Fundamenty – wybrać zbrojenie kompozytowe czy tradycyjną stal?

Stoisz przed wyborem zbrojenia fundamentów i zastanawiasz się, czy postawić na nowoczesny kompozyt, czy tradycyjną stal? Oba rozwiązania mają swoje zalety i wady, a ostateczna decyzja zależy od specyfiki projektu i budżetu. Sprawdź, jakie czynniki wziąć pod uwagę, by wybrać optymalne rozwiązanie!

Zbrojenie kompozytowe i stalowe – podstawowe różnice i właściwości

Podstawowa różnica między zbrojeniem kompozytowym a zbrojeniem stalowym wynika z materiału, z którego są wykonane. W konstrukcjach kompozytowych, zamiast metalu, stosuje się polimery wzmocnione włóknami (FRP). Najczęściej wykorzystuje się kompozyty z:

• Włókien węglowych (CFRP)
• Włókien szklanych (GFRP)
• Włókien aramidowych (AFRP)
• Włókien bazaltowych (BFRP)

Łączy się je z żywicami polimerowymi, takimi jak żywice epoksydowe, winyloestrowe lub poliestrowe.

Kolejną istotną cechą jest odporność na korozję. Zbrojenie kompozytowe (dostępne między innymi na stronie e-kompozyty) charakteryzuje się brakiem podatności na korozję, co eliminuje konieczność stosowania grubej warstwy otuliny betonowej, która jest wymagana w przypadku stali. Ponadto, kompozyty są znacznie lżejsze od stali – nawet dziewięciokrotnie – co w znaczący sposób ułatwia transport i montaż. Wytrzymałość na rozciąganie zbrojenia kompozytowego może być nawet 2 do 2,5 razy większa niż w przypadku stali konstrukcyjnej. Należy jednak pamiętać, że moduł Younga (moduł sprężystości podłużnej) jest zazwyczaj niższy, co może wpływać na odkształcenia konstrukcji.

W przeciwieństwie do stali, która dobrze przewodzi prąd i ciepło, kompozyty są izolatorami elektrycznymi i termicznymi. Z kolei stal zbrojeniowa, najczęściej węglowa lub niskostopowa, cechuje się wysoką wytrzymałością na rozciąganie i ściskanie. Jej wadą jest podatność na korozję, szczególnie w środowiskach agresywnych chemicznie. Właściwości stali można modyfikować poprzez dodawanie różnych pierwiastków stopowych, na przykład chromu i niklu w celu zwiększenia odporności na korozję, lub manganu i krzemu dla poprawy wytrzymałości. Stal zbrojeniowa występuje w różnych klasach wytrzymałości, takich jak A-III i B500SP, które definiują minimalną granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie. Stal zachowuje swoje właściwości mechaniczne nawet w wysokich temperaturach, czego nie można powiedzieć o żywicach polimerowych stosowanych w kompozytach.

Materiały kompozytowe – rodzaje włókien i ich właściwości

Różne rodzaje włókien stosowane w materiałach kompozytowych nadają im unikalne właściwości, co ma istotny wpływ na ich zastosowanie w zbrojeniach betonowych. Do najważniejszych należą włókna węglowe (CFRP), szklane (GFRP), aramidowe (AFRP) oraz bazaltowe (BFRP).

Włókna węglowe (CFRP) charakteryzują się bardzo wysoką wytrzymałością na rozciąganie oraz wysokim modułem sprężystości, co oznacza, że odkształcają się minimalnie pod wpływem obciążenia. Są odporne na korozję i działanie większości substancji chemicznych, jednak wykazują mniejszą odporność na uderzenia. Z kolei włókna szklane (GFRP) stanowią bardziej ekonomiczne rozwiązanie, oferując dobrą wytrzymałość na rozciąganie i odporność na korozję, choć ich moduł sprężystości jest niższy niż w przypadku włókien węglowych. Włókna szklane dzielą się na:

• Typ E (elektryczny) – cechuje się dobrymi właściwościami izolacyjnymi,
• Typ S (wytrzymałościowy) – charakteryzujący się podwyższoną wytrzymałością mechaniczną.

