Влияние комплексного воздействия эксплуатационных факторов на прочность стеклопластиковой арматуры

Печать

Авторы: А.Н. Блазнов, канд. техн. наук, Ю. П. Волков, А. Н. Луговой, В. Ф. Савин (ООО «Бийский завод стеклопластиков»)

Стеклопластиковая арматура при использовании ее в строительных конструкциях в процессе эксплуатации испытывает химическое воздействие со стороны агрессивных веществ, содержащихся в бетоне. Эта агрессивная среда имеет щелочную реакцию.

К настоящему времени накоплен достаточно большой объем, как отечественных [1-8,16], так и зарубежных [13-15] исследований изменения характеристик полимерных композиционных материалов (ПКМ) под воздействием агрессивных сред, в частности, щелочных, имитирующих щелочную среду, характерную для влажного бетона.

Анализируя эти исследования, следует отметить, что до настоящего времени нет устоявшейся или некой стандартной методики проведения испытаний на устойчивость полимерного композиционного материала, используемого в качестве строительного, к агрессивным, в частности щелочным, средам. Более того, нет единого взгляда на степень агрессивности среды и нет «стандартного» агрессивного раствора.

Так, зарубежные исследователи считают, что агрессивность среды влажного бетона можно охарактеризовать показателем рН=12 – 13 [13-15], отечественные оценивают ее от рН=12 до рН=13,5 – 14 (см. исследования, выполненные И. Н. Ахвердовым и Т. Е. Шалимо в институте строительства и архитектуры Госстроя БССР).

В качестве агрессивных сред при испытаниях используют:

- непосредственно влажный бетон (исследования, выполненные И. Н. Ахвердовым и Т. Е. Шалимо), сухой и влажный бетон [4];

- водные растворы NaOH различной концентрации от децинормальных [3], до 1,25-нормальных [5];

- насыщенные водные растворы Сa(OH)2 с рН=13 [13] или рН=12 [14].

Все испытания носят ускоренный характер. Для активизации процесса часто применяют нагрев агрессивных сред до 100°С [1], 80°С [13], 70°С [16], 55°С [4], 50°С [14,15].

Также, до настоящего времени нет признанных теоретических предпосылок и количественных зависимостей, позволяющих на основе проведенных ускоренных исследований спрогнозировать срок длительной эксплуатации испытанного материала в агрессивной среде:

- в работе [13] 50 лет эксплуатации имитировали (по утверждению авторов) выдержкой в течение 28 дней в насыщенном растворе Са(ОН)2 с рН=13 при температуре 80°С;

- в работе [14] испытания проводили в емкости со щелочной средой при температуре 50°С в течение 52 недель. Один день при данных условиях (по мнению авторов этой работы) соответствует 101 дню при естественных условиях. Результаты испытаний показывают, что срок службы арматуры в бетоне составляет примерно 100 лет;

- в работе [15] испытания проводили на образцах, помещенных в насыщенный раствор гидроксида кальция (рН=12) при температуре 50°С. Расчеты авторов показывают, что один день подобного воздействия эквивалентен по интенсивности более чем 100 дневному щелочному воздействию в бетоне при комнатной температуре. В этой работе утверждается, что таким образом, испытанные стеклопластиковые связи способны прослужить в бетоне более 47 лет.

Выводы, сделанные в работах по исследованию химической стойкости отечественной стеклопластиковой арматуры:

- характеристики качества арматуры, т.е. ее прочность, деформативность, однородность, химическая стойкость и пр., определяются свойствами исходных материалов, а также в значительной степени технологией изготовления арматуры. Поэтому для получения арматуры высокого качества этим вопросам должно быть уделено особое внимание [1, 5];

- при отсутствии пор на поверхности арматуры местные повреждения ее будут также отсутствовать и практически прочность арматуры под воздействием различных сред снижаться не будет [1];

- поры и трещины в исследованной арматуре были следствием применения эпоксифенольного связующего, содержащего в своем составе летучие вещества, испаряющиеся при полимеризации стеклопластика и приводящие к порообразованию. В качестве наиболее химически стойкого и прочного связующего можно использовать «чистую» эпоксидную смолу с отвердителем и пластификатором, не содержащую летучих веществ. Химическая стойкость арматуры на «чисто» эпоксидном связующем в несколько раз выше стойкости такой арматуры на эпоксифенольном и полиэфирном связующем [1];

- в НИИЖБ, ЮжНИИ, УралНИИЖБ и др. организациях изготовлены и исследованы опытные образцы различных напряженных конструкций со стеклопластиковой арматурой. Результаты проведенных исследований подтвердили надежную работу стеклопластбетонных конструкций - их несущая способность, жесткость и трещиностойкость удовлетворяют требованиям СНиП.

