ТЕХНОЛОГИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ АРМАТУРЫ

В процессе разработки технологии стеклопластиковой арматуры в Институте строительства и архитектуры Госстроя БССР (на базе разработок Харьковского Промстройниипроекта) выполняли лабораторные исследования, затем изготовляли опытные модели узлов технологической линии по производству стеклопластиковой арматуры, изготовляли опытные партии арматуры, изучали ее свойства, исследовали технологические причины, порождающие различные дефекты арматуры, разрабатывали способы их устранения, изыскивали методы повышения качества арматуры.
 На первом этапе исследований в основу производства стеклопластиковой арматуры был положен традиционный принцип непрерывного изготовления стеклопластиков — размотка стеклянного волокна, его подсушка, пропитка связующим, формование профиля поперечного сечения стеклопластика, полимеризация связующего. Включив в этот принцип способ придания арматурному стержню периодического профиля поперечного сечения, создали модель технологической линии ТЛСПА1.
По этому принципу в 1963 г. на Полоцком заводе стеклянного волокна было организовано опытное производство стеклопластиковой арматуры диаметром 3 ... 6 мм из волокна алюмоборо силикатного состава и эпоксифенольного связующего. Арматуру поставляли в различные научно исследовательские организации для изучения ее свойств и совместной работы с бетоном.
 В результате этих исследований было доказано, что стеклопластиковая арматура, вырабатываемая на Полоцком заводе, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к арматуре для бетонных предварительно напряженных конструкций, однако ее химическая стойкость и прочность не были достаточно высокими. Основной причиной низкой химической стойкости арматуры, вырабатываемой по традиционному принципу изготовления стеклопластиков, оказалась низкая плотность структуры композиционного материала. Вследствие этого химические реагенты поражали не только поверхность арматуры, но и проникали внутрь, поэтому происходило одновременное поражение всего объема арматурного стержня. Скорость снижения прочности арматуры при воздействии агрессивных сред была весьма значительной. Этим доказано, что традиционный принцип изготовления стеклопластиков без модернизации не пригоден для получения арматуры.
 Попытки получения стеклопластиковой арматуры с комплексом требуемых свойств без совершенствования традиционного способа выработки стеклопластика не дали положительных результатов. В этой связи были продолжены исследования по совершенствованию технологии изготовления арматуры. В результате этих работ в 1969 г. была изготовлена вторая модель технологической линии ТЛСПА2 для выработки высокопрочной арматуры, стойкой к воздействию агрессивных сред и обладающей необходимыми электротехническими свойствами. В технологическую линию ТЛСПА2 были включены дополнительные операции, которые обеспечили параллельность расположения в арматурном стержне стеклянного волокна и устранение его разнодлинности, надежную пропитку волокна связующим, практически полное удаление летучих веществ из полимера перед формованием арматурного стержня, повышение плотности структуры арматуры за счет многоступенчатого горячего формования профиля поперечного сечения, плавность и стабильность температурного режима полимеризации связующего, дополнительную защиту арматуры пленочными покрытиями, наносимыми на поверхность стержня.
 Внесение дополнительных операций в традиционный принцип изготовления стеклопластиков позволило значительно повысить прочность, коррозионную стойкость и диэлектрические свойства арматуры, вырабатываемой из стандартного алюмоборосили катного волокна и эпоксифенольного связующего. Поэтому техникоэкономическая эффективность использования арматуры также существенно повысилась, и целесообразность ее использования для армирования строительных конструкций стала несомненной.
 Технологическая схема процесса изготовления стеклопластиковой арматуры
Процесс производства арматуры начинается со сматывания из магазина 1 первичной стеклянной нити с бобин или жгута из стеклянного волокна с поковок. Следует отметить, что при изготовлении арматуры из первичного волокна прочность ее за счет меньшей разнодлинности отдельных элементарных волокон выше прочности арматуры, изготовляемой из жгута. Однако при этом число бобин, располагаемых в магазине со стеклянным волокном, значительно больше, чем поковок со жгутом, что существенно усложняет процесс контроля за обрывом нитей. Например, для изготовления арматуры диаметром 6 мм из первичной нити в 400 сложений в магазине должно быть расположено 1300 бобин, а из жгута в 60 сложений из этой же нити — только 22 поковки. При изготовлении арматуры из первичной нити после сматывания с бобин волокно проходит через натяжители 2 для устранения разнодлинности нитей.