Włókna aramidowe (AFRP), takie jak Kevlar, wyróżniają się bardzo wysoką odpornością na uderzenia oraz dobrą wytrzymałością na rozciąganie. Są jednak bardziej podatne na degradację pod wpływem promieniowania UV i wilgoci. Ich moduł sprężystości sytuuje się pomiędzy wartościami dla włókien węglowych i szklanych. Natomiast włókna bazaltowe (BFRP), wytwarzane z naturalnej skały bazaltowej, posiadają dobre właściwości mechaniczne i są odporne na korozję oraz wysokie temperatury. Ich produkcja jest bardziej przyjazna dla środowiska niż produkcja włókien węglowych i szklanych. Właściwości kompozytu zależą również od rodzaju żywicy polimerowej, która spaja włókna. Możemy wyróżnić:

• Żywice epoksydowe – zapewniają wysoką wytrzymałość i odporność chemiczną, ale są droższe od żywic poliestrowych,
• Żywice poliestrowe – oferują dobrą odporność na korozję i są bardziej ekonomiczne,
• Żywice winyloestrowe – łączą natomiast zalety żywic epoksydowych i poliestrowych, oferując zarówno wysoką wytrzymałość i odporność na korozję, jak i niższą cenę w porównaniu do żywic epoksydowych.

Zalety tradycyjnego zbrojenia stalowego

Pomimo postępu w dziedzinie alternatywnych materiałów kompozytowych, tradycyjne zbrojenie stalowe wciąż oferuje szereg istotnych zalet. Stal wyróżnia się wysoką wytrzymałością na ściskanie, co jest szczególnie ważne w elementach konstrukcyjnych poddawanych obciążeniom pionowym, takich jak słupy i filary. Dodatkowo, wysoki moduł Younga stali gwarantuje minimalne odkształcenia pod wpływem obciążenia, co ma kluczowe znaczenie dla zachowania sztywności całej konstrukcji.

Kolejnymi atutami stali zbrojeniowej są:

• Powszechna dostępność – materiał jest łatwo dostępny,
• Bogate zasoby wiedzy – istnieje rozbudowana baza danych dotycząca jej właściwości mechanicznych, odporności na zmęczenie i pełzanie, a także sprawdzonych metod projektowania i wykonawstwa,
• Technologie łączenia – technologie łączenia prętów stalowych, takie jak spawanie i wiązanie, są dobrze opracowane i powszechnie stosowane w praktyce budowlanej.

Należy również podkreślić, że stal charakteryzuje się dobrą odpornością ogniową na działanie wysokich temperatur w krótkim czasie, co jest niezwykle istotne w przypadku pożaru, gdzie priorytetem jest utrzymanie nośności konstrukcji.

Stal zbrojeniowa jest materiałem stosunkowo niedrogim, zwłaszcza w porównaniu z kompozytami wykonanymi z włókien węglowych lub aramidowych. Co więcej, proces recyklingu stali jest dobrze rozwinięty i powszechnie praktykowany, co przyczynia się do ograniczenia negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Dobra przyczepność stali do betonu zapewnia skuteczne przenoszenie sił pomiędzy tymi dwoma materiałami, tworząc trwałą i efektywną współpracę.

Wady zbrojenia stalowego w kontekście fundamentów

Główną wadą zbrojenia stalowego jest jego podatność na korozję stali, szczególnie w warunkach gruntowych, co prowadzi do osłabienia prętów stalowych i generowania naprężeń w betonie. Wilgotne i agresywne czynniki chemiczne sprzyjają intensyfikacji tego procesu, w konsekwencji czego fundamenty mogą ulegać pęknięciom i degradacji.

Aby zminimalizować ryzyko korozji stali, konieczne jest zastosowanie odpowiednio grubej warstwy otuliny betonowej, co z kolei zwiększa zapotrzebowanie na beton i podnosi ogólne koszty budowy. Dodatkowo, powszechnie stosuje się specjalistyczne powłoki ochronne na pręty stalowe, takie jak cynkowanie lub pokrywanie farbami epoksydowymi, co również wiąże się z dodatkowymi kosztami. Stal charakteryzuje się dużą masą, co komplikuje transport i montaż, zwłaszcza w przypadku rozległych fundamentów. Co więcej, jako materiał dobrze przewodzący ciepło, stal przyczynia się do powstawania mostków termicznych, zwiększając straty ciepła z budynku i podnosząc koszty jego ogrzewania.

Kolejnym problemem jest przewodnictwo elektryczne stali, które w przypadku uszkodzenia izolacji i kontaktu z wodą gruntową może stanowić potencjalne zagrożenie. Agresywne substancje chemiczne obecne w gruncie, takie jak siarczany i chlorki, mogą znacząco przyspieszyć proces korozji stali, wpływając negatywnie na żywotność fundamentów. Wibracje i obciążenia dynamiczne, występujące w pobliżu linii kolejowych lub dróg o dużym natężeniu ruchu, mogą dodatkowo przyspieszać korozję stali. Koszty związane z konserwacją i naprawą skorodowanych fundamentów stalowych mogą być bardzo wysokie i obejmują wymianę zbrojenia, naprawy betonu oraz wdrożenie dodatkowych zabezpieczeń antykorozyjnych.

Materiał zewnętrzny