Прочность и деформативность арматуры

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 5Следующая ⇒

1Введение

Вы наверняка слышали про такого рода арматуру. С учетом того, как прогрессивно развивается производство данного вида арматуры, можно смело заявить, что ее можно использовать в промышленных целях на довольно больших и серьезных объектов. Вспоминая «классическую» металлическую арматуру, выявляется ряд преимуществ стеклопластиковой арматуры. Она значительно легче, прочнее, удобнее в использовании, а самое главное дешевле. Однако на самом деле не так все просто, поскольку внедрение новых технологий в строительство, обычно, достаточно долговременный процесс, поскольку в области экономики, как одно из самых ответственных, строительство является достаточно консервативным.
На самом деле, стоит только правильно поставить вопрос. В каких именно вариантах возможно и много лучше использовать такого рода арматуру? Ответ достаточно прост. Там где есть метал, безусловно, есть и коррозия, которая вполне вредоносна для традиционной металлической арматуры, так и, как следствие, для всего строения в целом. А если речь идет об агрессивных средах, то продолжительность «жизни» металлической арматуры уменьшается в разы, что нельзя сказать о не металлической – стеклопластиковойварматуре.

1.1 История.

В решениях ХХV съезда КПСС подчеркивается необходимость расширения выпуска новых строительных материалов, обеспечи­вающих долговечность зданий и сооружений. Применение стеклопластиковой арматуры для бетонных и клееных деревянных конструкций в полной мере соответствует поставленной задаче.

Возможность получения бетонных конструкций с неметалли­ческой арматурой издавна интересовала ученых и инженерно-тех­нических работников, поэтому идея использования стеклянного волокна для армирования бетонных конструкций, которая впер­вые была сформулирована советским ученым AJC. Буровым в 1941 г., привлекла внимание многих исследователей в СССР и за рубежом [1].

В 50-х годах определились три способа армирования бетонных конструкций стеклянным волокном:

дисперсное (распределенное по всему сечению) армирование бетона стеклянным волокном. В СССР этот материал был назван стеклоцементом;

создание сплошных стеклопластиковых обойм на поверхности бетонных конструкций (например, труб, круглых стоек и др.);

сосредоточенное армирование бетонных конструкций стеклопластиковой арматурой.

При дисперсном способе армирования конструкций тонкими стеклянными волокнами необходимо применять специальные бе­тоны, не разрушающие волокно. Однако при этом не исключает­ся возможность нарушения целостности хрупкого стеклянного волокна при укладке и уплотнении бетона. Способ создания стек­лопластиковых обойм ограничен определенной, довольно узкой номенклатурой изделий, на поверхность которых могла бы наматываться тонкая стеклопластиковая лента. При перевозке, монтаже и эксплуатации таких конструкций имеется опасность разрушения стеклопластиковых обойм. В Институте строительст­ва и архитектуры Госстроя БССР (ИСиА), Харьковском Промстройниипроекте, НИИЖБе и ХИИКСе был избран способ сосре­доточенного армирования проволочной либо стержневой стеклопластиковой арматурой, который в настоящее время получил наи­более широкое распространение.

В настоящей монографии обобщаются результаты исследова­ний, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора, по разработке и созданию технологии стеклопластиковой арматуры, организации опытного производства стекло- пластиковой арматуры, изучению комплекса свойств арматуры и, как следствие, определению областей ее использования, иссле­дованию совместной работы стеклопластиковой арматуры с бето­ном и клееной древесиной. Кроме того, освещаются результаты исследований по созданию конструкций, армированных стеклопластиковой арматурой, и их проверке в реальных эксплуатацион­ных условиях на участках опытного строительства в различных областях народного хозяйства страны. Излагаются и анализируют­ся также некоторые результаты исследований других авторов в области стеклопластиковой арматуры.

Небольшой хронологический экскурс в историю развития этих исследований показывает, что от идеи использования стеклянного волокна для армирования бетонных конструкций до организации опытного производства стеклопластиковой арматуры, удовлетво­ряющей предъявляемым к ней требованиям, потребовалось зна­чительное время, в течение которого решалось много ранее не предвиденных задач по разработке технологии арматуры, повы­шению ее качества, изучению кинетики изменения ее свойств во времени под воздействием различных факторов и т.д.

После того как была получена арматура, определение первооче­редных областей ее использования, исследование опытных конст­рукций со стеклопластиковой арматурой, организация участков опытного строительства и решение других вопросов вплоть до начала внедрения конструкций со стеклопластиковой арматурой в практику строительства выполнялись более интенсивно с участи­ем возрастающего числа исследователей и заинтересованных орга­низаций.

Производительность технологических линий для изготовления арматуры может быть существенно повышена использованием токов сверхвысоких частот (СВЧ) для ускорения процессов полимеризации связующего. При этом будет улучшена струк­тура стеклопластиковой арматуры, так как процесс полимериза­ции будет протекать с центра арматурного стержня к его по­верхности, а не в противоположном направлении, как это проис­ходит при поверхностном прогреве стержня.

При использовании токов СВЧ скорость протяжки арматуры будет увеличена в несколько раз. В связи с этим предоставится возможность изготовления арматуры по одностадийному техноло­гическому принципу из более дешевого грубого стеклянного во­локна диаметром до 100 мкм. Это волокно будет вытягиваться из электроплавильных сосудов, установленных непосредственно на технологической линии по выработке стеклопластиковой армату­ры. Исследования в этом направлении продолжаются.

