16.11.2008 20:16:54
Рассматриваются результаты исследованийстойкости стеклопластиковой арматуры(СПА), выпускаемой ООО «Бийский завод стеклопластиков», к воздействиюагрессивной среды бетона.
Стеклопластиковая арматура при использовании еёв строительных конструкциях в процессе эксплуатации испытывает химическоевоздействие со стороны агрессивных веществ, содержащихся в бетоне. Эта агрессивнаясреда является щелочной.
К настоящему времени накоплен достаточнобольшой объём как отечественных [2, 6, 8, 9, 11, 12, 15, 19, 20], так изарубежных [13, 14, 21] исследований изменения характеристик полимерныхкомпозиционных материалов (ПКМ) под воздействием агрессивных сред, в частности,щелочных, имитирующих щелочную среду, характерную для влажного бетона.
Анализируя данные этих исследований, следуетучитывать, что они проводились по различным методикам. Более того, нет единоговзгляда на степень агрессивности среды и нет «стандартного» агрессивногораствора. Так, зарубежные исследователи считают, что агрессивность средывлажного бетона характеризуется показателем pH = 12–13 [13, 14, 21], а отечественные — pH = 12–14. В качестве агрессивных сред при испытаниях используют:
— непосредственно сухой или влажный бетон [15];
— водные растворы NaOH различной концентрации от децинормальных [12] до 1,25-нормальных [8];
— насыщенные водные растворы Ca(ОН)2 с pH = 13 [21] или pH = 12 [13].
Все испытания носят ускоренный характер. Дляактивизации процесса часто применяют нагрев агрессивных сред до 100 [19], 80[21], 70 [20], 55 [15], 50 °C [13,14].
При испытаниях, описанных в работе [21],выдержка в течение 28 сут. в насыщенном растворе Ca(ОН)2 с pH = 13 при температуре80 °С имитировала, по расчётам испытателей, 50 лет эксплуатации. Испытания,описанные в работе в работе [13], проводили в ёмкости с щелочной средой притемпературе 50 °С в течение 52 недель. 1 сут. при данных условиях, по расчётамавторов работы, соответствуют 101 сут. при естественных условиях. Результатыиспытаний показывают, что срок службы арматуры в бетоне составляет примерно 100лет.
Испытания, описанные в работе [14], проводилина образцах, помещённых в насыщенный раствор гидроксида кальция (pH = 12) при температуре 50 °С. Согласно расчётамавторов, 1 сут. такого воздействия эквивалентен по интенсивности более чем 100сут. щелочного воздействия в бетоне при комнатной температуре. Утверждается,что испытанные стеклопластиковые гибкие связи способны прослужить в бетонеболее 47 лет.
Обобщая выводы, сделанные в работах поисследованию химической стойкости отечественной стеклопластиковой арматуры,можно утверждать:
— характеристики качества стеклопластиковойарматуры — её прочность, деформативность, однородность, химическая стойкость ипр. — определяются свойствами исходных материалов, а также технологиейизготовления арматуры. Поэтому для получения арматуры высокого качества этимфакторам должно быть уделено особое внимание [8, 19];
— при отсутствии пор на поверхности арматуры еёпрочность под воздействием различных сред снижаться не будет [19];
— поры и трещины в исследованной арматуре былиследствием применения эпоксифенольного связующего, содержащего в своём составелетучие вещества, которые испаряются при полимеризации стеклопластика иприводят к порообразованию. В качестве наиболее химически стойкого связующегоможно использовать «чистую» эпоксидную смолу с отвердителем и пластификатором,не содержащими летучих веществ. Химическая стойкость арматуры на «чисто»эпоксидном связующем в несколько раз выше стойкости такой арматуры наэпоксифенольном и полиэфирном связующем [19];
—результаты проведённых исследований подтвердилинадёжную работу стеклопластбетонных конструкций; их несущая способность, жёсткостьи трещиностойкость удовлетворяют требованиям СниП.
химическая стойкость арматурына «чисто» эпоксидном связующем в несколько раз выше стойкости такой арматурына эпоксифенольном и полиэфирном связующем
На основании проведённых центральной лабораториейтеории железобетона и новых видов арматуры НИИЖБ работ ещё в 1964 году былисоставлены данные для расчёта стеклопластбетонных конструкций [19].
