Физико-механические свойства стеклопластиковой арматуры в основном определяются свойствами стеклянного волокна, т.е. основного ’’рабочего” материала арматуры. Это обстоятельство предопределяется, во первых, относительно низким (в 6—7 раз меньше, чем у стеклянного волокна) значением модуля упругости связующего и, во вторых, небольшим содержанием полимера в стеклопластике (около 20% по массе).
При повышении температуры проявляются пластические свойства связующего. В этой связи степень участия полимера в работе арматурного стержня снижается и, как следствие, повышается роль стеклянного волокна. При химическом воздействии различных реагентов на стеклопластиковую арматуру наблюдаются проникание жидкой либо газообразной фазы через связующее к стеклянному волокну и затем его разрушение. Поэтому коррозионная стойкость арматуры также определяется в основном свойствами волокна.
В связи с этим качество арматуры следует изучать в тесной зависимости от свойств стеклянного волокна, которые изложены в главе I монографии. В настоящей главе приводятся свойства арматуры, изготовленной из алюмоборосиликатного волокна и эпоксифенольного связующего.
Прочность и деформативность арматуры*
Прочность и деформативность стеклопластиковой арматуры исследовались при растяжении и сжатии, т.е. при воздействиях, которые она воспринимает в строительных конструкциях и изделиях. Для исследования прочностных и деформативных свойств арматуры при кратковременном растяжении испытывались образцы арматуры при температуре окружающей среды около 20°С и относительной влажности 50 ... 60%.
Длина рабочей зоны (расстояние между захватами разрывной машины), как и для стальной арматуры, принималась не менее 30 диаметров образца и не менее 200 мм. Нагружались образцы плавно, ступенями примерно через 0,1 Рразр Длительность нагружения одной ступени составляла около 30 с.
После каждой ступени нагружения индика Исследовакия выполнялись в ИСиА Госстроя БССР К.В. Зеленским и Л Я. Самосюк. торами часового типа замерялись удлинения образца на базе 100 мм с точностью t0,05 мм. В расчет принимались образцы, разрушенные в рабочей зоне. Значения начального модуля упругости определялись по линейному участку диаграммы деформаций растяжения при напряжениях 0,2 . . .0,5 69р (предела прочности).
Для определения кратковременной прочности арматуры и модуля упругости при сжатии испытывались короткие образцы диаметром 6 мм. Рабочая длина образца (расстояние между захватами) принималась равной 10 мм. После закрепления испытуемого образца в захватах с четырех сторон устанавливались индикаторы часового типа, по которым центрировались сжимающие усилия по физической оси стеклопластикового стержня. При этом усилие обжатия образца доводилось до 0,2 длр .
После центровки нагрузка к образцу прикладывалась ступенями, примерно равными 0,1 разр, В процессе нагружения замерялись деформации образца и фиксировалась разрушающая нагрузка. По этим данным определялись кратковременный предел прочности и модуль упругости стеклопластиковой арматуры при сжатии.
На растяжение испытывались образцы арматуры, изготовленные из первичного стеклянного волокна, обычного жгута в 20 и 40 сложений, а также из жгута ровинга в 30 и 60 сложений Наибольшую прочность имеет арматура, изготовленная из первичной нити. Арматура же, выработанная из обычного жгута, обладает самой низкой прочностью. Прочность арматуры из жгута ровинга, в котором устранена раз подлинность нитей, будет выше. В связи с тем, что при выработке арматуры из первичной нити требуется большой объем магазина для стекловолокна и усложняется контроль обрыва нитей, стеклопластиковую арматуру следует изготовлять из жгутаровинга в 30 сложений. При большом числе каналов технологической линии можно использовать жгут в 60 сложений.
Модуль упругости стеклопластиковой арматуры также в некоторой степени зависит от вида стеклянного волокна, из которого изготовляется арматура. Наибольшее значение начального модуля упругости арматуры получено при использовании первичного волокна. При выработке опытных партий арматуры изучалась возможность изготовления арматуры одновременно из нескольких видов стеклянного волокна. Например, арматуру диаметром 6 мм вырабатывали, используя жгутровинг в 30 и 60 сложений. При испытании такой арматуры было установлено, что разрыв образцов происходит двухстадийно, а их прочность оказывается низкой. Вначале разрывается часть волокна из жгута в 30 сложений, а затем в 60.
