Внешние строительные металлоконструкции часто эксплуатируются в неблагоприятных условиях. Среди негативных факторов - резкие температурные колебания, высокая влажность окружающего воздуха, наличие коррозионно активных сред. Производители таких конструкций пытаются повысить их долговечность за счёт использования защитных покрытий, применения нержавеющих сталей или цветных сплавов, например, алюминия или дюралюминия. Однако стальные металлоконструкции отличаются высоким собственным весом (что ограничивает полезную нагрузку), алюминиевые – низкой несущей способностью, а изделия из сплавов меди или никеля – высокой стоимостью. В то же время уровень развитие металлургических технологий и доступность высококачественной металлопродукции вторичной переработки повышает интерес заказчиков к деформируемым титановым сплавам. Установка титановых металлоконструкций особенно выгодна в прибрежных районах.

Некоторые физико-механические характеристики деформируемых титановых сплавов приведены в таблице:

Вот таблица с указанными параметрами:

Титановые сплавы можно разделить на три категории: α-сплавы (с гексагональной плотно упакованной структурой), α + β сплавы и β-сплавы (с центрированная кубическая структура). Эти категории описывают происхождение кристаллографической микроструктуры. Легирующие элементы обычно можно классифицировать как α или β стабилизаторы, и они могут изменять микроструктуру и механические свойства.

Титановая продукция отечественного производства доступна в виде листов, пластин, труб, катанки, а также плакированных стальных пластин. Перечень основных ГОСТов включает:

• 23755-79 (плиты).
• 22178-76 (листы).
• 26482-85 (прутки).
• 24890-81 (электросварные трубы).
• 22897-86 (бесшовные трубы холодного деформирования).
• 21945-78 (трубы горячей прокатки).
• В число популярных запросов потребителей входят также проволочные канаты, сетки, просечно-вытяжной металл, а также строительные метизы - болты, гайки, гвозди, заклёпки и т.п.

Специалисты и исследователи, работающие в корпорации Nippon Steel, небезосновательно считают титан идеальным материалом для строительного использования. При этом цена продукции редко когда является лимитирующим фактором.

Коррозионная стойкость сплавов титана обусловлена формированием пассивной поверхностной оксидной плёнка, толщина которой составляет несколько десятков ангстрем. Несмотря на столь малую толщину, такая плёнка характеризуется чрезвычайной прочностью, стабильностью и долговечностью. Благодаря чрезвычайно высокой термодинамической активности титановые сплавы обладают прочной силой связывания с кислородом. Поэтому любой локализованный разрыв в оксидной плёнке немедленно самовосстанавливается.

Противокоррозионная стойкость сплавов титана сохраняется в морской воде, где всегда присутствуют анионы хлоридов. Даже при высокой концентрации сплавы не подвергаются точечной или щелевой коррозии. Эта же особенность свойственна и сварных швам, образующимся на строительных конструкциях в процессе их монтажа. В связи с этим сварные швы и прочие зоны термического влияния в холоднодеформированных титановых элементах не теряют коррозионной стойкости.

Поверхность металла стабильна также против воздействия кислотных дождей, в каплях которых всегда присутствуют частицы NOx и SOх. Та же особенность выявлена и при эксплуатации металлоконструкций, устанавливаемых вблизи минеральных горячих источников.

Фактические результаты в области строительства и результаты испытаний на воздействие показывают, что титановые сплавы являются наиболее перспективными именно в приморском гражданском строительстве. Он имеют большой потенциал в применении как футеровка для защиты стальных конструкций от коррозии.

