CC BY
62
УДК 678.5/6:677.4:691.32
В.Н. Студенцов, И.В. Черемухина, В.А. Кузнецов ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ СТЕРЖНЕЙ ИЗ РЕАКТОПЛАСТОВ ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ
Преимущества цементных бетонов, армированных стержнями из сетчатых полимеров, - пониженная плотность и повышенная химическая стабильность, показаны по сравнению с цементными железобетонами.
Цементный бетон, железобетон, сетчатый полимер, химическая стабильность, полимерный композиционный материал
V.N. Studentsov, I.V. Cheryomukhina, V.A. Kuznetsov APPLICATION OF CROSS-LINKED POLYMER STRAIGHTS FOR CEMENT CONCRETS REINFORCEMENT
Advantages of cement concretes, reinforced by cross-linked polymer straights - low density and high chemical stability- are described as compared to cement steel concrete properties.
Cement concrete, steel concrete, cross-linked polymer, chemical stability, polymer composite material
Для армирования использовали стальные стержни (плотность р = 7900-8000 кг/м3) и стержни из полиэпоксида (р = 1150-1250 кг/м3), армированного органическими - вискозная (ВН), полиакрилонит-рильная (ПАН), углеродная (УН) и минеральными - базальтовая (БН) или стеклянная (СН) нитями. При получении полимерных стержней препреги подвергали физической модификации путем предварительной обработки ультрафиолетовым излучением (УФИ) с последующим доотверждением. Такая обработка препрегов приводит к увеличению прочностных характеристик получаемых полимерных композиционных материалов (ПКМ). Преимущества полимерных стержней перед стальными: пониженная плотность, более высокая удельная ударная вязкость, более высокая коррозионная стойкость.
Армирующий стержень диаметром 10 мм закрепляли в разъёмной форме и заливали вяжущим при массовом соотношении компонентов речной песок - цемент марки М400 - дистиллированная вода 3 : 1 : 0,7. Через семь суток образцы размером 16x4x4 см извлекали из формы и приступали к их испытаниям. Для этого образцы хранили в разных средах - на воздухе при комнатных условиях или в ёмкостях с различными жидкостями: дистиллированная вода, сантинормальный раствор едкого натра, подкрашенный фенолфталеином, и сантинормальная хлористоводородная кислота, подкрашенная метилоранжем. Окрашенность растворов нужна для наглядного контроля их проникновения в материалы. Поведение бетонов в различных средах изучали по трём направлениям: по изменению массы и линейных размеров образцов и по виду их поперечного среза.
Наиболее значительные изменения происходили с массой образцов. По результатам регулярных взвешиваний получали абсолютные и относительные изменения массы. При хранении на воздухе основная часть воды, содержавшейся в вяжущем, химически связывается в процессе твердения цементного раствора, поэтому потеря массы за счет испарения воды очень незначительна и находится в пределах десятых долей массового процента, при этом уменьшение массы прекращалось примерно через 35 суток, за это время в основном завершается процесс твердения вяжущего. Увеличение массы образцов в жидких средах составляло 9-14% масс. Более быстро в материалы проникает вода, этот процесс достигает предельного насыщения примерно за 7 суток. Разбавленные кислота и щелочь проникают медленнее, эти процессы достигают насыщения в течение 21 суток. После достижения предельного насыщения дальнейшее выдерживание образцов в жидкостях не приводит к изменению массы образцов. Армированные образцы впитывают больше воды, чем неармированные, при этом вода проникает в материалы по границам между вяжущим и арматурой, а также по нитям, содержащимся в арматуре. В агрессивных (кислой и щелочной) средах, напротив, у армированных образцов наблюдается меньшее относительное увеличение массы, чем у неармированных материалов.
Максимальное абсолютное увеличение массы во всех средах наблюдалось у образцов со стальными стержнями, абсолютное увеличение массы образцов с полимерными стержнями всегда был меньше, что свидетельствует о более высокой коррозионной стойкости бетона с полимерной арматурой.
В силу повышенной гидрофильности вискозных нитей по сравнению с синтетическими ПАН нитями в воде наблюдали максимальный относительный привес у образцов, армированных стержнями с ВН. Эти стержни набухали в воде, что приводило к образованию на образцах продольных трещин, чего не происходило у других образцов, хотя наружные размеры треснувших образцов практически не изменялись. Вообще изменение размеров всех образцов после выдерживания в жидкостях наблюдалось в пределах глубины шероховатостей на поверхности бетона, то есть было пренебрежимо малым.
На поперечных сечениях образцов, армированных полимерными стержнями, после пребывания образцов в агрессивных средах, на срезах стержней наблюдаются разноцветные зоны, беспорядочно расположенные у стержней с ВН после выдерживания в кислой среде, и в виде концентрических колец - после выдерживания в щелочной среде. У стержней с ПАН разноцветные концентрические кольца возникают после выдерживания в обеих агрессивных средах. Это говорит о том, что в щелочной среде стержни с ВН более стойки, чем в кислой среде, но в целом более химически стойкими и менее проницаемыми для жидкостей являются стержни с ПАН. Таким образом, применение стержней с ВН нежелательно в силу повышенного набухания этих стержней в воде и водных растворах вследствие гидрофильности ВН.