Отсюда следует вывод, что в арматурном стержне лучше использовать только один вид стеклянного волокна. Диаграмма ’’напряжение — деформация” стеклопластиковой арматуры (рис. 13) практически прямолинейна вплоть до разрыва. Диаметр арматуры существенно влияет на значение временного сопротивления стеклопластиковой арматуры. Чем тоньше арматура, тем выше ее прочность. Прочность арматуры диаметром 3 мм достигает 1800 МПа, а диаметром 12 мм — только 1050 МПа. Поэтому с увеличением диаметра арматуры требуется повышенное ее содержание в конструкциях, что ведет к удорожанию конструкций. С другой стороны, при использовании стеклопластиковой арматуры для армирования конструкций, эксплуатируемых под воздействием агрессивных сред, целесообразно использовать арматуру больших диаметров с менее развитой относительной поверхностью (поверхностью, приходящейся на единицу площади поперечного сечения).
Химическая стойкость арматуры больших диаметров будет выше, чем тонкой, так как относительная поверхность ее значительно меньше, а скорость химического разрушения арматуры в определенной степени определяется площадью ее поверхности. Таким образом, долговечность конструкций при восприятии агрессивных воздействий с увеличением диаметра арматуры будет увеличиваться, а их стоимость на единицу эксплуатационного времени — уменьшаться. В конструкциях, в которых арматура не подвергается химическому разрушению, следует использовать арматуру небольших диаметров с меньшей стоимостью единицы прочности. Поэтому при проектировании конструкций со стеклопластиковой арматурой следует назначать оптимальные диаметры арматуры, которые определяются экономическими соображениями и зависят от функционального назначения конструкций. Влияние диаметра арматуры на прочность при растяжении можно объяснить следующим.
Стеклопластик является композиционным материалом, состоящим из стеклянных волокон, склеенных полимерным связующим. Деформативность его в несколько раз выше, чем стеклянного волокна. При испытании образцов стеклопластиковой арматуры на разрывной машине усилие, обжимающее стержень в захватах, воспринимается стеклянными волокнами, расположенными на поверхности стержня, а затем через прослойки связующего передается волокнам, находящимся в его сердцевине. В связи с этим при растяжении образца наибольшие деформации получают волокна на поверхности стержня, так как за счет повышенной деформативности слоев полимерного связующего происходит некоторое смещение крайних волокон относительно волокон, расположенных ближе к центру испытуемого образца (без нарушения сцепления волокон с полимером), поэтому напряжения в стеклянных волокнах по диаметру стержня от его поверхности к центру уменьшаются. Разрушение образцов начинается с разрыва наиболее напряженных стеклянных волокон, расположенных по периметру стержня, а затем за счет перераспределения напряжений происходит разрыв волокон в оставшемся сечении стержня.
В процессе экспериментального исследования прочности и деформативности образцов стеклопластиковой арматуры на разрывных машинах было установлено, что разрушение их начинается, как правило, с разрыва оплеточной нити, образующей периодический профиль поперечного сечения. Затем следует разрыв отдельных волокон в поверхностном слое по всей длине рабочей части испытуемого стержня, после чего происходит более интенсивное разрушение волокон по периметру стержня с распространением к его центру, при этом рост нагрузки прекращается и наступает разрыв стержня с образованием ’’метелки”.
Некоторые стержни разрываются в одном сечении подобно разрыву стальной арматуры без образования ’’метелки”. Особенно четко послойное разрушение арматуры нами наблюдалось при разрушении стержней диаметром 12 мм. В некоторых из них после разрыва волокон в поверхностном слое происходило проскальзывание неразрушенной сердцевины стержня по слою полимерного связующего. Степень изменчивости механических свойств стеклопластиковой арматуры определялась путем статистического анализа контрольных испытаний образцов
Из приведенных данных следует, что механические свойства стеклопластиковой арматуры обладают неоднородностью, зависящей от числа сложений жгута. Поэтому значения браковочного минимума временного сопротивления арматуры из жгута в 30 сложений приняты 1420 МПа, а в 60 сложений — 1190 МПа, т.е. ниже их минимальных граничных значений, соответственно равных 1449 и 1264 МПа.
Из данных следует также, что механические характеристики и однородность арматуры из жгута в 30 сложений несколько выше, чем арматуры из жгута в 60 сложений, поэтому жгутровинг в 30 сложений предпочтительнее для изготовления стеклопластиковой арматуры, особенно при армировании наиболее ответственных конструкций. Низкое значение модуля упругости стеклопластиковой арматуры (примерно в четыре раза меньшее, чем стальной) предопределяет использование ее только в предварительно напряженных конструкциях, так как в конструкциях без предварительного напряжения полное использование прочности арматуры невозможно: жесткость таких конструкций будет низкой.