Одним из изделий, выпускаемых ООО «Бийскийзавод стеклопластиков», является стеклопластиковая арматура (СПА), производимаяв соответствии с ТУ 2296-001-20994511-06. Она разрешена к применению встроительстве техническим свидетельством Росстроя. СПА используют в качествегибких связей теплоэффективных 3-слойных стеновых панелей или 3-слойных стен, атакже для изготовления распорного элемента стеновых и кровельных дюбелей. ТакжеСПА может быть использована для силового армирования железобетонных и каменныхконструкций.
При разработке технологического процессаизготовления СПА Бийским заводом стеклопластиков было учтено изложенное выше:
— СПА изготавливают на «чисто» эпоксидномсвязующем;
— при производстве СПА предусмотренымероприятия, повышающие степень пропитки стекловолокна связующим и снижающиепористость готового изделия.
Армирующим материалом в СПА, производимой БЗС,являются ровинги из алюмоборосиликатного стекла (Е-стекла).
В процессе исследования свойств СПА при запускееё в производство БЗС совместно с ведущими научными сотрудниками несколькихкафедр химического направления Алтайского политехнического университета испециалистами ОАО «УралНИАСЦентр», работающими в области химической стойкостистроительных материалов, была создана методика прогнозирования долговременнойстойкости стеклопластика в щелочной среде. Методика подробно описана в [17, 18].В результате ускоренных испытаний, проведённых в соответствии с этой методикой,спрогнозированы характеристики долговременной химической стойкости СПА,выпускаемой БЗС, и назначены значения коэффициента условий работы для различныхклиматических районов, указанных в ГОСТ 16350-80. В технических условиях на СПАи техническом свидетельстве Росстроя этот коэффициент обозначен ?сб. Значения коэффициента ?сб приведены в табл. 1.
Характеристика климатического района по ГОСТ 16350-80 | Коэффициент старения ?сб |
Очень холодный | 0,825 |
Холодный | 0,892 |
Арктический влажный | 0,951 |
Умеренно холодный | 0,776 |
Умеренный | 0,762 |
Умеренно влажный | 0,776 |
Умеренно тёплый | 0,675 |
Умеренно тёплый влажный | 0,776 |
Умеренно тёплый с влажной зимой | 0,635 |
Таблица1
Вышедший в 1999 году ГОСТ Р51372-99 [7]устанавливает методику ускоренных испытаний материалов на долговечность исохраняемость при воздействии агрессивных сред. Сравнительный анализпоказывает, что методика, по которой проведены испытания для определениякоэффициента ?сб, основанана тех же принципах и методологических подходах, что и методика, изложенная вГОСТ Р51372-99. Это подтверждает достоверность определения коэффициента ?сб.
Также Бийским заводом стеклопластиков былипроведены исследования коррозионной стойкости СПА в среде бетона с цельюполучения ответов на следующие вопросы:
— насколько агрессивным по отношению к СПАявляется бетон, изготовленный с применением цементов, имеющих высокоесодержание едких щелочей (до 1,2 % в пересчёте на NaOH);
— в какой степени циклические температурные,циклические механические, а также технологические нагрузки на СПА оказываютвлияние на её стойкость к агрессивному воздействию бетона с повышеннымсодержанием едких щелочей;
— вызывает или нет (и в какой степени) наличиепостоянно действующей механической нагрузки на СПА изменение её стойкости кдлительному агрессивному воздействию бетона с повышенным содержанием едкихщелочей.
Методика испытаний СПА подробно описана вработе [3].
В качестве критерия оценки использоваликоэффициент старения Кcт,равный отношению прочности СПА после воздействия нагрузок к прочности СПА висходном состоянии. Прочность СПА во всех случаях определяли нагружениемобразцов на 3-точечный изгиб.
Для проведения испытаний использовались образцыСПА диаметром 7,5. Перед воздействием щелочной среды образцы подвергливоздействиям, которые, предположительно, могут оказывать влияние на еёстойкость к агрессивному воздействию среды бетона. К таким воздействиямотносятся:
— циклические температурные. Их имитировали 10циклов изменения температуры от 45 до –60 °C;
— циклические механические. Их имитировали 1000циклов изгибной нагрузки с амплитудой Ra = 0,15R (R — среднее значение разрушающего напряжения припродольном изгибе образцов испытываемой партии арматуры в исходном состоянии[1. 10]). Методика создания изгибной нагрузки описана в работе [4];
— тепловлажностная обработка бетона,армированного СПА. Содержание щелочи в бетоне было специально доведено до 1,2%.