При изготовлении арматуры из жгута разнодлинность волокна устраняется путем притормаживания поковок при их вращении. При этом на всех поковках устанавливается примерно равное усилие натяжения сматываемого жгута — около 10 ... 15 Н на жгут. После сматывания волокно распределяется в тонкую ленту шириной до 80 мм и направляется в электрическую печь 3 для удаления замасливателя с поверхности и из микродефектов волокна при температуре около 200°С.
Затем тонкая лента из стеклянного волокна поступает в ванну 4 со связующим для пропитки волокна полимером. Ванна заполняется полимерным связующим, разбавленным спиртацетоновой смесью для уменьшения его вязкости и, как следствие, улучшения пропитки волокна. Ванна подогревается. Температура связующего в ванне 30°С. В ванне лента в процессе движения захватывает связующее на свои плоскости. При их загибе на полированной металлической колодке, установленной при выходе из резервуара, происходит принудительное вдавливание полимера в натянутую, слегка напряженную ленту из стеклянного волокна.
После пропитки связующим лента направляется в электрическую печь  для удаления летучих компонентов (спирта и ацетона) из связующего. Удаление летучих производится при температуре 80 ... 90°С, после чего при той же температуре осуществляется горячее формование поперечного сечения стержня.
В формовочном узле  последовательно расположено пять-семь фильер с постепенно уменьшающимися диаметрами отверстий. Обжатие арматурного стержня в последовательно установленных фильерах обеспечивает получение плотной структуры стеклопластикового арматурного стержня. Для качественного уплотнения арматурного стержня отверстиям в фильерах по их длине придана коническая форма.
Установлено, что при выходе незаполимеризованного арматурного стержня из фильеры диаметр его несколько увеличивается, поэтому диаметр отверстия каждой последующей фильеры на входе несколько больше, чем на выходе в предыдущей. Каждая фильера в формовочном узле имеет автономный регулируемый электронагрев.
За формовочным узлом расположен обмотчик, в котором производится спиральная обвивка "сырой” заготовки стержня крученой нитью из стеклянного волокна, пропитанной связующим. При обмотке нить натянута с определенным усилием, благодаря чему она вдавливается в тело стержня. За счет этого арматура получает дополнительное уплотнение. Стержень, обвитый спиральной нитью, приобретает периодический профиль, который в дальнейшем обеспечивает надежное, сцепление арматуры с бетоном. Шаг спирали обвивочной нити устанавливается в пределах 2 ... 4 мм и зависит от диаметра арматуры.
 После придания арматуре периодического профиля она поступает в электропечь  для полимеризации связующего. И зоне полимеризации устанавливается плавно повышающийся температурный режим от 90 до 180°С. В конце зоны температура постепенно снижается до 50 . . . 60°С. Следует отметить, что температурный режим в зоне полимеризации зависит от диаметра арматуры, скорости протяжки, длины зоны полимеризации, вида связующего. Необходимость плавного изменения температурного режима в процессе полимеризации связующего определяется следующими соображениями.
При поверхностном нагреве арматурного стержня резкое повышение либо снижение температуры окружающей среды вызывает нежелательные температурные напряжения в поперечном сечении арматуры. При этом наблюдаются неравномерность температурных деформаций в материалах, со, ставляющих стеклопластик, и, как следствие, нарушение структурной целостности связующего на контакте полимер — волокно. В результате этих явлений в связующем могут образоваться мелкие трещины.
Тонкая арматура диаметром до 8 мм после прохождения зоны полимеризации при помощи ведомого поворотного колеса направляется в вертикальный участок технологической линии для нанесения на ее поверхность пленочных полимерных покрытий с целью повышения коррозионной стойкости арматуры при воздей ствии агрессивных сред.
При этом случайно оставшиеся поры и каналы в арматурном стержне перекрываются тонкими пленками, которые препятствуют прониканию агрессивных сред к стеклянному волокну, расположенному в теле арматуры. На стержень, расположенный горизонтально, пленочное покрытие постоянной толщины по всему периметру стержня нанести невозможно, так как в начале процесса полимеризации будет происходить стекание связующего, в результате чего толщина пленки по периметру стержня будет неравномерной. В связи с этим для нанесения пленочных покрытий в технологическом процессе изготовления арматуры устраивается вертикальный участок.
Для нанесения пленочных покрытий в вертикальном участке линии последовательно располагаются резервуары со связующим. В днищах резервуаров для предупреждения вытекания связующего монтируются резиновые уплотняющие фильеры. Стержень, пройдя резервуар, направляется в вертикальные печи, в которых пленочное покрытие полимеризуется.
