego, wzniesiono pierwszy most z drewna klejonego. Budowla ta datowana jest na rok 1975.

Rok 1976 to czas wielkoskalowej budowy magazynów o nietypowej konstrukcji na terenie białoruskich miast Rohaczów i Czerwień. Łuki pomieszczeń magazynowych zostały wzmocnione drutem wielokomponentowym o średnicy 6–8 mm.

Most na rzece Szkotowka (Daleki Wschód Rosji), dozbrojony w 1981 roku prętami wielokomponentowymi, jest eksploatowany do dnia dzisiejszego. Konstrukcja przęsła mostu składa się z sześciu stalowych dwuteowników nr 45, które zostały wstępnie naprężone za pomocą ściągów wykonanych z 12 prętów kompozytowych o średnicy 6 mm.

Ponadto rok 1989 zapisał się w historii oddaniem do użytku kolejnego mostu w Kraju Chabarowskim z zastosowaniem zbrojenia kombinowanego: cztery wiązki realizowały naprężenie za pomocą 24 prętów kompozytowych o średnicy 6 mm. Wzmocnienie belek szkieletem klas A-I i A-II pozostało bez istotnych zmian.

Zgodnie z wynikami przeprowadzonych badań, efekt wstępnego naprężenia zbrojenia wielokomponentowego w mostach, pochodzących z okresu od 1975 do 1989 roku, pozostał niezmieniony.

Lata dwutysięczne, po długiej przerwie, przyniosły Rosji nowe wyniki eksperymentalne dotyczące opracowania technologii dla nowych wzorców zbrojenia kompozytowego (ASP). Wielki wkład teoretyczny w rozwój tej dziedziny, połączony z doświadczeniem praktycznym firmy „Jarosławski Zakład Kompozytów”, wnieśli specjaliści z centrów naukowych NIIŻB oraz FGUP „NIC MATI”. Rezultatem ich wspólnej pracy jest opracowanie nowej, obiecującej i perspektywicznej metody bezdyszowej technologii pultruzji.

Podczas badania eksploatowanego już pręta dużą uwagę poświęcono takim jego charakterystykom fizyczno-technicznym, jak wytrzymałość, trwałość, odporność na korozję oraz odporność na agresywne działanie różnych środowisk. W trakcie badań wyprowadzono nowe wskaźniki użytkowania tego rodzaju szkieletu:

• doraźna wytrzymałość na rozciąganie do 1500 MPa;
• początkowy moduł sprężystości 50 000 MPa;
• gęstość 1,8–2 t/m³ przy 80-procentowej zawartości włókna szklanego;
• przy rozciąganiu wykres roboczy pozostaje prostoliniowy aż do momentu zerwania, a granica odkształceń w tym punkcie wynosi 2,5–3%;
• wytrzymałość długotrwała szkieletu w normalnych warunkach temperaturowo-wilgotnościowych wynosi 65% doraźnej wytrzymałości na rozciąganie;
• współczynnik rozszerzalności liniowej 5,5-6,5*10-6.

Ponadto zbadano poziom ugięcia elementów wiążących zbrojenia pod wpływem obciążeń statycznych.

Jeśli chodzi o międzynarodową historię teoretyczną oraz, co oczywiste, praktyczną, to wykorzystanie zbrojenia wielokomponentowego rozpoczęło się jeszcze przed II wojną światową. Właściwie to przemysł aerokosmiczny ukazał rzeczywiste, wysokiej jakości parametry tego rodzaju szkieletu. W czasie wojny zainteresowanie lekkim, praktycznym, a co najważniejsze, trwałym materiałem tylko wzrosło. Następnie prężnie rozwijająca się gospodarka USA pilnie potrzebowała surowca, który byłby niedrogi, a jednocześnie spełniał wymagania konsumentów. W ten właśnie sposób wyprodukowano współosiowo zorientowane tworzywa włókniste oraz tworzywa kompozytowe, które wykorzystywano do produkcji kijów golfowych czy wędek. Dopiero w latach 60. materiał ten zaczął być rozważany jako główny surowiec do zbrojenia betonu.

Jednak jeszcze w latach 50. bardzo dotkliwie odczuwano potrzebę zmiany materiału w systemach autostrad szybkiego ruchu, których całodobowa konserwacja była bardzo kosztowna. Używając soli do odladzania mostów drogowych, służby drogowe zderzyły się z problemem korozji oraz jej negatywnego wpływu na zbrojenie stalowe. Stało się to silnym bodźcem do przeprowadzenia badań nad różnymi powłokami ochronnymi (cynkowymi, napylanymi elektrostatycznie, polimerobetonami, powłokami epoksydowymi oraz zbrojeniem z włókna szklanego). Zgodnie z wynikami tych badań, w warunkach agresywnego środowiska najlepiej ze wszystkich opcji sprawdziło się zbrojenie kompozytowe z włókna szklanego i tworzywa sztucznego. Niemniej jednak, stosowanie takiego rodzaju szkieletu nie było wówczas uważane za efektywne ze względu na jego wysoki koszt. Z tych właśnie przyczyn nie znalazł on szerokiego komercyjnego zastosowania aż do końca lat 70.

