CC BY
41УДК 691.17
DOI: 10.31659/0585-430Х-2018-761-7-71-75
А.М. ХОРОХОРДИН, инженер (ahorohordin@vgasu.vrn.ru), А.М. УСАЧЕВ, канд. техн. наук (usachevam@vgasu.vrn.ru), Д.Н. КОРОТКИХ, д-р техн. наук (korotkih@vgasu.vrn.ru)
Воронежский государственный технический университет (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84)
Сравнительная оценка механических свойств полимерной композитной арматуры
В настоящее время в практике строительства все чаще используется полимерная композитная арматура для усиления различных типов конструкций. Однако низкий модуль упругости, ограниченная температура применения и недоверие потребителей снижают спрос на данный материал. В статье приведены сравнительные характеристики и особенности стальной и полимерной композитной арматуры. Представлен большой объем экспериментальных данных, касающийся испытаний стеклокомпозитной арматуры на осевое растяжение, изгиб, сжатие, поперечный срез, прочность сцепления с бетоном. Проведен анализ полученных результатов и даны рекомендации по использованию композитной арматуры для строительных конструкций.
Ключевые слова: стальная арматура, полимерная композитная арматура, стеклокомпозитная арматура, механические свойства, прочность сцепления с бетоном.
Для цитирования: Хорохордин А.М., Усачев А.М., Коротких Д.Н. Сравнительная оценка механических свойств полимерной композитной арматуры // Строительные материалы. 2018. № 7. С. 71-75. DOI: 10.31659/0585-430Х-2018-761-7-71-75
А.М. KHOROKHORDIN, Engineer (ahorohordin@vgasu.vm.ru),
А.М. USACHEV, Candidate of Sciences (Engineering) (usachevam@vgasu.vrn.ru),
D.N. KOROTKIH, Doctor Sciences (Engineering) (korotkih@vgasu.vrn.ru)
Voronezh State Technical University (84, 20 let Oktyabrya Street, Voronezh, 394006, Russian Federation)
Comparative Assessment of Mechanical Properties of Polymer Composite Reinforcement
At present, polymer composite reinforcement is increasingly used in the construction practice to strengthen various types of structures. However, low modulus of elasticity, limited application temperature, and consumer distrust reduce the demand for this material. The article presents the comparative characteristics and features of steel and polymer composite reinforcement. A large amount of experimental data concerning tests of glass-composite reinforcement for axial tension, bending, compression, cross-section, bond strength to concrete is presented. The analysis of results obtained is made and recommendations for the use of composite reinforcement for building structures are given.
Keywords: steel reinforcement, polymer composite reinforcement, glas-composite reinforcement, mechanical properties, bond strength to concrete.
For citation: Khorokhordin A.M., Usachev A.M., Korotkih D.N. Comparative assessment of mechanical properties of polymer composite reinforcement. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 7, pp. 71-75. DOI: 10.31659/0585-430X-2018-761-7-71-75 (In Russian).
Проблемы применения полимерной композитной арматуры в современном строительстве. Современная стратегия развития строительного комплекса России базируется на экономном использовании природных ресурсов, энергосбережении и защите окружающей среды. Данные условия диктуют необходимость разработки новых материалов, технология производства которых характеризуется малым потреблением энергетических и природных сырьевых ресурсов, наименьшими объемами вредных выбросов в атмосферу. Одним из таких материалов является полимерная композитная арматура.
Широкому использованию композитной арматуры в строительстве во многом способствует развитие нормативной базы [1]. В 2015 г., приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ № 493/пр. утверждено и введено в действие Изменение № 1 к СНиП 52-01—2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения». Это изменение заключается во введении в нормативный документ раздела «Расчет конструкций с композитной полимерной арматурой», который дает рекомендации по расчету строительных конструкций, армированных композитной арматурой, эксплуатируемых в условиях агрессивного воздействия окружающей среды. С 2012 г. действует ГОСТ 31938—2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия», согласно
которому полимерная арматура по типу непрерывного армирующего наполнителя подразделяется на виды: стеклокомпозитная (АСК); базальтокомпозитная (АБК); углекомпозитная (АУК); арамидокомпозитная (ААК); комбинированная композитная (АКК). В странах Европы, Азии и Америки используют также борный, нейлоновый, полиэтиленовый, полипропиленовый армирующий наполнители.