На основании проведенных работ Центральной лабораторией теории железобетона и новых видов арматуры НИИЖБ в 1964 году составлены данные для расчета стеклопластбетонных конструкций [1].

Одним из изделий, выпускаемых ООО «Бийский завод стеклопластиков» (БЗС), является стеклопластиковая арматура (СПА®), производимая в соответствии с ТУ 2296-001-20994511-02. Она разрешена к применению в строительстве техническим свидетельством, выданным управлением стандартизации, технического нормирования и сертификации Госстроя России. Арматуру используют в качестве гибких связей теплоэффективных трехслойных стеновых панелей или трехслойных стен, а также для изготовления распорно-силового элемента дюбельных соединений, применяемых для крепления теплоизоляционного слоя, штукатурного и защитно-декоративного слоев к фасадным поверхностям зданий в системах наружного утепления. СПА® также может быть использована для силового армирования железобетонных и каменных конструкций.

При разработке технологического процесса изготовления СПА® Бийским заводом стеклопластиков были учтены упомянутые выше выводы:

- СПА® изготавливают на «чисто» эпоксидном связующем;

- при производстве СПА® проведен комплекс мероприятий, повышающих степень пропитки стекловолокна связующим и снижающих пористость готового изделия.

Армирующим материалом в СПА®, производимой БЗС, являются ровинги из алюмоборосиликатного стекла (Е-стекла).

Поскольку в рассмотренных выше исследованиях не было испытано ни одного полимерного композиционного материала, выпускаемого отечественной или зарубежной промышленностью на основе Е-стекла и связующего на основе эпоксидных смол, Бийский завод стеклопластиков провел испытания своей продукции, причем в условиях близких к реальной эксплуатации.

Анализ работ [4-6] показывает, что, на первый взгляд, ровинг из базальтового волокна и ПКМ на его основе, более химически стойки к воздействию водного 1N (или 1,25 N) раствора NaOH, чем ровинг из Е-стекла и ПКМ на его основе. В тоже время, в работе [4], выполненной специалистами НИИЖБ, ОАО «НПО Стеклопластик» и ЗАО «МАТЕК», подчеркивается «…коррозионная стойкость полимерных композитов зависит от качества их изготовления и степени устойчивости связующего», кроме того, из анализа исследований, освещенных в работе [4], следует, что при выдержке в течение 180 суток в 1-нормальном растворе NaOH с температурой 55°С стеклопластиковая арматура на эпоксидном связующем является более стойкой к воздействию этой среды, чем базальтопластиковая (см. таблицу 2 в работе [4]).

Поэтому, целью наших исследований было подтверждение коррозионной стойкости СПА® в среде бетона и получение ответов на следующие вопросы:

- насколько агрессивным по отношению к СПА® является бетон, изготовленный с применением цементов, имеющих высокое содержание едких щелочей (до 1,2 % в пересчете на NaOH);

- в какой степени циклические температурные, циклические механические, а также технологические нагрузки на СПА® оказывают влияние на стойкость ее к агрессивному воздействию бетона с повышенным содержанием едких щелочей;

- вызывает или нет (и в какой степени) наличие постоянно действующей механической нагрузки на СПА® изменение ее стойкости к длительному агрессивному воздействию бетона с повышенным содержанием едких щелочей.

Контроль за проведением испытаний осуществляли: испытательная лаборатория ИЛ СМИК № 7 Испытательного центра «СибНИИстрой» (аттестат аккредитации № ГОСТ RU 9001.6.1.0061, зарегистрирован в Госреестре «27» августа 1999г.), эксперт ИЦ «Стройэксперт» д-р техн. наук, профессор СГУПС (г. Новосибирск) Устинов В.П.

Исследования были выполнены в два этапа. На первом этапе проведено ускоренное старение СПА® в среде бетона при температуре 50±0,5 ºС и влажности 97,5…98 % в течение трех месяцев с последующим определением прочностных характеристик СПА®. На втором этапе в течение одного года провели старение СПА® в среде бетона в климатических условиях открытой площадки города Бийска, с последующим определением прочности СПА®, прошедшей такое старение.

