CC BY
52
СЕЛЯЕВ В. П., АЛИМОВ М. Ф., ШАБАЕВ И. Н.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И СВОЙСТВ КОМПОЗИТНЫХ АРМАТУРНЫХ СТЕРЖНЕЙ МЕТОДОМ ПРОДОЛЬНОГО ИЗГИБА
Аннотация. В данной статье приведены экспериментальные значения механических характеристики и свойств стеклопластиковых арматурных стержней. Изучена работа стержней при действии агрессивных сред и различных температурных режимов. Установлено, что оптимальной длиной для определения механических характеристик стеклопластиковой арматуры методом продольного изгиба являются образцы длиной 210 мм. При повышении температуры арматурный стержень становится более пластичным, модуль упругости и прочность арматуры заметно уменьшаются.
Ключевые слова: стеклопластиковая арматура, метод продольного изгиба, химическое сопротивление.
SELYAEV V. P., ALIMOV M. F., SHABAYEV I. N.
BUCKLING METHOD FOR DETERMINING MECHANICAL CHARACTERISTICS AND PROPERTIES OF COMPOSITE REBAR
Abstract. This article presents the experimental values of the mechanical characteristics and properties of fiberglass rebars. The authors studied the work of rebars under the action of aggressive media and different temperature regimes. It was found that the optimum length for determining the mechanical properties of fiberglass rebar by using the buckling method are samples of 210 mm. When the temperature increases, rebar becomes more ductile, elastic modulus and strength of reinforcement significantly reduce.
Keywords: fiberglass rebar, buckling method, chemical resistance.
Испытания по определению механических характеристик образцов
На рынке строительных материалов большой популярностью стали пользоваться композитные арматурные стержни. Однако сведения о применении композитной арматуры в бетонных конструкциях, приведенные в технической литературе, недостаточны, либо вызывают сомнения проектировщиков. Поэтому была поставлена задача - экспериментально изучить свойства композитной арматуры при действии агрессивных сред и различных температурных режимов.
Согласно проведенным исследованиям и работам других авторов, традиционные методы по испытанию арматурных стержней не дают полную и объективную информацию о ее механических характеристиках. Наиболее подходящим, на наш взгляд, является метод
1
продольного изгиба [1]. Сущность данного метода заключается в следующем: шарнирно опертый образец продольно изгибают до полного его разрушения (рис. 1-2). По показаниям измерительных приборов определяют механические характеристики образца по формулам (1) - (6).
Рис. 1. Схема испытания образцов методом продольного изгиба.
Рис. 2. Характер разрушения арматуры.
Согласно используемому методу, максимальные (краевые) напряжения в сжато-изогнутом стержне определяются по формуле вида:
а = м + м = м + мт (1)
А ~ № А ~ №
Все остальные значения были определены по формулам:
(2)
(3)
(4)
4 '
W = пй3/32,
/
р = 4 ' 2 Г .
12-с2 = 13
16
2
21Д-Д2
16
(5)
с2
[1 + 8/ (6)
1 пй3/ 1 — й*
Для испытаний были использованы образцы стеклопластиковой арматуры диаметром 6,5 мм и длиной (Ь) 90, 120, 150, 180, 210, 240 мм.
Диаграмма зависимости изменения усилий F от осевого перемещения А испытываемых образцов представлена на рисунке 3. Из графика видно, что для образца характерно три участка нагружения: участок достижения максимальной нагрузки и потери устойчивости, затем площадка стабильного восприятия нагрузки и участок разрушения. Участок начала нагружения характеризуется сравнительно быстрым нарастанием силы сопротивления образца действующей на него внешней силовой нагрузки; при этом образец еще находится в устойчивом состоянии. Рабочий участок графика соответствует состоянию потери устойчивости образца. В пределах этого участка происходит малое изменение силы при значительном взаимном перемещении концов стержня, что соответствует продольному изгибу тонких упругих стержней. Рабочий участок используется в режиме измерение для определения стрелы прогиба и радиуса кривизны напряжено деформированного состояния образца. Участок разрушения образца характеризуется резким или плавным снижением силы сопротивления.
Рис. 3. Диаграмма зависимости изменения усилий Б от осевого перемещения А.
Результаты испытаний стеклопластиковой арматуры представлены в таблице 1. Наиболее оптимальной длиной для определения механических характеристик стеклопластиковой арматуры методом продольного изгиба являются образцы длиной 210 мм с наименьшей дисперсией выборки.