Полимерную композитную арматуру получают на основе тонких армирующих волокон диаметром 10—15 мкм, пропитанных связующей термореактивной смолой. Волокна, объемное содержание которых от 70 до 88%, обеспечивают композиту механическую прочность, а связующие придают химическую стойкость. В нашей стране наиболее широко распространено производство стекло-композитной и базальтокомпозитной арматуры [2]. Довольно крупные производители арматуры расположены в Москве, Бийске, Чебоксарах, Липецке, Воронеже и других городах.
Стеклокомпозитная (стеклопластиковая) арматура представляет собой полимерную арматуру, состоящую из непрерывного стеклянного волокна, скрепленного полимерным связующим, в виде стержней диаметром от 4 до 32 мм с ребристой поверхностью спиралеобразного профиля. Стеклопластиковая арматура обладает высокой прочностью на разрыв, малой средней плотностью, низкой теплопроводностью, высокой коррозионной стойкостью во всех агрессивных средах (кислотах, ще-
J'iyj ®
научно-технический и производственный журнал
июль 2018
71
Таблица 1
Характеристики Стальная арматура класса А-Ш (А400С) Композитная полимерная арматура
стеклопластиковая базальтопластиковая
Внешний вид Однородный пруток серебристого цвета без пустот Однородный пруток бежевого цвета без пустот Однородный пруток черного цвета без пустот
Предел прочности при растяжении, МПа 390 700-900 800-1200
Относительное удлинение после разрыва, % 14,0 2,2 3
Средняя плотность, кг/м3 7850 2020 1900
Коэффициент теплопроводности, Вт/м.оС 58 0,5 0,3
Модуль упругости, ГПа 200-210 15-30 30-40
Водопоглощение, % 0 0,05 0,05
Таблица 2
Показатель Арматура стальная
A500C d=8 мм A500C d=10 мм A400d=12 мм A500 d=12 мм A500C d=22 мм
Площадь, мм2 50,3 78,5 113 113 380
Предел текучести, МПа 555,6 614,9 563,9 694,2 522
Максимальная нагрузка, кН 34,5 58,4 71,6 86,5 247,2
Нагрузка при разрушении, кН 28,6 34,6 42,8 59,4 180,2
Предел прочности при растяжении, МПа 672,1 743,71 633,1 770 650,5
Модуль упругости, ГПа 193,1 194 190,2 200,1 210,1
Относительное удлинение, % 19,4 13,4 10,7 8,3 15,1
лочах, растворов солей). Стеклопластиковая арматура является диэлектриком, радиопрозрачна, магнито-инертна. Коэффициент термического расширения сте-клопластиковой арматуры соответствует КТР бетона, что исключает трещинообразование в защитном слое бетона при изменении температуры.
Базальтокомпозитная (базальтопластиковая) арматура — полимерная арматура, состоящая из непрерывного базальтового волокна, связанного полимером. Выпускается в стержнях или бухтах. Имеет диаметр от 4 до 40 мм и ребристую поверхность. Базальтопластико-вая арматура обладает теми же свойствами, что и стек-лопластиковая, однако имеет более высокую коррозионную стойкость в агрессивных химических средах.
Сравнительные характеристики традиционной стальной арматуры и композитной полимерной приведены в табл. 1 [1, 3—6].
Тем не менее производство и применение полимерной композитной арматуры сдерживается несколькими факторами. Во-первых, низкий модуль упругости и практически отсутствие пластических деформаций при растяжении, а также лимитированная температура применения (как правило, не более 200оС) ограничивают область использования данной арматуры. Во-вторых, невозможность сгиба и сварки арматурных элементов из композитных материалов. В-третьих, малое количество достоверной информации о сравнительной оценке свойств полимерной арматуры различных производителей, наличие неоднозначных рекомендаций о наиболее рациональных сфе-
рах применения полимерной композитной арматуры, а также недостаточное количество нормативной документации приводят к недоверию проектировщиков и строителей. К тому же малая осведомленность покупателей и их сомнения по поводу нового продукта значительно снижают спрос на композитную арматуру.
С целью сравнения характеристик традиционной стальной и новой композитной арматуры, а также определения основных механических свойств стеклокомпо-зитной арматуры различных отечественных производителей в данной работе был проведен большой объем экспериментальных исследований.