При создании предварительно напряженных конструкций из низкомодульных материалов (полимербетонов, древесины, пластмасс), обладающих повышенной ползучестью, низкий модуль стеклопластиковой арматуры следует рассматривать как одно из ее преимуществ по сравнению со стальной, так как потери предварительного напряжения в стальной арматуре конструкций из перечисленных материалов достигают больших значений и эффект предварительного напряжения либо снижается, либо исчезает.
Химическая стойкость арматуры*
При изучении химической стойкости стеклянного волокна и стеклопластиков многие исследователи за критерий принимают изменение массы образцов при воздействии агрессивных сред. Для исследования стойкости арматуры такая методика не может быть использована, так как полученные результаты не позволят оценить потери прочности арматуры, т.е. ее работоспособность при восприятии растягивающих напряжений.
Также совершенно несостоятельна и методика определения стойкости по изменению внешнего вида образцов, т.е. цвета, состояния поверхности и т.д. Наиболее приемлемым критерием при изучении химической стойкости арматуры следует считать прочностный критерий, который комплексно выражает связь физико-химических и механических свойств материала. Этот критерий при изучении стойкости арматуры и был принят определяющим.
Для ускорения и облегчения испытаний опытных образцов арматуры Н.А. Мощанским было предложено испытывать короткие образцы арматуры на изгиб. Однако, как показали результаты испытаний, разрушение таких образцов происходило из-за нарушения целостности сжатой зоны изгибаемых образцов, что не отражало действительной работы арматуры в конструкциях. Ее связи с этим прочностные характеристики арматуры следует определять при их испытании на разрыв.
Для уменьшения влияния неоднородности арматуры по длине на разброс опытных данных образцы каждой партии брались из одного мотка арматуры. Длина образцов для испытания принималась равной 700 . . . 800 мм. Для обеспечения расположения места разрыва образца между захватами, т.е. в средней рабочей его части, концы испытуемых образцов на 250 мм перед погружением в агрессивные среды усиливались стеклопластиковым жгутом, пропитанным полимерным связующим, с последующей полимеризацией либо покрывались слоем горячего парафина. Подготовленные образцы стеклопластиковой арматуры перед испытанием (погружением в агрессивную среду) подвергались кондиционированию — выдерживались в течение нескольких суток при постоянном температурно-влажностном режиме (температура 202°C, относительная влажность воздуха 65±5%).
После кондиционирования для каждой партии арматуры определялись основные характеристики — объемная масса, содержание связующего, степень полимеризации и водопоглощение. Затем образцы помещались в различные агрессивные среды на 7, 10 сут, на 1, 3, б, 12, 24 мес и более. После воздействия агрессивной среды образцы извлекались из растворов, выдерживались на воздухе 10—12 ч и испытывались на прочность при разрыве, при этом определялись модуль упругости и относительное удлинение перед разрывом. Одновременно со стеклопластиковой арматурой воздействию агрессивных сред подвергалась стальная высокопрочная арматура также диаметром 3 мм.
Характеристики сравнительной стойкости стеклопластиковой и стальной арматуры во времени были получены с помощью сопоставления результатов кратковременных прочностных испытаний образцов арматуры до погружения в агрессивные среды и после длительной выдержки в них. Проникание растворов агрессивных реагентов к основному рабочему материалу стеклопластиковой арматуры, т.е. к стеклянному волокну, через полимер происходит по имеющимся в нем трещинам, порам и каналам, а также за счет диффузии реагента через полимер.
Процесс диффузии молекул жидкости через межмолекулярные дырки в полимере к стеклянному волокну носит замедленный характер и продолжается около 50 .. .60 сут. За этот период происходит заполнение его микродефектов на поверхности стеклянного волокна и наблюдается активное снижение прочности арматуры за счет расклинивающего эффекта жидкости в трещинах на поверхности стеклянного волокна. В этот период происходит химическое поражение волокна в процессе его взаимодействия с агрессивной средой.
На основании результатов, полученных при испытании арматуры, построен график сравнительной химической стойкости стеклопластиковой и стальной арматуры. На графике по вертикальной оси фиксируется прочность арматуры через г сут в процентах предела прочности арматуры до испытания, т.е. (бс/6в ) 100%, где dr—прочность арматуры после г сут воздействия агрессивной среды; бьр— временное сопротивление арматуры разрыву до испытания в агрессивной среде. Из графика следует, что в первые 50 . . .60 сут происходит интенсивное снижение прочности стеклопластиковой арматуры, затем этот процесс замедляется и приобретает прямолинейный характер. Снижение прочности стальной арматуры происходит значительно активнее. Например, в 1 н растворе Н250 через 50 . . .60 сут стальная арматура полностью теряет прочность — разрушается, а стеклопластиковая теряет примерно 10%.
