Композиционные материалы в строительстве_уч.пособ. Композиционные материалы в строительстве
 Скачать 3.84 Mb.
|
|
Свойства связующих, применяемых для изготовления композитной арматуры Тип матрицы/смолы Плотность, кг/м 3 Прочность на растяжение, МПа Модуль упругости, ГПа Коэффициент Пуассона Коэффициент температурного расширения, ×10 -6 /°С Полиэстер 1200–1400 34,5–104 2,1–3,45 0,35–0,39 55–100 Эпоксид 1200–1400 55–130 2,75–4,10 0,38–0,40 45–65 Винилэстер 1150–1350 73–81 3,0–3,5 0,36–0,39 50–75 Полиэфирэфиркетон (PEEK) 1320 100 3,24 0,40 47 Полифениленсульфид (PPS) 1360 82,7 3,30 0,37 49 Полисульфон (PSUL) 1240 70,3 2,48 0,37 56 Типы композитной арматуры. Одним из первых типов композитной арматуры была стержневая стеклопластиковая арматура, изучению работы которой посвящено значительное количество исследований. В настоящее время доступны следующие типы композитной арма- туры: углепластиковая, стеклопластиковая, органопластиковая, базальтопластикавая и гиб- ридная для внешнего и внутреннего армирования в виде стержней, сеток, тканей, пластин, полос (ламинаты), канатов. Стержневая арматура в свою очередь подразделяется на типы в зависимости: − от формы поперечного сечения — круглая (рис. 7.2, а), прямоугольная, сплошная (рис. 7.2, б) и кольцевая (трубчатая); − вида внешнего покрытия-профиля (рис. 7.3) — внешняя навивка дополнительных во- локон, профиль, созданный деформированием стержня, покрытие песком. а б Рис. 7.2. Типы сечений стержневой композитной арматуры 80 Ткани и полосы используются, как правило, для внешнего армирования при усилении конструкций. В отличие от стальной арматуры в настоящее время отсутствуют нормативные требования к форме, типу поверхности и методам изготовления композитной арматуры. Рис. 7.3. Характерные типы профиля стержневой композитной арматуры Разработанные проекты российских стандартов (ГОСТ и СТО) устанавливают требова- ния к композитной арматуре в общем виде. ГОСТ не будет распространяться на арматуру гладкого профиля. Предложенная структура условных обозначений композитной арматуры представлена на рис. 7.4. Пример условного обозначения в документации и при заказе арматуры, изготов- ленной из стеклопластика, номинальным диаметром 12 мм, с пределом прочности при рас- тяжении 1000 МПа, модулем упругости при растяжении 50 Гпа — АНК-С12-1000-50, ГОСТ .... длина 14 м. Рис. 7.4. Структура условных обозначений композитной арматуры Тип армирующих волокнистых материалов обозначают буквами: С — стеклянное во- локно; Б — базальтовое волокно; У — углеродное волокно; А — арамидное волокно. Неметаллическую композитную гибридную арматуру обозначают двумя буквами, ука- зывающими на тип армирующих волокнистых материалов, при этом первая буква указывает на доминирующий компонент. Предусмотрен выпуск композитной арматуры номинальным диаметром 6–30 мм. Требо- вания к внешнему виду включают следующие условия: боковая поверхность стержней долж- на быть рельефной, периодического профиля или с анкерными уширениями. Конкретных требований к виду профиля не предъявляется. Указано, что композитная арматура может иметь различный периодический профиль, обеспечивающий требуемую прочность сцепле- ния стержня с бетоном (не менее τ = 10 МПа для бетона В25). Разрабатываемая ранее в СССР стеклопластиковая арматура периодического профиля для преднапряженных конструкций являлась самоанкерующейся в бетоне. Данное условие соблюдалось при диаметрах не выше 6 мм и прочности бетона выше М250 и было основано на эмпирических данных. Специальных указаний для других типов арматуры не имелось. 