Для надежной защиты стержня наносятся два пленочных покрытия. В технологическом процессе изготовления стеклопластиковой арматуры обеспечиваются автоматический контроль и регулирование температурного режима во всех обогреваемых узлах технологической линии с точностью ±1,5°С. После нанесения и полимеризации покрытий тонкая проволочная арматура сматывается на барабан.
Арматурные стержни диаметром 10 мм и более с менее развитой относительной поверхностью и, как следствие, более коррозионностойкие, пройдя печи полимеризации, расположенные в горизонтальном участке технологической линии, траковым тянущим устройством  направляются на стол с дисковой пилой 15 для резки стержней, а затем стержни требуемой длины поступают на склад арматуры. Управление траковым тянущим устройством, узлом обмотки и барабаном для сматывания арматуры выносится на центральный пульт. Скорости протяжки арматуры и шага обмотки стеклянной нитью регулируются также с пульта управления технологической линии. Резка арматурных стержней больших диаметров выполняется автоматически. Процесс автоматизации резки арматуры заключается в следующем. На заданном расстоянии, равном требуемой длине арматурных стержней, устанавливается концевой пускатель. Стержень, направляемый траковым устройством, концом упирается в пускатель, включает электродвигатель дисковой пилы, которая отрезает стержень необходимой длины (например, 6, 12, 18, 24 м).
Во время резки стержня диск пилы перемещается траковым устройством со скоростью протяжки стержня. В технологической линии может быть предусмотрена одновременная параллельная протяжка нескольких арматурных стержней через все узлы технологической линии. Таким образом, технологическая линия может быть одноканальной или многоканальной. Благодаря автоматизации процесса производства арматуры и одновременной протяжке стержней по нескольким параллельным каналам увеличивается производительность линий, сокращаются число обслуживаемого персонала и потребление электроэнергии.
 При проектировании технологических линий число каналов не следует принимать более десяти. В противном случае магазин со стекловолокном будет очень большим, ширина линии окажется более 1 м, поэтому обслуживание технологической линии значительно усложнится.
Как следует из изложенного выше, технологический процесс изготовления арматуры состоит из относительно большого числа последовательных операций, причем многие из них направлены на получение плотной структуры стеклопластика. К числу таких операций следует отнести равномерное натяжение стекложгу та, принудительную запрессовку полимера в тонкие ленты из стеклянного волокна, удаление части летучих компонентов до начала процесса полимеризации, повышение плотности структуры стержня путем многоступенчатого горячего формования, дополнительное уплотнение стержня спиральной обмоткой и обеспечение плавного температурного режима полимеризации связующего. За счет повышения плотности структуры значительно снижается водопоглощение арматуры и, как следствие, повышается ее химическая стойкость. Повышение прочности и модуля упругости арматуры в технологическом процессе достигается также за счет повышения числа стеклянных волокон и устранения их разнодлинности.
Технологическая линия ТЛ-СПА-3 для производства стеклопластиковой арматуры
Использовав опыт выработки арматуры на опытной одноканальной технологической линии ТЛСПА2, в ИСиА Госстроя БССР запроектировали ив 1972 г. построили первую полупромышленную многоканальную технологическую линию ТЛСПА3. На этой линии вырабатывается арматура диаметром 3...12 мм. Линия построена в четырехканальном варианте. Расстояние между осями каналов принято равным 100 мм. Мно гоканальность линии позволяет сократить расход электрической энергии, требуемой для выработки арматуры, увеличить производительность, уменьшить производственную площадь. Общая длина технологической линии (без магазина и тянущего устройства) 25 м. Узлы пропитки и подсушки сырой ленты, фильерный узел, обмотчики и электрические печи зоны полимеризации для удобства обслуживания смонтированы на станине из стального уголкового профиля. Управление технологическим оборудованием линии осуществляется с центрального автоматизированного пульта. Арматура вырабатывается из жгута и эпоксифенольного связующего. Обычно используется алюмоборосиликатное волокно диаметром 9 ... 11 мкм. По специальным заказам изготовляются опытные партии арматуры из других видов волокон и связующих, для чего на линии могут устанавливаться различные скорости протяжки и температурные режимы. Скорость протяжки на ТЛСПАЗ может изменяться от 2 до 100 м/ч, температура во всех узлах линии изменяется автономно в диапазоне 30 . .. 