Прочность стеклопластиковой арматуры под воздействием 1 н раствора H2SO4 в течение 300 сут снижается на 15%, в течение 900 сут — на 20%. В растворе сильвинита за 50 . .. 60 сут прочность стальной арматуры практически не снижается, а стеклопластиковой — уменьшается на 5%. В насыщенном растворе сильвинита остаточная прочность стеклопластиковой арматуры через 900 сут составляет 90%, стальная арматура к этому времени разрушается. Таким образом, из графика следует, что долговечность стеклопластиковой арматуры значительно превышает долговечность стальной арматуры. Нами было обследовано через определенное время выдержки в таких условиях призмы раскалывались, арматура извлекалась и испытывалась на разрыв. Результаты исследования снижения прочности арматуры диаметром 3 мм без пленочного покрытия в бетоне на портландцементе, из которого следует, что в первые 50 . . .60 сут наблюдалось активное снижение прочности арматуры независимо от влажности бетона.
Необходимо напомнить, что в этот период одновременно происходило снижение прочности арматуры за счет химического процесса и расклинивающего эффекта, который возникал в результате заполнения влагой микротрещин, расположенных на поверхности волокна. В последующее время бетонные призмы, находившиеся в воздушно-сухих условиях, высыхали, происходило удаление влаги из микротрещин, поэтому прочность арматуры в этих призмах несколько повышалась. Однако прочность не достигала исходной по причине частичного разрушения волокна за счет химического процесса взаимодействия щелочи со стеклянным волокном во влажном вызревающем бетоне.
Затем процесс снижения прочности арматуры в этих призмах прекращался, причем потери прочности составляли около 10% исходной В призмах, расположенных над водой (относительная влажность 90 . . .100%), после первых 50 ... 60 сут снижение прочности арматуры продолжалось. За 600 сут снижение прочности арматуры в этом случае произошло примерно на 20%.
На основании результатов этого исследования необходимо сделать следующие выводы. Во первых, стеклопластиковую арматуру не следует применять в конструкциях, изготовленных из цементных бетонов и эксплуатируемых во влажном состоянии; во вторых, при проектировании конструкций из цементных бетонов со стеклопластиковой арматурой, которые эксплуатируются в воздушной среде с относительной влажностью более 70%, необходимо учитывать снижение прочности арматуры в течение всего времени эксплуатации таких конструкций; в третьих, при эксплуатации конструкций из цементных бетонов со стеклопластиковой арматурой в воздушной среде с относительной влажностью менее 70% следует учитывать снижение прочности арматуры на 10% на весь срок эксплуатации.
Влияние температуры и влажности на физико-механические свойства арматуры *
В процессе изготовления и эксплуатации бетонные конструкции со стеклопластиковой арматурой могут находиться в различных температурных и влажностных условиях. Например, при изготовлении таких конструкций для сокращения сроков твердения бетонов используется пропаривание.
При этом арматура подвергается совместному воздействию высоких температур и влаги. Кроме того, конструкции могут эксплуатироваться при отрицательных и положительных температурах. В условиях пожара конструкции испытывают одновременное воздействие высоких температур и огня. В связи с этим для обеспечения надежности конструкций необходимо знать способность арматуры противостоять нагреву и охлаждению, а также действию парообразной влаги.
В литературе имеются различные данные о влиянии температурных и влажностных условий на свойства стеклопластиков, в том числе и на термореактивном эпоксифенольном связующем. Однако по совокупности задач, которые решает арматура в бетонных конструкциях, ее роль совершенно не сопоставима с назначением стеклопластиков в машиностроении, судостроении и других отраслях техники. Например, исследование деформативности и прочности обычных стеклопластиков выполняется, как правило, на изгибаемых образцах, а арматура в бетоне воспринимает растягивающие или сжимающие напряжения.
Обычные исследования стеклопластиков на возгораемость не отражают состояние арматуры в бетоне при воздействии высоких температур и огня. Поэтому были проведены исследования влияния температурных и влажностных воздействий на физико-механические свойства стеклопластиковой арматуры, отражающие действительную работу арматуры в бетонных конструкциях. В процессе исследований физико-механических свойств стеклопластиковой арматуры при воздействии температур от —40 до +450°С испытаниям подвергалась арматура диаметром 3 и 6 мм, изготовленная из алюмоборосиликатного волокна на эпоксифенольном связующем.