81 Вопросы выполнения надежных захватных и анкерных устройств долгое время остава- лись проработаны слабо, что ограничивало применение преднапряженной композитной ар- матуры и не позволяло полностью использовать потенциал ее прочности в конструкциях. Применение различных типов захватных и анкерных устройств может приводит к нерав- номерной передаче напряжений по сечению стержня композитной арматуры и соответствен- но к снижению ее прочностных показателей. Основные типы применяемых анкерных и за- хватных устройств представлены на рис. 7.5. Рис. 7.5. Типы анкерных и захватных устройств для композитной арматуры На рис. 7.6 представлено захватное устройство для основных испытаний физико-меха- нических свойств композитной арматуры. Рис. 7.6. Захватное устройство для испытаний физико-механических свойств композитной арматуры Физико-механические свойства композитной арматуры. Плотность композитной ар- матуры может быть определена как плотность композитного материала в зависимости от плотности его компонентов (армирующих волокон и матрицы) при объемной доле волокон 0,5– 0,75 (наиболее характерное соотношение в композитной арматуре). Так плотность угле- пластиковой арматуры — 1430–1670 кг/м 3 , органопластиковой — 1300–1450 кг/м 3 , стекло- пластиковой — 1730–2180 кг/м 3 , что меньше плотности стальной арматуры в 3,6–6,0 раз. Коэффициент температурного расширения композитной арматуры зависит от типа воло- кон, матрицы и их объемного соотношения. Как правило, композитная арматура является ор- тотропным материалом, данные по основным свойствам и коэффициенту температурного расширения представлены в табл. 7.4 и 7.5. В отличие от стальной арматуры, значение коэффициента температурного расширения которой близко к его значению для бетона, коэффициенты температурного расширения ком- позитной арматуры и бетона существенно различаются. Возможность применения композитной арматуры в конструкциях ограничивается темпера- турой стеклования полимерной матрицы (температурой, при которой полимерная матрица необ- 82 ратимо меняет свои физико-механические свойства). Температура стеклования для композитной арматуры зависит от типа матрицы и находится в диапазоне от 70 до 175 ℃. После достижения температуры стеклования прочностные и деформационные свойства композитной арматуры рез- ко снижаются с нарушением сцепления с бетоном. Рекомендуется ограничивать условия экс- плуатации конструкций температурой на 30 °С ниже, чем температура стеклования. Таблица 7.4 Основные характеристики арматуры диаметром 6 мм Вид арматуры Прочность на растяжении, МПа Модуль упругости, МПа Относительное удлинение, % Электрическая прочность, кВ/с Стеклопластиковая: на алюмоборосиликатном волокне 1750 5,5 × 10 4 2,7 19–20 на стеклянном волокне с добавкой циркония 1400 5,0 × 10 4 2,8 20–22 Базальтопластиковая 1200 5,0 × 10 4 3,0 20–21 Таблица 7.5 Коэффициенты температурного расширения различных видов арматуры, ×10 -6 /°С Направление Сталь Бетон Углепластик Органопластик Стеклопластик Вдоль стержня (продольное) 11 7-13 –9–0 –2– –6 6–10 Поперек сечения (радиальное) 11 7-13 74–104 60–80 21–23 Высокие температуры могут привести не только к нарушению структуры композитной арматуры, но и откалыванию защитного слоя за счет значительного поперечного расширения стержня при нагреве. Низкие температуры также могут приводить к нарушению сцепления арматуры с бетоном и внутренним микроповреждениям внутри самого композита. Схема опытно-промышленной линии по изготовлению стекло- и базальтопластиковой арматуры методом пултрузии