200°С с точностью регулирования ±3°С. В качестве электрических нагревателей в узлах и печах технологической линии использована лента, сотканная из стеклянного волокна с константановой проволокой. Обогревательная лента монтируется на съемных или выдвижных каркасах, что облегчает их осмотр и ремонт. Арматура на четырехканальной линии протягивается двумя сматывающими тянущими механизмами или траковым механизмом. Тянущее устройство состоит из двух барабанов диаметром 1200 мм, на которые сматывается арматура одного диаметра из двух каналов (рис. 8). Скорость вращения обоих барабанов одинакова. Траковое устройство протягивает стержневую арматуру диаметром более 8 мм. Одновременно на технологической линии ТЛСПА3 в четырех каналах может вырабатываться арматура одного либо двух разных диаметров. При протяжке арматуры двух диаметров скорости вращения тянущих устройств будут разные. Арматура диаметром до 8 мм сматывается в мотки. Длина арматуры в мотке до 200 м (рис. 9). По специальному заказу в моток можно сматывать 3000 м и более. Арматура диаметром более 8 мм (рис. 10) разрезается на отдельные стержни длиной до 24 м. В узле обмотчиков в каждом канале устанавливается обмотчик с автономным электродвигателем, который располагается вертикально. На оси электродвигателя имеется коническая шестерня, она вращает в разные стороны два диска, стоящие параллельно. В центре дисков через отверстие протягивается арматурный стержень. На окружности каждого диска диаметрально расположены две сменные катушки с намотанной и пропитанной связующим крученой стеклонитью. Катушки вращаются на осях и притормаживаются прижатием пружины к диску. При вращении дисков арматурный стержень обматывается нитями с определенной степенью натяжения, при этом получают двойную перекрестную спиральную обмотку. Такая обмотка рекомендуется для арматуры больших диаметров. Если на диске установить одну катушку, то арматурный стержень будет обмотан одиночной винтовой спиралью. Изменяя скорость вращения дисков, можно установить требуемый шаг обмотки, т.е. шаг периодического профиля арматуры. В узле пропитки волокна по оси каждого канала располагаются четыре ванны со связующим. Ширина ванн 90, длина 700 мм. Днища и стенки ванн двойные, заполненные маслом. Ванны устанавливаются на нагреватель. Содержание связующего в стеклопластиковой арматуре на технологической линии ТЛСПА3 регулируется плоской отжимной фильерой, которая установлена при выходе ленты из ванны со связующим. От количества связующего в значительной степени зависят прочностные характеристики арматуры и ее водопоглощение. Из табл. 1 видно, что при содержании связующего 19—20% стеклопластиковая арматура обладает наиболее высокой прочностью и низким водопоглощением. Исследованиями установлено , что при температуре ниже 25°С пропитывающее свойство связующего в связи с повышением его вязкости резко ухудшается. В этом случае изза малой подвижности связующего происходит лишь частичное заполнение промежутков между волокнами. Микроскопические исследования поперечных срезов таких образцов свидетельствовали о том, что в них есть полости между стеклонитями, в которых отсутствует связующее. Микроскопическая картина образцов арматуры, пропитанных связующим при 30°С, подтверждает равномерное распределение полимера по всему сечению стеклопластика. Этими же исследованиями доказано, что при температуре 30°С старение связующего протекает так же, как и при 20°С, а при температуре 40°С жизнеспособность его существенно сокращается и оно становится непригодным для изготовления арматуры. В связи с изложенным температура связующего в ванне на ТЛСПА3 принята равной 30°С. В состав эпоксифенольного связующего для снижения его вязкости и, как следствие, улучшения пропиточных свойств вводится в качестве растворителя спиртацетоновая смесь. Как указывалось раньше, для обеспечения хорошей структуры стеклопластика до начала полимеризации связующего в арматурном стержне растворитель должен быть удален. В этой связи на участке подсушки ’’сырой” ленты (см. рис. 5, зона удаления летучих) в зависимости от скорости протяжки должен быть обеспечен требуемый температурный режим, который на ТЛСПА3 был определен на основании кривых (рис. 31) и данных по кинетике отверждения связующего Л Из рис. 11 видно, что скорость удаления растворителей из связующего, их остаточное содержание в стеклопластиковой арматуре зависят от температуры подсушки ”сырой” стеклопластиковой ленты. Так, в ленте, высушенной при температурах 80 и 90°С, остается до 4% растворителя, а при 70°С — до 7%. Кинетические исследования показали, что после подсушки связующего при температуре 70 и 80°С его гельфракция (отвержденная, заполимеризованная часть) полностью отсутствует, а при термообработке ленты при 90°С обнаруживается до 3% нерастворимой фракции. Поэтому температура в зоне подсушки была установлена 80 . . .90°С. В формовочном многофильерном узле с автономным обогревом конических