Первая серия образцов арматуры испытывалась на разрыв в горячем и охлажденном состоянии. Вторая серия образцов после нагрева либо охлаждения выдерживалась в течение нескольких часов при температуре 20°С, а затем испытывалась. На графике за 100% приняты исходные свойства арматуры при 20°С. Для испытания образцов в горячем состоянии на пятитонной разрывной машине монтировалась электрическая печь, а в холодном — латунный сосуд, наполненный твердой углекислотой. После установки образца арматуры в электрической печи или в латунном сосуде он нагревался или охлаждался до заданной температуры. Затем образец в целях стабилизации температуры по всему его сечению выдерживался при этой температуре в течение 0,5 ч, после чего к образцу прикладывалось разрывное усилие. Как следует при снижении температуры прочность образцов арматуры первой серии возрастает и при температуре —40°С повышается на 35 . . .40%. В интервале отрицательных температур наблюдается упрочнение стеклопластика аналогично упрочнению стеклянного волокна по причине вымораживания адсорбционной влаги из микротрещин, расположенных на поверхности волокна. С повышением температуры прочность арматуры снижается. Это явление можно объяснить проявлением пластических свойств связующего, за счет чего более активно сказывается разнодлинность стеклянных волокон, так как происходит частичное выпрямление волокон на изогнутых участках.
При температуре выше 350°С начинается процесс деструкции связующего, а затем и стеклянного волокна, в связи с чем прочность арматуры снижается. Прочность арматуры предварительно выдержанной при температурах от —40 до+350°С, остается постоянной, так как подовано состояние железобетонных конструкций в реальных условиях эксплуатации на заводах синтетических волокон (кислая среда), на комбинатах и складах минеральных удобрений (солевая коррозия).
В процессе этих обследовании установлено следующее. На заводах синтетических волокон железобетонные конструкции подвергаются воздействию растворов серной кислоты различных концентраций, а также сероводорода, сероуглерода и сернистого газа. Под воздействием растворов серной кислоты происходит разрушение стальной арматуры, а также традиционного цементного бетона. Срок эксплуатации железобетонных конструкций в таких условиях не превышает 4... 5 лет.
Например, на кислотной станции Светлогорского завода искусственного волокна ребристые железобетонные панели перекрытий над технологическими тоннелями после каждых 4х лет эксплуатации заменяются. При воздействии солей на складах и комбинатах минеральных удобрений также наблюдается коррозия стальной арматуры в железобетонных конструкциях. Срок их службы в этих условиях сокращается до 7 лет. Таким образом, при замене железобетонных конструкций конструкциями из специальных коррозионностойких бетонов со стеклопластиковой арматурой представляется возможным существенно повысить их долговечность и обеспечить требуемые сроки эксплуатации промышленных зданий и сооружений.
Стойкость стеклопластиковой арматуры определяется видом агрессивной среды, причем воздействие кислот и щелочей оказывает наиболее разрушительное действие на арматуру. Известно, что в процессе твердения цементных бетонов и при их увлажнении образуется щелочная среда, поэтому стеклопластиковая арматура в цементных бетонах при определенной их влажности способна снижать прочность во времени.
Были проведены исследования влияния на стеклопластиковую арматуру среды различных бетонов, приготовленных на портландцементе и глиноземистом цементе. При этом установлено, что независимо от вида цемента во всех влажных бетонах происходит снижение прочности арматуры, а степень снижения зависит от влажности бетона. Стержни стеклопластиковой арматуры диаметром 3 мм закладывались в бетонные призмы, которые твердели либо в воздушносухих условиях при относительной влажности воздуха около 60%, либо над поверхностью воды (относительная влажность окружающей среды при этом составляла около 90 .. .100%), а часть призм погружалась в воду на несколько миллиметров процессы проявления пластических свойств полимера и вымораживания адсорбционной влаги в этом интервале температур носят обратимый характер.
С наступлением деструкции связующего и волокна при температурах выше 350°С прочность термообработанной арматуры резко снижается. Электротехнические свойства арматуры Электротехнические свойства стеклопластиковой арматуры, вырабатываемой в ИСиА Госстроя БССР, исследовались в Ленинградском политехническом институте имени М.И. Калинина. Испытывалась арматура диаметром 3 и 6 мм в исходном состоянии, т.е. в состоянии поставки, после выдержки в воде при температуре 20°С в течение 1 сут и после выдержки во влагокаме ре при температуре 40°С также в течение 1 сут. При этом измерялись электрическая прочность и электрическое сопротивление арматуры вдоль волокон. Результаты исследований приведены в табл. 5, из данных которой следует, что стеклопластиковая арматура в исходном, т.е. воздушно-сухом, состоянии обладает хорошими электротехническими свойствами и является диэлектриком.
СВОЙСТВА СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ АРМАТУРЫ