Изученные образцы стержней и армированного бетона также подвергали испытаниям, в которых были определены физико-механические характеристики: разрушающее напряжение при статическом изгибе ои, МПа (ГОСТ 4648-71); разрушающее напряжение при сжатии ссж, МПа; ударная вязкость ауд, кДж/м2 (ГОСТ 4647-80); твердость по Бринеллю НБ, МПа (ГОСТ 4670-91); суточное водо-поглощение W, % (ГОСТ 4650-80); плотность р, кг/м3 (ГОСТ 4620-84); модуль упругости при изгибе Еи, МПа (таблица).
Влияние материала стержней на физико-механические характеристики образцов бетона (малые образцы)
Материал стержней Осж, МПа Ои, кПа ауа, кДж/м2 р, кг/м3 1/У, %
Полиэпоксид с ПАН 11 2380-2400 - 1570 14
Полиэпоксид с ВН 9 2150 - 1690 13
Полиэпоксид с СН * 4700 40 1900 11
Бетон без арматуры 44 1400-1600 18 2100 9
* - испытания не проводились
Стержни из ПКМ содержат 70-80% масс. полиэпоксида с плотностью около 1200 кг/м3, что значительно меньше плотности отвержденного вяжущего - 2100 кг/м3, поэтому введение полимерной арматуры (таблица) снижает плотность и соответственно массу образцов по сравнению с неармиро-ванным бетоном. Снижение массы изделий из новых материалов по сравнению с изделиями таких же размеров из железобетона ещё более значительно.
В армированных образцах появился дополнительный путь проникновения жидкостей в объем материала - по армирующим стержням и по переходным слоям на границе между арматурой и вяжущим, поэтому применение арматуры приводит к повышению водопоглощения образцов. Величина водопоглощения зависит также от гидрофильности и пористости армирующих стержней: арматура из стеклопластика поглощает меньше воды, чем арматура с ПАН и ВН.
При наличии полимерных стержней разрушающее напряжение при сжатии уменьшается по сравнению с неармированным бетоном в силу нарушения монолитности образцов. Традиционно для увеличения осж в бетон в качестве наполнителя вводят щебень. Например, при содержании опокового щебня 30% в исходной смеси осж образца составляет 63 МПа.
Использование армирующих стержней значительно повышает величину ои. Для этого наиболее эффективны стержни, содержащие СН. Такие стержни повышают также стойкость образцов к ударным воздействиям (таблица).
Прочностные характеристики образцов армированного бетона и изделий из армированного бетона существенно зависят от количества и конструкции арматуры. Так, были получены и испытаны образцы в виде прямоугольных параллелепипедов размером 10x10x26 см (большие образцы). Эти образцы, в отличие от малых образцов, содержали по четыре армирующих стержня. Величина ои больших образцов примерно вдвое выше, чем у малых образцов.
Прочность арматуры в армированном бетоне никогда полностью не реализуется, поэтому армирующие стержни имеют значительно более высокие прочностные характеристики, чем образцы бетона. Для получения стержней диаметром 10 мм требуется 40 нитей ПАН и 120 - более тонких ВН. Полученные результаты позволяют сделать два важных заключения:
- предварительная кратковременная обработка препрегов УФИ с последующим термическим доотверждением приводит к увеличению прочностных характеристик изделий на десятки процентов по сравнению с изделиями, полученными без применения УФИ, при этом преимущественное увеличения ударной вязкости свидетельствуют о том, что под влиянием УФИ возрастает вероятность линейного роста цепей при дальнейшем отверждении, при этом образуется сетчатая структура с повышенной средней массой межузловых цепей, что и приводит к возрастанию ударной прочности;
- прочностные характеристики полимерных стержней всегда выше, чем прочностные характеристики образцов ПКМ, вырезанных из этих стержней, поскольку при распиливании стержней нарушается их первоначальная монолитность и увеличивается количество поверхностных дефектов.
По абсолютным значениям прочностных характеристик стальные стержни гораздо прочнее стержней из ПКМ, но по удельным прочностным характеристикам различие не столь велико, а по удельной ударной прочности стержни из ПКМ даже прочнее стальных. Следовательно, с применением полимерной арматуры можно получать сравнительно лёгкие и прочные изделия.
Выводы
- в отличие от бетонов, армированных стальными стержнями, бетоны с полимерной арматурой в меньшей степени подвергаются коррозии и более устойчивы к агрессивным средам;
- применение полимерной арматуры позволяет снизить массу конструкций на 2-3% по сравнению с неармированным бетоном и примерно на 10% - по сравнению с железобетоном.
Студенцов Виктор Николаевич -
доктор технических наук профессор кафедры «Химическая технология» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Черемухина Ирина Вячеславовна -
кандидат технических наук доцент кафедры «Химическая технология» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Кузнецов Владимир Александрович -
студент Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Victor N. Studentsov -
Dr. Sc., Professor
Department of Chemical Technologies,
Engels Institute of Technology - Branch of Yu. Gagarin Saratov State Technical University
Irina V. Cheryomukhina -
PhD, Associate Professor Department of Chemical Technologies,
Engels Technological Institute - Branch of Yu. Gagarin Saratov State Technical University
Vladimir A. Kuznetsov -
Undergraduate,
Yu. Gagarin Saratov State Technical University
в редакцию 12.10.11, принята к опубликованию 15.11.11
Статья поступила