Рис. 1. Универсальная гидравлическая система для измерения параметров статических испытаний INSTRON Satec 1500HDX
научно-технический и производственный журнал
72 июль 2018
jVJ ®
Таблица 3
Показатель Арматура стеклокомпозитная
АСКd=6мм АСКd=8мм АСКd=10мм
Площадь, мм2 28,3 50,3 78,5
Предел текучести, МПа - - -
Максимальная нагрузка, кН 30,6 50,7 70,9
Нагрузка при разрушении, кН 30,6 50,7 70,9
Предел прочности при растяжении, МПа 1081,7 1008,2 903,6
Модуль упругости, ГПа 40,3 53,3 34,9
Относительное удлинение, % 2,9 3,5 3,1
Нормативный показатель предела прочности при растяжении согласно ГОСТ 31938-2012, МПа не менее 800
Таблица 4
Показатель Арматура стеклокомпозитная, d = 6 мм, различных производителей
Образец 1 Образец 2 Образец 3
Расстояние между опорами, см 54 54 54
Максимальная нагрузка при изгибе, Н 1610 1550 1300
Предел прочности при изгибе, МПа 928 895,9 777,6
Деформации при изгибе, % 3 3,48 3,03
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
/ ft
/у
у V
/ г \
\ i.
ч —* "N s 1
f ч > / 2
III Л \ /
0
2
10
12
4 6 8
Деформация, %
Рис. 2. Прочность при изгибе АСК d=6 мм: 1 - образец 1 (г. Воронеж); 2 - образец 2 (г. Липецк); 3 - образец 3 (г. Москва)
Методические особенности выполнения сравнительной оценки механических свойств полимерной композитной арматуры. Испытания арматуры проходили в Центре коллективного пользования им. проф. Ю.М. Борисова Воронежского государственного технического университета в соответствии с требованиями ГОСТ 5781—82 «Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций», ГОСТ 12004—81 «Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение» и ГОСТ 31938—2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия».
Экспериментальные исследования проводились на универсальной гидравлической испытательной системе INSTRON Sateс 1500HDХ (рис. 1) и универсальной электромеханической машине INSTRON 5982. Данные установки позволяют проводить испытания конструкционных материалов на растяжение, сжатие и изгиб
40
30
20
10
0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Деформация, % Рис. 3. Прочность при сжатии АСК
с усилиями до 150000 и 10000 кгс соответственно. Скорость приложения нагрузки варьируется от 0,00005 до 114 мм/мин. Испытательные машины снабжены современным русифицированным программным обеспечением В1иеЫИ. Наличие многофункциональной панели управления позволяет отображать график нагруже-ния образца в режиме реального времени.
Для сравнительных испытаний были выбраны: а — стальная арматура диаметром 12 мм класса А400 и А500, а также диаметром 8, 10 и 22 мм класса А500С; б — опытно-экспериментальная партия стеклокомпо-зитной арматуры диаметром 6, 8 и 10 мм.
Результаты определения осевого растяжения стальной и стеклокомпозитной арматуры приведены в табл. 2 и 3 соответственно [4].
Испытанная опытно-экспериментальная арматура по показателю предела прочности на осевое растяжение соответствует требованиям ГОСТа. Отмечаем также,
0
lj научно-технический и производственный журнал
Ы- ® июль 2018 73
Таблица 5
Показатель Арматура стеклокомпозитная диаметром 8 мм
Предел прочности при сжатии
Площадь сечения, мм2 52,6
Максимальная нагрузка при сжатии, кН 39,36
Предел прочности при сжатии, МПа 748,3
Нормативный показатель по ГОСТ 31938-2012, МПа не менее 300
Предел прочности при поперечном срезе
Максимальная нагрузка при срезе, кН 20,35
Напряжение при поперечном срезе, МПа 188,25
Нормативный показатель по ГОСТ 31938-2012, МПа не менее 150
Предел прочности сцепления с бетоном
Длина заделки стержня в бетон, мм 40
Максимальная нагрузка, кН 21,16
Прочность сцепления, МПа 21,05
Нормативный показатель по ГОСТ 31938-2012, МПа не менее 12
22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
0
10
20
Рис
30 40 50 Деформация, % 4. Прочность сцепления АСК с бетоном В25
60
70
80
22
20
18
16
14
л- 12
у
а,
?! 10
а
со 8
X
6
4
2
0
У
0
2
4
что композитная арматура по прочности на осевое растяжение значительно превосходит традиционную стальную. При этом полученные показатели предела прочности даже выше нормируемого ГОСТом значения. Однако надо учитывать, что композитная арматура не имеет предела текучести и имеет хрупкий характер разрушения с небольшой величиной относительной деформации.
