Zbrojenie kompozytowe, czyli lekka i trwała alternatywa dla stali

Zbrojenie kompozytowe to coraz częściej wybierane rozwiązanie w budownictwie, łączące niską wagę, odporność na korozję i wysoką wytrzymałość. Wyjaśnimy skład, proces pultruzji, rodzaje włókien oraz praktyczne zastosowania i ograniczenia. Czytaj dalej, by dowiedzieć się, kiedy warto je zastosować.

Co to jest zbrojenie kompozytowe

Co to jest zbrojenie kompozytowe? To nowoczesny sposób na wzmocnienie konstrukcji budowlanych, w którym zamiast tradycyjnej stali stosuje się wykonane z materiałów kompozytowych pręty lub siatki.

Składają się one przede wszystkim z włókien – np. węglowych, szklanych, aramidowych czy bazaltowych – zatopionych w żywicy. Taka budowa sprawia, iż elementy zbrojeniowe są lekkie, wytrzymałe i odporne na korozję.

Skład i rodzaje włókien w zbrojeniu kompozytowym

Zbrojenie kompozytowe to materiał zbudowany z ciągłych włókien zatopionych w żywicy polimerowej. Wspólnie tworzą one lekki, ale niezwykle wytrzymały element o wysokiej odporności na korozję. Dzięki połączeniu tych dwóch składników otrzymujemy konstrukcję, która łączy zalety włókien (sztywność i nośność) z ochronną i wiążącą funkcją matrycy żywicznej.

W teorii włókna to nośny element, który odpowiada za wytrzymałość i sztywność, a żywica (np. epoksydowa, termoutwardzalna) łączy je ze sobą, chroni przed uszkodzeniami i przenosi naprężenia między włóknami. Często dodaje się też wypełniacze lub przeciwutleniacze, które poprawiają określone adekwatności materiału, np. trwałość czy odporność chemiczną.

Do najczęściej stosowanych rodzajów włókien należą:

• włókna węglowe (CFRP) – mają bardzo wysokie parametry wytrzymałościowe i zapewniają dużą sztywność przy niskiej masie. Dodatkowo cechują się dobrą odpornością na korozję,
• włókna szklane (GFRP) – są tańsze od węglowych, a oferują dobrą wytrzymałość i odporność na korozję. Mają jednak niższą sztywność i mniejszą odporność na wysoką temperaturę,
• włókna bazaltowe (BFRP) – pozyskiwane z naturalnego bazaltu, łączą dobre adekwatności mechaniczne i odporność chemiczną z relatywnie niższym kosztem. Dodatkowo są odporne na wysokie temperatury,
• włókna aramidowe (AFRP) – cenione za dużą wytrzymałość na rozciąganie i odporność na ścieranie. Stosowane tam, gdzie liczy się lekkość i wysoka wytrzymałość. Mają jednak ograniczoną odporność na promieniowanie UV i bardzo wysokie temperatury.

Zbrojenie kompozytowe może przyjmować różne formy użytkowe – pręty (okrągłe lub kwadratowe, pełne lub drążone), siatki (analogiczne do stalowego zbrojenia), maty czy liny. Wybór konkretnej formy i rodzaju włókna zależy od wymagań konstrukcyjnych, warunków eksploatacji i kryteriów kosztowych.

Technologia produkcji – proces pultruzji

Technologia produkcji zbrojeń kompozytowych metodą pultruzji jest dość prosta – a przynajmniej sama idea: ciągłe przeciąganie włókien (najczęściej szklanych) przez wannę z żywicą termoutwardzalną (np. epoksydową lub poliestrową), która je impregnuje. Następnie przez matrycę, która nadaje zaplanowany kształt i pozwala na utwardzenie materiału pod wpływem temperatury.

W efekcie powstają pręty i kształtowniki o bardzo dużej zawartości włókien (70-80% objętości) ułożonych równolegle do osi produktu – dzięki temu mają bardzo dużą wytrzymałość wzdłużną. Powierzchnia profili bywa też fakturowana – spiralnie lub w inny sposób – by poprawić przyczepność do betonu, podobnie jak żebrowanie prętów stalowych.

Cały proces pultruzji jest ciągły i zautomatyzowany – obejmuje:

• nawijanie ciągłych włókien na szpule,
• przeciąganie ich przez wannę z żywicą (impregnacja),
• przeprowadzenie przez matrycę/kształtkę nadającą odpowiedni profil (np. pręt okrągły lub inny kształtownik),
• utwardzanie żywicy termicznej w efekcie podgrzewania,
• cięcie gotowego, utwardzonego profilu na wymagane długości.

Właściwości zbrojeń kompozytowych

Pręty kompozytowe są dość elastyczne – można je dostarczać na szpulach i wygodnie formować w skomplikowane kształty, choć zakres gięcia jest niewielki, i należy traktować je z ostrożnością. Mają też niską rozszerzalność termiczną, zbliżoną do betonu, dzięki czemu nie pękają pod wpływem zmian temperatur i zachowują adekwatności mechaniczne choćby podczas silnych mrozów. W odróżnieniu od stali cechuje je też niska przewodność cieplna, co może mieć znaczenie przy kwestiach izolacji termicznej.