Степень изменения прочности СПА® оценивали сравнением прочности образцов, подвергнутых эксплуатационным воздействиям, с прочностью образцов, не подвергнутых таким воздействиям. В качестве критерия для оценки использовали коэффициент старения (Кст), представляющий собой величину отношения прочности СПА® после воздействия нагрузок к прочности СПА® в исходном состоянии. Прочность СПА® во всех случаях определяли нагружением образцов на трехточечный изгиб по методике, разработанной БЗС и описанной в ТУ 2296-001-20994511-02 (модификация метода по ГОСТ 25.604-82 для круглых образцов).

Для проведения испытаний использовали образцы из СПА® диаметром 7,5 мм. Общее количество использованных при испытаниях образцов - 270 шт. Из этих образцов 20 были предназначены для определения исходной прочности СПА®, а остальные для исследования стойкости СПА® к эксплуатационным воздействиям.

Перед проведением ускоренного и длительного старения 250 образцов подвергли воздействиям, моделирующим циклические температурные, циклические механические, а также технологические нагрузки на СПА®, которые, предположительно, могут оказывать влияние на стойкость ее к агрессивному воздействию среды бетона.

Циклическое термостатирование образцов производили путем нагрева их в воздушной среде до температуры плюс 45±2 ºС и последующего охлаждения сначала до комнатной температуры, а затем до минус 60±2 ºС.

Параметры одного цикла термостатирования:

- выдержка при температуре +45±2 оС - 4 часа;

- выдержка при температуре +23±2 оС - 4 часа;

- выдержка при температуре -60±2 оС - 4 часа;

- выдержка при температуре +23±2 оС - 4 часа;

Количество циклов такого изменения температуры десять.

Цель циклического термостатирования - вызвать (если это возможно) повреждение (растрескивание) находящейся на поверхности стекловолокна защитной пленки эпоксидного связующего. Такое повреждение могли бы вызвать, например, нагрузки, создаваемые разностью коэффициентов линейного расширения стеклоровинга и связующего.

По окончании циклического термостатирования 10 образцов испытали на прочность для оценки степени влияния этого вида нагружения на характеристики СПА®. Оставшиеся образцы направили на нагружение, моделирующее циклическое механическое воздействие при эксплуатации. Циклическое нагружение осуществляли путем вращения изогнутого образца вокруг его оси. Такая схема циклического нагружения описана, например, в работе [12].

Параметры циклического нагружения:

- форма цикла симметричная знакопеременная;

- амплитуда Rа=0,15·Rси(р),

где Rси(р) - среднее значение разрушающего напряжения при продольном изгибе образцов испытуемой партии арматуры в исходном состоянии [10, 11];

- частота 500 циклов в минуту;

- количество циклов 1000.

Температура при проведении циклических нагружений комнатная.

Циклическое механическое нагружение образцов производили для того, чтобы вызвать (если это возможно) растрескивание поверхностного слоя связующего, защищающего стеклянные волокна СПА® от проникновения щелочи. После циклических механических нагружений 10 образцов испытали на прочность для оценки влияния таких нагрузок на характеристики СПА®.

Оставшиеся образцы направили на испытания, моделирующие термовлажностную обработку (ТВО) и агрессивное воздействие среды бетона на СПА® при пропарке бетонных изделий.

Для испытаний на воздействие ТВО изготовили 10 бетонных блоков размером 80х200х270 мм, в каждый из которых заложили по двадцать три образца СПА®. Использовали мелкозернистый бетон состава Ц: П = 1 : 4 на основе портландцемента М400 Искитимского завода с содержанием растворимых Ка2О + Nа2О 7,9 % и кварцевого песка с Мкр=2,65, при этом в воду затворения добавляли такое количество NаОН, чтобы содержание едких щелочей было не меньше 1,2 % (в пересчете на NаОН).

Режим ТВО: 2 часа – выдержка при температуре заливки бетона (комнатной) +3 часа – нагрев (в камере ТВО) до температуры 85±5 ºС +6 часов – выдержка (в камере ТВО) при температуре 85±5 ºС +2 часа – охлаждение до комнатной температуры.

После завершения ТВО блоки извлекли из камеры и разрушили, таким образом, чтобы извлечь не повредив находящиеся в них образцы. Повреждений поверхности у образцов, прошедших ТВО, не обнаружено. Образцы приобрели тусклый оттенок (потеряли блеск).