Несмотря на малую плотность, титановые сплавы хорошо показывают себя при эксплуатации в условиях сложного напряжённо-деформированного состояния, когда на строительную конструкцию воздействуют одновременно напряжения изгиба, сдвига, кручения и разрыва. Японскими учёными выполнены фундаментальные исследования прочности деформируемых титановых сплавов, на основании результатов которых выделены следующие области практического использования данных материалов в строительстве: 2. Стальные пластины с титановым покрытием, используемые для выкладки брызг в приливной зоне стальных пирсов. Пример – мост на побережье Токийского залива, общий вид которого представлен на рис. 1. 3. Композитная защита бетонных элементов от коррозии при помощи титановой футеровки (см. рис. 2). 4. Сваи смотровых пирсов или нефтяных буровых установок (см. рис. 3). 5. Применение титановой фольги в качестве органической клейкой ленты (см. рис. 4). 6. Защита от газовой коррозии, особенно газопроводов, которые прокладываются под водой или в грунтах с повышенной влажностью (см. рис. 5). 7. Кровельные каркасы, где проектом предусмотрены бетонные композитные панели водостоков (см. рис.6). 8. Туннели и другие подземные пространства значительной площади (см. рис. 7).

Рисунок 1 – Мост как часть шоссе через Токийский залив

Рисунок 2 – Защитная пластина с креплением титановыми болтами

Известны также факты удачного применения титановых сплавов в качестве материала опор противопожарного оборудования, корпусов датчиков влажности воздуха и пр.

Обычно защитная футеровка применяется в сочетании с традиционной окраской (в атмосферной зоне) и катодной защитой (в погруженной зоне). Методы, посредством которых подкладка титана фиксируется или соединяется с основнойй конструкцией, , могут быть классифицированы следующим образом:

Рисунок 3 -Защищённые сваи аквапарка на реке Гудзон (США)

Рисунок 4 – Титановая лента с органической клейкой основой

Рисунок 5 – Газопроводы с защитной титановой футеровкой

Рисунок 6 – Кольцевые бетонные элементы крыши бассейна, футерованные титаном

• Метод, при котором стальная пластина с титановым покрытием приварена к стальной конструкции, подлежащей защите;
• Метод, при котором титановая подкладка используется вместе с ингибитором коррозии, например, петролатумом, а впоследствии фиксируется болтами и гайками. Этот метод может быть применён к коррозионной защите существующих свай стальной трубы;
• Метод, посредством которого защитная лента титановой плёнки применяется непосредственно к защищаемому элементу строительной конструкции;
• Метод, предусматривающий облицовку поверхности титановым листом, после чего зазор заполняется бетоном или другим подобным отвердевающим материалом.

Рисунок 7 – Общий вид одного из тоннелей киевского метро (Украина) до проектирования титановыми пластинами

Во внимание принимают также: Сложность технического обслуживания (в том числе, трудоёмкость монтажных работ, составляющих значительную часть общей стоимости проекта;

• Предусматривается ли строительство постоянных вспомогательных сооружений (рекомендуется);
• Степень надёжности эксплуатации;
• Соответствие эстетическим потребностям.

Окончательный выбор метода осуществляется, исходя из экономических соображений, поскольку стоимость любого вида титановой продукции всё же достаточно высока. У большинства людей производство титана ассоциируется с дорогостоящей технологией. Титан дороже, чем конструкционная и нержавеющая сталь, но следует учесть, что стоимость материала составляет лишь небольшую часть общей стоимости мероприятий по его строительному применению. Поэтому справедливо считается, что количество армирующего материала ограничено, а преобладающая часть затрат связана с рабочей силой и трудоёмкостью установочных операций.

Количество применений титановых сплавов в гражданском строительстве постоянно увеличивается. Это следствие двух важных фактов: во-первых, стоимость титана за последние десятилетия резко снизилась, а, во-вторых, участившиеся случаи обрушения объектов гражданской инфраструктуры высветили недостатки использования традиционных строительных сталей в конструкциях, подверженных интенсивному воздействию внешней среды.