В дальнейшем в работе были проведены испытания стеклокомпозитной арматуры с целью определения прочности при изгибе, прочности при сжатии, напряжений при поперечном срезе и предела прочности сцепления с бетоном [7].
Для определения прочности при изгибе были отобраны по три образца стеклопластиковой арматуры диаметром 6 мм трех отечественных производителей (ООО «Воронежский завод композитных материалов», г. Воронеж (образец 1); ООО «Армастек», г. Липецк (образец 2); ООО «НЗКТ», г. Москва (образец 3)). Испытания проводились в соответствии с методикой ГОСТ 31938—12 (приложение Ж: Метод определения предельной температуры эксплуатации) при температуре в нагревательной камере 20±2оС для определения фактического значения разрушающей нагрузки.
6 8 10 12 14 16 18 Деформация, % Рис. 5. Прочность АСК при поперечном срезе
Результаты определения прочности при изгибе стеклокомпозитной арматуры представлены на рис. 2 и в табл. 4.
При одинаковых условиях испытаний наибольшее значение прочности при изгибе показал образец 1. Планируется в дальнейшем провести аналогичные испытания, но только при повышенной температуре с целью установления предельной температуры применения данных видов стеклокомпозитной арматуры.
Остальные механические свойства (сжатие, срез и сцепление с бетоном) были определены на образце 1 диаметром 8 мм. Результаты этих исследований представлены на рис. 3—5 и в табл. 5.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что испытанная стеклокомпозитная арматура соответствует по показателям механических свойств требованиям нормативных документов и может быть применена для армирования бетонных конструкций.
Выводы и рекомендации по использованию стекло-композитной арматуры для строительных конструкций. Проведен сравнительный анализ свойств традиционной стальной и новой композитной арматуры. Определено, что стеклокомпозитная арматура имеет прочность на осевое растяжение в 1,5—2 раза выше, чем
научно-технический и производственный журнал 'Й^ОМ^лЛЬНуН "74 июль 2018 ШАГ-^Ш&Г
стальная, однако при этом модуль упругости у нее в четыре раза меньше.
Стеклокомпозитная арматура, изготовленная на ООО «ВЗКМ» (г. Воронеж), по показателям прочности при сжатии, прочности при поперечном срезе и прочности сцепления с бетоном соответствует требованиям ГОСТ 31938—2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия».
Однако несмотря на высокие показатели механических свойств, повсеместно заменить стальную арматуру в железобетонных конструкциях на композитную невозможно. В некоторых сферах строительства стальная арматура по-прежнему играет и будет играть ключевую роль.
Использование стеклокомпозитной арматуры наиболее целесообразно и эффективно только в тех случаях, когда проявляются ее положительные свойства, такие как высокая прочность при растяжении, химическая стойкость, радиопрозрачность и магнитоинертность.
Список литературы
1. Римшин В.И., Меркулов С.И. О нормировании характеристик стержневой неметаллической композитной арматуры // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 5. С. 22—26.
2. Усачев А.М., Хорохордин А.М., Данилова А.В. Анализ перспектив развития рынка стальной и композитной арматуры // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2016. Вып. № 2 (13). С. 122-126.
3. Степанова В.Ф., Степанов А.Ю. Неметаллическая композитная арматура для бетонных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 1. С. 45-47.
4. Усачев А.М., Хорохордин А.М., Абдурашидов М.М. Оценка механических свойств полимерной композиционной арматуры // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2014. Вып. № 1 (8). С. 16-20.
5. Степанова В.Ф. Теоретические основы и практическое обеспечение сохранности арматуры в бетонах на пористых заполнителях. Дис. д-ра техн. наук. Москва. 2003. 268 с.
6. Степанова В.Ф., Степанов А.Ю., Жирков Е.П. Арматура композитная полимерная. М.: Изд-во Бумажник, 2013. 200 с.