От каждой блока отобрали по три образца и испытали на прочность.

В таблице 1 приведены результаты испытаний СПА® на прочность после действия предварительных нагружений.

Таблица 1

Вид воздействия на СПА®

Кст

Циклическое температурное воздействие

1,00

Циклические температурное и механическое воздействие

1,00

Циклические температурное и механическое воздействие и ТВО

1,01

Оставшиеся образцы (200 штук) разделили на десять групп по 20 образцов в каждой. Образцы каждой группы нагрузили продольным изгибом в специальных металлических рамках. Значения нагрузок (Rси) приведены ниже.

Rси=0,0·Rси(р) – 40 образцов (две группы по 20 образцов);

Rси=0,1 Rси(р) – 40 образцов (две группы по 20 образцов);

Rси=0,2 Rси(р) – 40 образцов (две группы по 20 образцов);

Rси=0,3 Rси(р) – 40 образцов (две группы по 20 образцов);

Rси=0,4 Rси(р) – 40 образцов (две группы по 20 образцов),

где Rси(р) - среднее значение разрушающего напряжения при продольном изгибе образцов испытуемой партии арматуры в исходном состоянии.

Примечание. Для того, чтобы оценить степень возможного изменения (вследствие релаксационных процессов) внутренних напряжений в образце, подвергнутом действию постоянной по величине изгибающей деформации, предварительно провели специальные испытания. Они показали, что снижение внутренних напряжений в образце в результате релаксации не превышает одного процента.

Рамки с нагруженными образцами залили бетоном того же состава, что и при испытании

на воздействие ТВО. Пять рамок с образцами (Rси=0,0·Rси(р), Rси=0,1·Rси(р), Rси=0,2·Rси(р), Rси=0,3·Rси(р), Rси=0,4·Rси(р)) направили на ускоренное старение при температуре 50±0,5 ºС и влажности 97,5…98 % в течение трех месяцев с последующим определением прочностных свойств СПА®. Другие пять аналогичных рамок поместили на открытую площадку в городе Бийске на один год.

После ускоренного старения образцы извлекали из рамок и разделяли на две равных группы. Первые группы образцов (по 10 шт. от каждой рамки) испытали на прочность сразу после выемки их из бетона. Вторые группы образцов высушили при температуре 160оС в течение 24 часов, охладили до комнатной температуры и испытали на прочность.

В таблице 2 приведены результаты этих испытаний.

Таблица 2.

Степень нагружения образцов

Характеристика степени увлажненности образцов

Кст

0,0 Rси(р)

без сушки

0,93

с сушкой

0,98

0,1 Rси(р)

без сушки

0,95

с сушкой

1,00

0,2 Rси(р)

без сушки

0,93

с сушкой

0,95

0,3 Rси(р)

без сушки

0,92

с сушкой

0,97

0,4 Rси(р)

без сушки

0,88

с сушкой

0,93

Образцы после выдержки на открытой площадке города Бийска в течение одного года аналогично были разделены на две равных группы и испытаны на прочность. В таблице 3 приведены результаты этих испытаний.

Таблица 3.

Степень нагружения образцов

Характеристика степени увлажненности образцов

Кст

0,0 Rси(р)

без сушки

0,98

с сушкой

1,01

0,1 Rси(р)

без сушки

0,99

с сушкой

1,02

0,2 Rси(р)

без сушки

1,00

с сушкой

1,01

0,3 Rси(р)

без сушки

0,94

с сушкой

1,00

0,4 Rси(р)

без сушки

0,97

с сушкой

0,99

Из приведенных выше результатов испытаний следует:

-предварительные нагружения арматуры, которые предшествовали длительному воздействию среды бетона, не изменяют механических характеристик СПА®;

- комплексное воздействие исследованных факторов не вызвало существенного изменения прочностных характеристик СПА®, изготавливаемой Бийским заводом стеклопластиков по ТУ 2296-001-20994511-02.

Восстановление характеристик при высушивании образцов свидетельствует о том, что на прочность СПА® влияет не столько химическое воздействие щелочной среды, сколько взаимодействие материалов, составляющих арматуру (связующее и наполнитель), с влагой. Так как при эксплуатации в реальных условиях периоды увлажнения бетона, а значит и СПА® будут сменяться периодами высыхания, в итоге следует ожидать, что при эксплуатации СПА® в реальных строительных конструкциях установится некоторое равновесное состояние, после которого характеристики СПА® стабилизируются. Результаты годичной выдержки образцов в бетоне в условиях воздействия естественного климата согласуются с этим предположением.