Таблица 1
Результаты испытаний образцов методом продольного изгиба арматуры диаметром 6,5 мм
№ L, мм Д, мм F, Ш мм р, мм а, МПа Е, МПа
1 90 1,68 5,72 7,796 104,971 1828,5 63982
2 120 3,34 3,42 12,586 112,791 1701,4 63968
3 150 4,5 2,02 16,37 130,77 1291,8 58724
4 180 10,5 1,3 27,134 116,891 1353,37 52732
5 210 17,06 1,05 37,412 118,036 1493,66 58768
Испытания по определению химического сопротивления
Химическое сопротивление - это способность материалов и конструкций в определенных пределах времени воспринимать воздействия агрессивных сред, обеспечивать нормативные эксплуатационные качества [2]. В данном эксперименте химическое сопротивление было определено по изменению массы в процессе действия агрессивной среды. Этот метод получил отражение во многих опубликованных материалах [3; 4].
Стеклопластиковые композитные стержни были выдержаны в щелочной среде раствора NaOH с водородным показателем рН = 12. Арматура выдерживалась при температурах 60 и 100 оС в течение 8 часов. Результаты испытаний представлены на рисунках 4 и 5.
Рис. 4. Кинетика сорбции композитной арматуры в растворе №ОН с рН = 12 при t = 60 °С
Из результатов следует, что с увеличением температуры скорость диффузии заметно увеличивается и образец набирает массу более стремительно. Максимальное изменение массы
после 8 часов выдержки для образцов при t = 60 оС составляет 0,005 гр., при t = 100 оС - 0,01 гр.
Работа арматурных стержней при повышенных температурах
Большинство железобетонных изделий изготавливается в заводских условиях с применением тепловой обработки при температуре до 60-80 °С. Поэтому нами ставилась задача экспериментальным путем выявить, как температура, близкая к тепловой обработке железобетонных изделий, влияет на прочностные характеристики стеклопластиковой арматуры. Испытание проводилось на прессе 13 DP/401 с климатической камерой методом продольного изгиба. Главными искомыми сравнительными механическими характеристиками был выбран модуль упругости и прочность стеклопластиковой арматуры. Результаты эксперимента приведены в таблице 2 и рисунке 6.
01234567В9
Рис. 5. Кинетика сорбции композитной арматуры в растворе №ОН с рН = 12 при 1 = 100 оС.
Т,°с
Рис. 6. Гистограмма зависимости прочности от температуры стеклопластиковой арматуры.
Согласно полученным результатам, при увеличении температуры арматурный стержень становится более пластичным, модуль упругости и прочность арматуры заметно уменьшается.
Таблица 2
Экспериментальные значения модуля упругости для цилиндрических стержней диаметром 6,5 мм и длиной Ь = 150 мм из стекловолокнистых композитов
при температуре 40, 55, 70 оС.
№ Е, МПа
40 0С 55 0С 70 0С
1 65520 62752 -
2 58665 65056 37415
3 63618 58623 37475
4 64527 67954 40810
5 67317 60422 38224
6 62323 63448 31976
Статистическая обработка результатов
Температура, 0С 40 0С 55 0С 70 0С
Среднее, МПа 63611,7 63042 37180
Стандартная ошибка 1215,5 1351,8 1440,3
Медиана 64072,5 63100 37475
Стандартное отклонение 2977,4 3311,3 3220,6
Дисперсия выборки 8864856 10964967 10372676
Эксцесс 1,03 -0,27 2,5
Асимметричность -0,8 0,2 -1,1
Коэффициент вариации, % 4,6 5,3 8,6
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Для образцов композитной арматуры при разрушении наблюдается три участка нагружения. Первый участок до максимальной нагрузки и потери устойчивости, затем площадка стабильного восприятия нагрузки и участок разрушения;
2. С увеличением температуры скорость диффузии заметно увеличивается;
3. При повышении температуры арматурный стержень становится более пластичным, модуль упругости и прочность арматуры заметно уменьшаются.
ЛИТЕРАТУРА
1. Савин В. Ф. Волков Ю. П., Гаврилов В. В., Блазнов А. Н., Рудольф А.Я. Метод определения механических характеристик композиционных материалов продольным изгибом // Сборник докладов IX международной научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон - 2012». - 2012. - часть II. - С. 233-243.
2. Соломатов В. И., Селяев В. П., Соколова Ю. А. Химическое сопротивление материалов. - 2-е изд., перераб. и дополн. - М.: РААСН, 2001. - 284 с.
3. Соломатов В. И., Селяев В. П. Химическое сопротивление композиционных строительных материалов. - М.: Стройиздат, 1987. - 264 с.
4. Селяев В. П., Соломатов В. И., Ошкина Л. М. Химическое сопротивление наполненных цементных композитов. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2001. -152 с.