„Zastosowanie technologii materiałów kompozytowych w projektowaniu i budowie mostów” (Plecnik i Ahmad 1988) to oficjalny dokument datowany na 1983 rok, który jest pierwszym projektem Ministerstwa Transportu USA. Monopolistą w dziedzinie pierwotnego opracowania zbrojenia z włókna szklanego na terytorium USA była korporacja Marshall-Vega Inc. Początkowo szkielet z włókna szklanego stanowił idealną alternatywę dla stalowego odpowiednika w polimerobetonie ze względu na całkowity brak kompatybilności charakterystyk rozszerzalności cieplnej między polimerobetonem a stalą. Pod koniec lat 70. na ten sam rynek weszła kolejna korporacja — International Grating Inc. Okres ten wiąże się z pojawieniem się dużego problemu pogarszania się stanu mostów pod wpływem korozji wywołanej działaniem jonów chlorkowych. Głównym, a wręcz jedynym rozwiązaniem kwestii szybkiego starzenia się mostów stało się zbrojenie konstrukcji kompozytem szklanym. Te dwa podmioty gospodarcze wniosły ogromny wkład w rozwój produkcji oraz eksploatacji wielokomponentowego zbrojenia z włókna szklanego, kończąc swoją działalność w tym kierunku u progu lat 80.

Kolejny okres wsławił się wykorzystaniem szkieletów ze szkła i tworzywa przy budowie placówek medycznych, centrów i kompleksów. Potrzeba stosowania właśnie tego rodzaju zbrojenia wynikała z dużego wpływu stalowych odpowiedników na wyniki pracy sprzętu medycznego do rezonansu magnetycznego. Największe projekty to budynki Gonda Building kliniki Mayo w Rochester w stanie Minnesota oraz Narodowy Instytut Onkologii w mieście Bethesda w stanie Maryland. W dalszej kolejności wzmacniano nim konstrukcje mostów, falochronów, fundamenty reaktorów podstacji elektrycznych, pasy startowe oraz laboratoria elektroniczne. Najsłynniejszymi projektami są mosty na terenie hrabstwa Potter w Teksasie oraz miasta Bettendorf w stanie Iowa. Przyczyniło się to do przeprowadzenia nowych, rzetelnych badań w dziedzinie zbrojenia niemetalicznego, których wyniki zachowano w dokumencie „Elementy z kompozytów włóknistych i technologia stosowania zbrojenia niemetalicznego”.

W 1986 r. Niemcy wzniosły most drogowy z wykorzystaniem zbrojenia z włókna szklanego. Japonia do połowy lat 90. dynamicznie stosowała już szkielety z FRP (tworzyw zbrojonych włóknami). Wyniki badań ponad 100 komercyjnych projektów z wykorzystaniem prętów z włókna szklanego zostały opisane w pracy naukowej „Zalecenia dotyczące projektowania i budowy”.

Budowa nawierzchni kanadyjskiego mostu Crowchild w regionie Calgary w prowincji Alberta, datowana na 1997 rok, również została wzmocniona prętami z włókna szklanego. Inżynierowie budownictwa lądowego w tym kraju przez długi czas pracowali nad opracowaniem przepisów dotyczących stosowania zbrojenia niemetalicznego. Swój wynik utrwalili w oficjalnym dokumencie — „Kanadyjskim kodeksie projektowania mostów drogowych”. Na jego podstawie zrealizowano całą serię projektów demonstracyjnych. Najbardziej znaczące i udane z nich to: most Headingley w Manitobie, most na Kent County Road nr 10 oraz most Joffre Bridge na rzece Saint-François w Sherbrooke (Quebec). W ten sposób Kanada zajęła wiodącą pozycję w zakresie budowy nawierzchni mostowych.

Kolumbia Brytyjska wykorzystała zbrojenie z włókna szklanego przy budowie winiarni w 1998 roku.

Obecnie największym konsumentem szkieletów z materiałów wielokomponentowych są Chiny. Specjaliści z branży budowlanej tego kraju wykorzystują je przy wznoszeniu nowych konstrukcji w różnych sferach — od nawierzchni mostów po powłoki podziemne i umocnienia.