фильер происходят следующие процессы: формуется профиль поперечного сечения арматуры, при этом обеспечивается максимальное уплотнение системы ’’волокнополимер", заканчивается равномерное распределение связующего в поперечном сечении арматурного стержня, происходит дальнейшее удаление летучих веществ. Поэтому в фильерном узле связующее должно обладать достаточной подвижностью, которая достигается, во первых, наличием остаточного количества растворителя, выполняющего роль пластификатора, и, вовторых, почти полным отсутствием гельфракции. Анализируя данные, полученные при изучении кинетики отверждения связующего, и учитывая особенности формования профиля поперечного сечения арматуры с различным содержанием остаточного растворителя, установили, что температура формования стержня при низких скоростях протяжки не должна превышать 90°С. В противном случае в фильерном узле гелеобразо вание приводит к тому, что система полимера в целом становится более жесткой и связующе? прилипает к стенкам фильер. Температурный режим в зоне полимеризации на ТЛСПА3 подбирался для получения наиболее плотной трехмерной структуры связующего. Известно, что в создании окончательной структуры полимера важную роль играет структура, образующаяся на первых стадиях ее формирования. Вместе с тем, непременным условием для получения материала с высокими физикохимическими и физикомеханическими показателями является протекание процесса отверждения со скоростью, максимально приближающейся к скорости установления структурного равновесия. В связи с изложенным выше был разработан плавный режим повышения температуры в печах зоны полимеризации технологической линии, обеспечивающий на всех этапах необходимые условия для протекания релаксационных процессов перегруппировки молекул в целях наиболее благоприятного процесса структурообразования полимера. Температурные параметры разработанного режима полимеризации 90, 100, 110, 120, 135, 150,180°С, затем плавное охлаждение. Кинетика формирования структуры стеклопластиковой арматуры диаметром 6 мм на технологической линии ТЛСПА3 представлена на рис. 12. Одним из условий получения стеклопластиковой арматуры является непрерывность процесса, при котором должны быть обеспечены необходимые условия формирования структуры полимера с момента пропитки волокна связующим до завершения процесса полимеризации. В связи с этим длина отдельных узлов технологической линии для выработки арматуры должна обеспечивать завершенность процессов на каждом участке этой линии. Это обстоятельство потребовало изучения влияния скорости протяжки арматуры при разработанном оптимальном температурном режиме на физикомеханические характеристики и химические свойства арматуры. При изменении диаметров арматуры должны устанавливаться скорости протяжки, обеспечивающие высокое качество арматуры. В качестве примера в табл. 2 приведено влияние скорости протяжки на ТЛСПА3 арматуры диаметром 6 мм при оптимальном температурном режиме на ее физикомеханические и физикохимические свойства. Из табл. 2 видно, что увеличение скорости протяжки снижает содержание связующего, уменьшает степень полимеризации (отверждения полимера), увеличивает водопоглощение и снижает прочность арматуры. Наиболее высокие характеристики у арматуры, полученной при низких скоростях протяжки, однако при скоростях 10 и 20 м свойства арматуры отличаются незначительно. Производительность же технологической линии при скорости протяжки 20 м/ч увеличивается в два раза. Поэтому в процессе отработки технологического режима на ТЛСПА3 скорость протяжки стеклопластиковой арматуры диаметром 6 мм была принята равной 20 м/ч. Получить наиболее благоприятную структуру полимера в арматуре можно при наличии равномерного температурного поля в отверждаемом материале, поэтому нами было изучено распределение температуры по сечению стержня. При этом было установлено, что на линии ТЛСПА3 обеспечивается равномерное температурное поле в материале. Как указывалось выше, оптимальная скорость протяжки арматуры определяется ее диаметром и, кроме того, формой профиля поперечного сечения. На ТЛСПА3 при замене фильер в формовочном узле можно выработать арматуру в виде полосы с разными размерами поперечного сечения и других профилей. Для каждого профиля и размеров его поперечного сечения (диаметра), а также вида полимерного связующего на ТЛСПА3 отработаны технологические режимы, обеспечивающие требуемое качество арматуры. Следует отметить, что незначительные отклонения от установленных режимов существенно снижают качество арматуры. В этой связи на полупромышленном образце линии ТЛСПАЗ применены автоматический контроль и регулирование температурного режима во всех узлах линии. На промышленных установках должна быть обеспечена полная автоматизация контроля и регулирования процесса производства арматуры.