Образцы СПА, подвергнутые предварительнымнагружениям, нагрузили в специальных металлических рамках продольным изгибом созначениями Rch:
Rch = 0,0Rси(р) — 40 образцов (2 группы по 20 образцов);
Rch = 0,1Rси(р) — то же;
Rch = 0,2Rси(р) — то же;
Rch = 0,3Rси(р) — то же;
Rch = 0,4Rси(р) — то же.
Рамки с нагруженными образцами залили бетономтого же состава, что и при испытании на воздействие ТВО. 5 рамок с образцами (Rcи = 0,0Rси(р), Rcи = 0,1Rси(р), Rcи = 0,2Rси(р), Rcи = 0,3Rси(р), Rcи = 0,4Rси(р)) направили на ускоренное старение при температуре 50±0,5 °C и влажности97,5–98,0 % в течение 3 мес. Другие 5 аналогичных рамок поместили на открытуюплощадку (с навесом) в городе Бийске на один год.
После ускоренного старения и выдержки наоткрытой площадке образцы извлекали из рамок и разделяли на 2 равных группы.Первые группы образцов (по 10 шт. от каждой рамки) испытали на прочность сразупосле выемки из бетона. Вторые группы образцов высушили при температуре 160 °C в течение 24 ч, охладили до комнатнойтемпературы и испытали на прочность. В табл.2 приведены результаты этих испытаний.
Степень нагружения образцов | Степень увлажнённости образцов | Кcт | ||
Старение при 50 ±0,5 °C | Старение в естественных условиях | |||
0,0Rси(р) | ||||
без сушки | 0,93 | 0,98 | ||
с сушкой | 0,98 | 1,01 | ||
0,1Rси(р) | без сушки | 0,95 | 0,99 | |
с сушкой | 1,00 | 1,02 | ||
0,2Rси(р) | без сушки | 0,93 | 1,00 | |
с сушкой | 0,95 | 1,01 | ||
0,3Rси(р) | без сушки | 0,92 | 0,94 | |
с сушкой | 0,97 | 1,00 | ||
0,4Rси(р) | без сушки | 0,88 | 0,97 | |
с сушкой | 0,93 | 0,99 | ||
Таблица2
Из приведённых выше результатов испытанийследует:
— предварительное нагружение арматуры, котороепредшествовало длительному воздействию среды бетона, не изменяет механическиххарактеристик СПА;
— комплексное воздействие исследованныхфакторов не вызвало существенного изменения прочностных характеристик СПА БЗСпо ТУ 2296-001-20994511-06.
Восстановление характеристик при высушиванииобразцов свидетельствует о том, что на прочность СПА влияет не столькохимическое воздействие щелочной среды, сколько взаимодействие материалов,составляющих арматуру (связующее и наполнитель), с влагой. Так как при эксплуатациив реальных условиях периоды увлажнения бетона, а значит, и СПА, будут сменятьсяпериодами высыхания, в итоге следует ожидать, что при эксплуатации СПА вреальных строительных конструкциях установится некоторое равновесное состояние,после которого характеристики СПА стабилизируются. Результаты годичной выдержкиобразцов в бетоне в условиях воздействия естественного климата согласуются сэтим предположением.
на прочность СПА влияет нестолько химическое воздействие щелочной среды, сколько взаимодействиематериалов, составляющих арматуру (связующее и наполнитель), с влагой
С целью уточнения коэффициента ?сб Бийский заводстеклопластиков продолжает исследованием коррозионной стойкости СПА,подвергнутой постоянно действующей изгибной нагрузке, в среде бетона сповышенным содержанием щёлочи при термовлажностных режимах и силовыхвоздействиях, приведённых в табл. 3.
Температура, °С | Влажность, % | Нагрузки | Длительность, лет | Периодичность выемки, лет |
25 ±2 | 95–100 | 0,2Rси(р) 0,3Rси(р) 0,4Rси(р) | 10 | 1; 2,5; 5; 7,5; 10 |
35 ±2 | 95–100 | 7,5 | 0,7; 1; 2,5; 5; 7,5 | |
45 ±2 | 95–100 | 4 | 0,7; 1; 2; 3; 4 | |
5 ±2 | 95–100 | 3 | 0,25; 1; 1,5; 2; 3 | |
Естественные климатические условия | 10 | 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 7,5; 10 | ||
Таблица3
На основаниивышеизложенного можно сделать следующие выводы.