7. Хозин В.Г., Пискунов А.А., Гиздатуллин А.Р. [и др.] Сцепление полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном // Известия КГАСУ. 2013. № 1 (23). С. 214-220.
8. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: АСВ, 2003. 500 с.
9. Хозин В.Г., Гиздатуллин А.Р. Совместимость поли-меркомпозитной арматуры с цементным бетоном в конструкциях // Строительные материалы. 2017. № 11. С. 30-38.
10. Степанова В.Ф., Зюзин Р.С. Применение неметаллической композитной арматуры для крепления ограждающих конструкций строительных котлованов // Строительные материалы. 2008. № 12. С. 20-22.
11. Теплова Ж.С., Киски С.С., Стрижкова Я.Н. Стеклопластиковая арматура для армирования бетонных конструкций // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 9 (24). С. 49-70.
В связи с этим наиболее рациональными областями применения композиционной арматуры являются бетонные конструкции и элементы, эксплуатируемые в средах с различной степенью агрессивного воздействия, подверженных влиянию магнитных волн и др. [8, 5]. Так, на основе полимерной арматуры можно изготавливать: емкости и резервуары очистных сооружений и химических производств; системы канализации, мелиорации и водоотведения; конструкции для укрепления дорожного полотна и береговой линии; морские, припортовые сооружения, хранилища воды и бассейны; осветительные опоры, опоры ЛЭП, изолирующие траверсы ЛЭП; настилы и ограждения мостов; дорожные и тротуарные плиты; железнодорожные шпалы; фасонные изделия для коллекторов, трубопроводных и коммунальных систем; элементы в медицинских центрах и научных лабораториях со спецоборудованием; конструкции, расположенные в непосредственной близости от высоковольтных кабелей и трансформаторных подстанций [1, 9—11].
References
1. Rimshin V.I., Merkulov S.I. About the standardization of the core characteristics of non-metallic composite rebar. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2016. No. 5, pp. 22—26. (In Russian).
2. Usachev A.M., Khorokhordin A.M., Danilova A.V. The analysis of prospects of development of market of steel and composite rebar. Scientific Herald of the Voronezh state University of Architecture and Construction. Series: physical and chemical problems and high technologies of building materials science. 2016. No. 2 (13), pp. 122—126. (In Russian).
3. Stepanova V.F., Stepanov A.Yu. Non-metallic composite rebar for concrete structures. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2013. No. 1, pp. 45—47. (In Russian).
4. Usachev A.M., Khorokhordin A.M., Abdurashidov M.M. Assessment of mechanical properties of polymer composite reinforcement. Scientific Herald of the Voronezh state University of Architecture and Construction. Series:physical and chemical problems and high technologies of building materials science. 2014. No. 1 (8), pp. 16—20. (In Russian).
5. Stepanova V.F. Theoretical basis and practical ensuring of safety of reinforcement in concrete on porous aggregates Doct. Diss. (Engineering). Moscow. 2003. 268 p. (In Russian).
6. Stepanova V.F., Stepanov A.Yu., Zhirkov E.P. Armatura kompozitnaya polimernaya. [Composite polymer reinforcement]. Moscow: Publishing house Bumazhnik. 2013. 200 p.
7. Khozin V.G., Piskunov A.A., Gizatullin A.R. and other. Coupling of polymer composite reinforcement with cement concrete. Izvestiya KGASU. 2013. No. 1 (23), pp. 214-220. (In Russian).
8. Bazhenov Yu.M. Tekhnologiya betona [Technology of concrete]. Moscow: ASV. 2003. 500 p.
9. Khozin V.G., Gizdatullin A.R. Compatible polymer composite reinforcement with cement concrete structures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 11, pp. 30-38. (In Russian).
10. Stepanova V.F., Zyuzin R.S. The use of non-metallic composite reinforcement for fixing of walling construction pits. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2008. No. 12, pp. 20-22. (In Russian).
11. Teplova J.C., Kitty S.S. Strizhkova Ya.N. Fiberglass reinforcement for reinforcement concrete structures. Stroitel'stvo unikal'nykh zdanii i sooruzhenii. 2014. No. 9 (24), pp. 49-70. (In Russian).
j'^J ®
научно-технический и производственный журнал
июль 2018
75