приведена на рис. 7.6. Рис. 7.6. Схема технологической линии по производству неметаллической арматуры: 1 — тянущее устройство; 2 — электрическая печь для полимеризации покрытия; 3 — ванна со связующим для пленочного покрытия; 4 — резиновая фильера; 5 — диск; 6 —электрические печи для полимеризации связую- щего; 7 — обмоточное устройство; 8 — фильера; 9 — камера для пропитки связующим; 10 — электрическая печь для удаления замасливателя и влаги; 11 — шпулярник Стекло- и базальтопластиковую арматуру изготовляют диаметром 3–15 мм, с гладкой поверхностью и периодического профиля. На арматурном стержне периодический профиль 83 формируют оплеточной нитью, которая вдавливается в тело стержня с определенным усили- ем, образуя вмятины глубиной 0,1–0,15 мм. Полученный таким образом периодический про- филь арматуры обеспечивает ее достаточное сцепление с бетоном. Наиболее отработанным способом получения неметаллической арматуры является непре- рывная протяжка волокон, пропитанных полимерной композицией. При этом все технологиче- ские операции по изготовлению арматуры: пропитка жгута раствором полимерною связующе- го, удаление инертных растворителей, формирование стержня и его отверждение — непре- рывны во времени и взаимосвязаны. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Баженов Ю.М. Технология бетонных и железобетонных изделий / Ю.М. Баженов, А.Г. Комар. — Москва : Стройиздат, 1984. — 672 с. 2. Баженов Ю.М. Бетонополимеры / Ю.М. Баженов. — Москва : Стройиздат, 1983. — 472 с. 3. Материаловедение : учебник / [Арзамасов Б.Н. и др.] ; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. — 2- е изд. — Москва : Машиностроение, 1986. — 384 с. 4. Степанова В.Ф. Арматура композитная полимерная / В.Ф. Степанова, А.Ю. Степанов, Е.П. Жирков. — Москва : Бумажник, 2013. — 200 с. 5. Рабинович Ф.Н. Дисперсно-армированные бетоны / Ф.Н. Рабинович. — Москва : Строй- издат, 1989. — 176 с. 6. Козаченко А.М. Общая технология производства древесных плит : учеб. пособие / А.М. Ко- заченко, Б.Д. Модлин. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : Высшая школа, 1990. — 144 с. 7. Матусевич А.С. Композиционные материалы на металлической основе / А.С. Матусевич. — Минск : Наука и техника, 1978. — 216 с. 8. Наназашвили И.X. Строительные материалы из древесно-цементной композиции / И.X. На- назашвили. — 2-е изд., перераб. и доп. — Ленинград : Стройиздат, 1990. — 415 с. 9. Васильев В.В. Композиционные материалы : справочник / В.В. Васильев, Ю.М. Тарно- польский. — Москва : Машиностроение, 1990. — 512 с. 10. Bentur A. Fibre Reinforced Cementitious Composites / A. Bentur, S. Mindess. — London and New York : Taylor and francis group, 2007. — 625 p. 11. Гутников С.И. Стеклянные волокна : учеб. пособие / С.И. Гутников, Б.И. Лазоряк, А.Н. Се- лезнев. — Москва : МГУ, 2010. — 53 с. 12. Шевченко В.Г. Основы физики полимерных композиционных материалов : учеб. пособие / В.Г. Шевченко. — Москва : МГУ, 2010. — 99 с. 13. Карпинос Д.М. Полимеры и композиционные материалы на их основе в технике / Д.М. Карпинос, В.И. Олейник. — Киев : Наукова думка, 1981. — 180 с. 14. Мельникова Л.В. Технология композиционных материалов из древесины : учебник / Л.В. Мельникова. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : МГУЛ, 2004. — 234 с. 15. Бабаев Ш.Т. Основные принципы получения высокоэффективных вяжущих низкой водопо- требности / Ш.Т. Бабаев , Н.Ф. Башлыков, В.Н. Сердюк // Промышленность строительных материалов. Серия 3. Промышленность сборного железобетона. — Москва : ВНИИЭСМ, 1991. — Вып. 2. — С. 12—17. |