Подобные объекты имеют расчетный срок службы, как правило, намного дольше, чем любое другое применение, аэрокосмическое или медицинское. Во многих развитых странах бетонные мосты, построенные во время экономического бума 1950-х и 1960-х годов, часто имели недостаточную стальную арматуру и нуждались в ремонте или замене Тем не менее, такие мосты всё ещё используются, а издержки замены велики (не только с точки зрения экономических затрат, но и с точки зрения выбросов углерода и низкой устойчивости). Поэтому в последнее время титан часто используется для восстановления и продления срока службы мостов. Исследования, проведенные в Университете штата Орегон (США), показали, что общая стоимость титанового укрепления бетонного моста Мозье (см. рис. 8) составила менее 3% от предполагаемой стоимости замены моста и на 30% ниже, чем восстановление, которое могло быть выполнено с использованием альтернативных материалов. Используя уникальные свойства титана - высокую прочность и коррозионную стойкость было получено наиболее экономичное решение.

Рисунок 8 – Мост Мозье (графство Wasco, штат Орегон), построенный в 1920 году

Ситуация со старыми каменными конструкциями или инфраструктурами более сложна не только из-за доиндустриальных методов, использовавших для их строительства, но и из-за их длительного проектного срока службы, часто превышающего 100 лет. В Европе несколько веков назад было построено очень большое количество каменных зданий и объектов. Политика правительств заключается в том, чтобы сохранять их не только из-за их культурной и социальной ценности, но и потому, что повторное использование объектов имеет значительные преимущества с точки зрения сокращения выбросов CO2 по сравнению с новым строительством. В этом контексте долговечность армирующих материалов даже важнее других характеристик.

Старые каменные здания, часто построенные из цельного кирпича или каменной кладки, обычно проектировались в прошлом с минимальным учетом или без учета воздействия сейсмических нагрузок. Недавние разрушительные землетрясения в Италии, Греции, Японии и других регионах мира ясно продемонстрировали, что эти каменные конструкции особенно восприимчивы к инерционным силам, возникающим во время землетрясений. Плохая долговечность старых каменных зданий привела к тому, что комитеты по стандартизации значительно увеличили требования норм и правил для боковой поддержки существующих каменных зданий. С каждым новым землетрясением, особенно когда оно нанесло значительный ущерб культурному наследию, стратегии укрепления интенсивно обновляются. Тем не менее, существующие каменные здания остаются под угрозой, потому что эти исторические сооружения не могут быть достаточно улучшены, чтобы соответствовать текущим стандартам для новых каменных конструкций.

Каменные сооружения продолжают демонстрировать надёжные конструкционные характеристики, но они в основном ограничены гравитационными статическими нагрузками.

Основной проблемой материала кладки является его низкая, практически незначительная, прочность на разрыв. На основании того, что кирпичная кладка скрепляется в единую массу раствором и блоками, иногда её считают однородным материалом. Однако кирпичная кладка – это однозначно сочетание разных материалов, и это определяет эксплуатационные характеристики кладки как составного конструктивного элемента.

Механические свойства составляющих материалов, а также их взаимодействие при возведении объекта оказывают существенное влияние на его поведение. В то время как камни, особенно твёрдые, и кирпич обычно демонстрируют удовлетворительные/хорошие механические свойства, как при сжатии, так и при растяжении, раствор в старых конструкциях всегда изготавливается из извести. В результате прочность растворана сжатие обычно колеблется от 1 до 5 МПа, а его прочность на разрыв и сцепление редко превышает 0,1–0,15 МПа. Кроме того, сцепление раствора с блоком часто бывает очень слабым, особенно когда сборка подвержена напряжениям сдвига или растяжения; Его прочность даже меньше, чем прочность раствора на разрыв.

В исторических зданиях часто обнаруживаются трещины при растяжении в результате сейсмических событий низкой интенсивности. Наблюдаются также проседания и оседания грунта из-за сезонных изменений содержания влаги и температурных профилей в фундаментах.