Поскольку, как было отмечено выше, в настоящее время не существует единого (стандартизованного) подхода к методу определения долговременной химической стойкости ПКМ, все методы, использованные авторами в работах [1, 4, 13-16], пригодны только для качественной оценки долговечности. По данным таких испытаний практически невозможно прогнозировать изменение механических показателей ПКМ в реальных условиях эксплуатации. Более надежным методом является проведение испытание ПКМ именно в условиях близким к натурным. Хотя такие испытания должны проводится в течение достаточно продолжительного времени (до нескольких лет), на их основании можно будет с достаточно высокой достоверностью прогнозировать стойкость ПКМ в агрессивной среде бетона. В настоящее время БЗС занимается исследованием коррозионной стойкости СПА®, подвергнутой постоянно действующей изгибной нагрузке, в среде бетона при термовлажностном воздействии по режимом, приведенным в таблице 4.

Таблица 4.

Температура, оС

Влажность, %

Длительность, год

Периодичность выемки, год

25±1

95…100

5

0,5; 1; 2; 3; 4; 5

30±1

95…100

4

0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4;

40±1

95…100

3

0,25; 0,5; 1; 1,5; 2; 3

50±1

95…100

2

0,125; 0,25; 0,5; 1; 1,5; 2

естественные климатические условия

10

0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 7,5; 10

Библиографический список

1. Н. П. Фролов Технология изготовления стеклопластиковой арматуры и некоторые ее свойства.//Бетон и железобетон, 1965, № 9. С. 5-8.

2. Л.Г. Кузнецова, Ю.С. Черкинский, Н.П. Фролов, С.С. Жаврид; Повышение стойкости стеклопластиковой арматуры// Бетон и железобетон, 1973 №3. С. 30-31.

3. Н.А. Мощанский О стойкости стеклопластиковой арматуры в бетоне.//Бетон и железобетон, 1965, № 9. С. 33-34.

4. Розенталь Н. К., Чехний Г. В., Бельник А. Р., Жилкин А. П. Коррозионная стойкость полимерных композитов в щелочной среде бетона. // Бетон и железобетон. 2002. №3. С. 20-23.

5. Далинкевич А. А., Гумаргалиева К. З., Суханов А. В., Асеев А. В; Кинетика старения базальтовых волокон в щелочной среде. // Пластические массы. 2002. №3. С. 7-10.

6. Далинкевич А. А., Гумаргалиева К. З., Суханов А. В., Асеев А. В; Кинетика старения базальтовых и некоторых стеклянных волокон в щелочной среде. // Пластические массы. 2002. №12. С. 23-26.

7. Воробьева Г. Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Изд. 2-е, пер. и дополн. М.: Химия», 1975, 816 с.

8. Альперин В. И., Корольков Н. В., Мотавкин А. В., Рогинский С. Л.; Конструкционные стеклопластики. М.: Химия, 360 с.

9. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1/Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. А. Б. Геллера, М. М. Гельмонта; Под ред. Б. Э. Геллера. М.: Машиностроение, 1988, 448 с.

10. Дарков А. В., Шпиро Г. С. Сопротивление материалов. Изд. 3. М.: Высшая школа, 1969, 734 с., с ил.

11. Александров А. В., Потапов В. Д., Державин Б. П. Сопротивление материалов. Изд. 2-е, испр. М.: Высш. шк., 2001, 560 с., с ил.

12. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов, Перевод с англ. под ред. С. В. Серенсена , М.: Машиностроение, 1964, 235 с.

13. Hughes Brothers Glass Fiber Reinforced Polymer Rebar. Hughes Brothers, 1997, 15 с.

14. Report Concerning the Tests Regard to the Alkaline Consistency of an Anchoring of Plastic Reinforced with Glass Fiber Concerning Three-Wythed Facade Panels According to the DEHA-TM System; Ramm, W.; November, 1992, 32 с.

15. Report Concerning Tests Regarding the Alkaline Durability of an Anchoring System Out of Reinforced Glass Fiber Plastic for Three-Layered Facade Panels According to the DEHA-TM System; Ramm, W.; January, 1993, 43 с.

16. Хозин Базальтопластиковые гибкие связи для трехслойных ограждающих конструкций, http://www.volgahim.ru/article2.html