Dodatkowo pręty dobrze znoszą działanie czynników atmosferycznych, promieniowanie UV oraz ścieranie. Łatwo poddają się obróbce, nie wymagają konserwacji i wykazują dużą odporność na uszkodzenia mechaniczne oraz wpływ środowiska. W praktyce przekłada się to na bardzo dużą trwałość oraz mniejszy niż w przypadku materiałów tradycyjnych wpływ na rozkład energetyczny podczas realizacji konstrukcji.

Zastosowanie w budownictwie i inżynierii

Zbrojenie kompozytowe, które możesz nabyć w różnych sklepach i hurtowniach, na przykład e-kompozyty.pl wyróżnia się przede wszystkim lekkością, dużą wytrzymałością i odpornością na korozję, dzięki czemu znajduje zastosowanie zarówno przy naprawach istniejących obiektów, jak i przy wznoszeniu nowych. W praktyce często wykorzystuje się je do wzmacniania budynków, mostów czy innych konstrukcji osłabionych przez korozję, uszkodzenia mechaniczne lub ogólne zużycie materiału – pozwala to przywrócić nośność i przedłużyć żywotność obiektu.

W nowych realizacjach kompozyty umożliwiają projektowanie lżejszych i bardziej efektywnych konstrukcji. Szczególnie popularne są zbrojenia powstałe w procesie pultruzji, które bywają stosowane jako zamiennik stalowych prętów zbrojeniowych w elementach betonowych – przykładowo w mostach, tunelach czy halach.

Przewaga kompozytów ujawnia się zwłaszcza w trudnych, agresywnych środowiskach: są odporne na działanie wilgoci i chemikaliów, dlatego nadają się do konstrukcji morskich, basenów chemicznych, oczyszczalni ścieków i innych obiektów narażonych na korozję. Z tego powodu znajdują też zastosowanie w branżach takich jak przemysł okrętowy, chemiczny czy energetyka, gdzie ważna jest trwałość i niezawodność materiałów.

Zalety i wady w porównaniu ze stalą

Pręty kompozytowe coraz częściej wymienia się jako najbardziej obiecującą alternatywę dla zbrojenia stalowego – poniżej znajdziecie najważniejsze zalety i ograniczenia, które warto mieć na uwadze przy projektowaniu i realizacji konstrukcji.

Zalety:

• niższa masa – pręty kompozytowe mogą być choćby 9 razy lżejsze od stalowych, co ułatwia transport i montaż oraz obniża koszty logistyczne,
• wysoka wytrzymałość – zbrojenie kompozytowe wykazuje wytrzymałość rzędu 2,5x większej niż tradycyjna stal, dzięki czemu można stosować cieńsze pręty i jeszcze bardziej zmniejszać masę konstrukcji przy zachowaniu bezpieczeństwa,
• odporność na korozję – kompozyty nie ulegają rdzewieniu i są odporne na wilgoć, zasady, kwasy oraz inne czynniki chemiczne osłabiające stal,
• dłuższa trwałość – odporność na korozję zwykle przekłada się na dłuższą żywotność elementów zbrojonych prętami kompozytowymi,
• odporność na zmiany temperatury i warunków środowiskowych – pręty kompozytowe nie tracą istotnie swoich adekwatności przy dużych wahaniach temperatury i wilgotności,
• niższe koszty zakupu i eksploatacji w długim okresie – dzięki mniejszym kosztom konserwacji i transportu kompozyty często okazują się ekonomicznie korzystniejsze, choć ostateczna cena zależy od rodzaju włókien i żywic.

Ograniczenia i ryzyka:

• mniejsza plastyczność i większa kruchość – kompozyty bywają mniej plastyczne niż stal, co ogranicza ich użycie w konstrukcjach wymagających dużej elastyczności i odkształcalności,
• problemy z łączeniem i kotwieniem – w niektórych zastosowaniach technika łączenia lub zakotwienia prętów kompozytowych jest trudniejsza i wymaga specjalistycznego podejścia w projektowaniu i montażu,
• niska przewodność elektryczna i cieplna – zaleta pod względem izolacji, ale w niektórych konstrukcjach brak przewodności może stanowić problem,
• brak ugruntowanych norm i doświadczenia – zbrojenia kompozytowe to wciąż stosunkowo nowa technologia – procedury projektowe i praktyczne doświadczenie są w fazie rozwoju w porównaniu ze stalą,
• wrażliwość na uszkodzenia mechaniczne – kompozyty mogą być mniej odporne na niektóre typy uszkodzeń (np. uderzenia), co wymaga ostrożnej obsługi i zabezpieczeń podczas transportu i montażu.

źródło: materiał partnera, artykuł sponsorowany