В конце 90-х годов в качестве жизнеспособного метода модернизации исторических каменных конструкций было предложено использование композитных материалов). В частности, большой объем исследований был проведен для оценки структурной реакции каменных конструкций, армированных эпоксидным стеклопластиком. Оказалось, что, хотя композитные материалы способны увеличивать сейсмическую стойкость элементов каменной кладки, долговечность этих конструкций оказалась невысокой. Явления механической деградации, отслаивания от кладки и разрушения трещинами наблюдались на кирпичной кладке, армированной стеклопластиком, уже через несколько лет после нанесения.

Еще одним существенным недостатком такого способа армирования является х низкая прочность строительной конструкции на сдвиг и разрыв объясняется это тем, что в восстановительных технологиях нелегко располагать волокна таким образом, чтобы нагрузки на армированную каменную конструкцию только активировали прочность композитной арматуры на разрыв. Малые нагрузки сдвига могут привести к преждевременному растрескиванию композита, особенно при использовании в виде полос и листов из стеклопластика.

Использование изотропного материала, например, титанового сплава, может решить эту проблему. Прочность данного металла на сдвиг существенно выше, чем у любого другого композитного материала. Это может упростить расчетную нагрузку, а также устранить неопределенности, связанные с направлениями действия усилий.

Использование титановых сплавов в строительстве имеет и малоизученные стороны. Например, пассивирующая плёнка может значительно уменьшать сцепление металла с другими материалами. Например, трубы из титанового сплава демонстрируют значительно меньшую прочность сцепления со строительным раствором по сравнению с углеродистой сталью. Эту и иные проблемы необходимо решать более эффективно.

Тем не менее, положительные стороны использования деформируемых сплавов титана при строительстве и реконструкции различных объектов побуждают учёных, а также профильных специалистов-практиков к решению этих и других вопросов. Поэтому темпы применения данных материалов будут постоянно нарастать.

1. Titanium USA 2018 Conference. In Proceedings of the Titanium Expo, Las Vegas, NV, USA, 7–10 October 2018.
2. Corradi, M.; Borri, A.; Costanzi, M.; Monotti, S. In-plane behavior of cracked masonry walls repaired with titanium rods, ticompdyn. In Proceedings of the 7th ECCOMAS Thematic Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering, Crete, Greece, 19–24 June 2019.
3. EN 1992-1-1; Eurocode 2: Design of Concrete Structures. Europea Commitiee for Standardization: Brussels, Belgium, 2004.
4. Swimswam. Available online: https://swimswam.com/what-is-the-resistance-of-titanium-in-the-pool-environment/ (accessed on 16 August 2021).
5. Adkins, J.; George, W. Titanium finds a home in civil engineering. Concr. Int. 2017, 39, 51–55.
6. Higgins, C.; Knudtsen, J.; Amneus, D.; Barker, L. Shear and Flexural Strengthening of Reinforced Concrete Beams with Titanium Alloy Bar. In Proceedings of the 2nd World Congress on Civil, Structural, and Environmental Engineering (CSEE’17), Barcelona, Spain, 2–4 April 2017.
7. Higgins, C. Titanium Reinforcing for Strengthening RC Bridges. In Proceedings of the 32nd International Bridge Conference (IBC 2005), Pittsburgh, PA, USA, 7–11 June 2015.
8. Borri, A.; Corradi, M. Architectural heritage: A discussion on conservation and safety. Heritage 2019, 2, 631–647.
9. Научно-исследовательский институт общественных работ Министерства строительства и Японская ассоциация по стальным трубчатым сваям: Руководство по защите от коррозии морских сооружений и комментарии. 1990.
10. Японская ассоциация содействия исследованиям в области строительства: Отчет об исследовании оценки фактического воздействия моря. Март 1988 г.
11. Японский научно-исследовательский институт общественных работ, Министерство строительства и др.: Совместный отчёт о технологиях повышения долговечности морских сооружений. Структуры. Март 1990 г.