1. Нагружение стеклопластиковой арматурытемпературными, механическими, тепловлажностными факторами с последующимдлительной выдержкой в щелочной среде влажного бетона не вызвало существенногоизменения прочностных характеристик СПА, изготавливаемой Бийским заводомстеклопластиков по ТУ 2296-001-20994511-06.
2. Результаты испытаний СПА на долговременноевоздействие агрессивной среды влажного бетона с повышенным содержанием щелочипоказывают высокую химическую стойкость данной арматуры.
Литература:
1. Александров А. В., Потапов В. Д., ДержавинБ. П. Сопротивление материалов. — М.: Высшая школа, 2001.
2. Альперин В. П. и др. Конструкционныестеклопластики. — М.: Химия.
3. Блазнов А. Н. и др. О химической стойкостистеклопластиковой арматуры // Проектирование и строительство в Сибири. — 2003.— № 3 (21). — С. 34–37.
4. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ ихрезультатов. — М.: Машиностроение, 1964.
5. Волков Ю. П., Луговой А. Н., Савин В. Ф.Результаты сравнительных испытаний гибких связей из стеклопластика ибазальтопластика // Проектирование и строительство в Сибири. — 2004. — № 3(21).
6. Воробьёва Г. Я. Коррозионная стойкостьматериалов в агрессивных средах химических производств. — М.: Химия, 1975.
7. ГОСТ Р51372-99. Методы ускоренных испытанийна долговечность и сохраняемость при воздействии агрессивных и другихспециальных сред для технических изделий, материалов и систем материалов. Общиеположения.
8. Далинкевич А. А. и др. Кинетика старениябазальтовых волокон в щелочной среде // Пластические массы. — 2002. — № 3. — С.7–10.
9. Далинкевич А. А. и др. Кинетика старениябазальтовых и некоторых стеклянных волокон в щелочной среде // Пластическиемассы. — 2002. — № 12. — С. 23–26.
10. Дарков А. В., Шпиро Г. С. Сопротивлениематериалов. — М.: Высшая школа, 1969.
11. Кузнецова Л. Г. и др. Повышение стойкостистеклопластиковой арматуры // Бетон и железобетон. — 1973. — № 3. — С. 30–31.
12. Мощанский Н. А. О стойкостистеклопластиковой арматуры в бетоне //Бетон и железобетон. — 1965. — № 9. — С.33–34.
13. Report Concerning the Tests Regard to the Alkaline Consistency of anAnchoring of Plastic Reinforced with Glass Fiber Concerning Three-Wythed FacadePanels According to the DEHA-TM System // Ramm. — 1992. — November.
14. Report Concerning Tests Regarding the Alkaline Durability of anAnchoring System Out of Reinforced Glass Fiber Plastic for Three-Layered FacadePanels According to the DEHA-TM System // Ramm. — 1993. — January.
15. Розенталь Н. К. и др. Коррозионнаястойкость полимерных композитов в щелочной среде бетона // Бетон и железобетон.— 2002. — № 3. — С. 20–23.
16. Справочник по композиционным материалам: В2-х кн. Кн. 1 / Под ред. Дж. Любина. — М.: Машиностроение, 1988.
17. Устинов В. П., Казарновский B. C. Подтверждениепригодности для применения в строительстве (в качестве гибких связей втрёхслойных железобетонных панелях и стенах) стеклопластиковой арматурыТУ2296-001-20994511, изготавливаемой Бийским заводом стеклопластиков.Разработка рекомендаций по применению. Итоговый отчёт. — Новосибирск: СГУПС,1999.
18. Устинов В. П. и др. Прогнозированиедолговечности СПА в составе трёхслойных стеновых панелей // Вестник Сибирскогогосударственного университета путей сообщения. — 2002. — Вып. 4.
19. Н. П. Фролов Технология изготовлениястеклопластиковой арматуры и некоторые её свойства // Бетон и железобетон. —1965. — № 9. — С. 5–8.
20. Хозин В. Г. Базальтопластиковые гибкиесвязи для трёхслойных ограждающих конструкций (http://www.volgahim.ru/article2.html).
21. Hughes Brothers Glass Fiber Reinforced Polymer Rebar. — HughesBrothers, 1997.