В настоящее время арматура на опытно-промышленной техно­логической линии ИСиА Госстроя БССР вырабатывается, как пра­вило, из стандартного алюмоборосиликатного волокна и эпоксифенольного связующего, т.е. из относительно дорогих и универ­сальных композиций исходных сырьевых материалов. В дальней­шем при выборе исходных материалов для изготовления стеклопластиковой арматуры следует руководствоваться функциональ­ным назначением арматуры и конструкций, для армирования ко­торых она предназначается.

Потенциальные возможности использования стеклопластиков вой арматуры еще в полной мере не предопределены и не изучены." Однако уже в настоящее время доказано, что стеклопластиковая арматура существенно расширяет и создает новые области исполь­зования эффективных предварительно напряженных строитель­ных конструкций из различных материалов и тем самым способ­ствует техническому прогрессу в народном хозяйстве страны.

Естественно, что относительно небольшому числу разработчи­ков в этой области в течение нескольких лет не представилось возможным полностью решить всю проблему создания и исполь­зования стеклопластиковой арматуры. Однако благодаря выпол­ненным исследованиям конструкции со стеклопластиковой арма­турой с достаточно высокой эффективностью в настоящее время могут быть использованы в различных отраслях народного хо­зяйства. Эта завершающая стадия работы начата.

Достигнутые успехи в создании стеклопластиковой арматуры и конструкций, армированных ею, являются результатом исследо­ваний, выполненных в разное время советскими учеными, в пер­вую очередь докторами тех. наук, профессорами А.Л. Гвозде­вым, К.В.Михайловым, Н.Л. Мощанским, О.Я. Бергом, И.Н.Ахвердовым, Ю.М.Ивановым, докторами хим. наук Г.Л. Андреев­ской, М.С. Аслановой, кандидатами тех. наук Ю.М. Вильдавским, С.С. Жавридом, Ю.В. Кондратьевой, К.В. Зеленским, Б.В. Накашидзе, И.В. Подмостко, Ю.В. Дегтярем, канд. хим. наук И.С. Скорыниной и др.

Существенный вклад в организацию исследований и опытно- промышленных работ внесли д-р тех. наук, проф. С.С.Атаев и кандидаты тех. наук Н.М. Мулин и И.И. Цыганков.

2. Основные свойства

Физико-механические свойства стеклопластиковой арматуры в основном определяются свойствами стеклянного волокна, т.е. основного "рабочего" материала арматуры. Это обстоятельство предопределяется, во-первых, относительно низким (в 6—7 раз меньше, чем у стеклянного волокна) значением модуля упруго­сти связующего и, во-вторых, небольшим содержанием полимера в стеклопластике (около 20% по массе). При повышении темпера­туры проявляются пластические свойства связующего. В этой связи степень участия полимера в работе арматурного стержня снижается и, как следствие, повышается рол£ стеклянного во­локна. При химическом воздействии различных реагентов на стеклопластиковую арматуру наблюдаются проникание жидкой либо газообразной фазы через связующее к стеклянному волокну и затем его разрушение. Поэтому коррозионная стойкость арма­туры также определяется в основном свойствами волокна. В свя­зи с этим качество арматуры следует изучать в тесной зависи­мости от свойств стеклянного волокна, которые изложены в главе I монографии.

В настоящей главе приводятся свойства арматуры, изготовлен­ной из алюмоборосиликатного волокна и эпоксифенольного связующего.

Прочность и деформативность стеклопластиковой арматуры исследовались при растяжении и сжатии, т.е. при воздействиях, которые она воспринимает в строительных конструкциях и изделиях.

Для исследования прочностных и деформативных свойств арматуры при кратковременном растяжении испытывались об­разцы арматуры при температуре окружающей среды около 20°С и относительной влажности 50 ... 60%. Длина рабочей зоны (расстояние между захватами разрывной машины), как и для стальной арматуры, принималась не менее 30 диаметров образца и не менее 200 мм. Нагружались образцы плавно, ступенями при­мерно через 0,1 Р_раэр . Длительность нагружения одной ступени составляла около 30 с. После каждой ступени нагружения индика­торами часового типа замерялись удлинения образца на базе 100 мм с точностью ±0,05 мм. В расчет, принимались образцы, разрушенные в рабочей зоне.

Значения начального модуля упругости определялись по линей­ному участку диаграммы деформаций растяжения при напряже­ниях 0,2 . . .0,5 6_9Р (предела прочности). Для определения кратковременной прочности арматуры и модуля упругости при сжатии испытывались короткие образцы диаметром 6 мм. Рабочая длина образца (расстояние между захватами) принималась равной 10 мм. После закрепления испытуемого образца в захватах с че­тырех сторон устанавливались индикаторы часового типа, по которым центрировались сжимающие усилия по физической оси стеклопластикового стержня. При этом усилие обжатия образца доводилось до 0,2 б_лр . После центровки нагрузка к образцу прикладывалась ступенями, примерно равными 0,1 Р_раэр. В про­цессе нагружения замерялись деформации образца и фиксирова­лась разрушающая нагрузка. По этим данным определялись кратковременный предел прочности и модуль упругости стеклопла­стиковой арматуры при сжатии. На растяжение испытывались об­разцы арматуры, изготовленные из первичного стеклянного во­локна, обычного жгута в 20 и 40 сложений, а также из жгута-ровинга в 30 и 60 сложений.

При анализе результатов деформативности и прочности арма­туры при кратковременном растяжении необходимо обратить внимание на следующее (табл. 1).

Наибольшую прочность имеет арматура, изготовленная из первич­ной нити. Арматура же, выработанная из обычного жгута, обла­дает самой низкой прочностью. Прочность арматуры из жгута-ровинга, в котором устранена разнодлинность нитей, будет выше.

В связи с тем, что при выработке арматуры из первичной нити требуется большой объем магазина для стекловолокна и услож­няется контроль обрыва нитей, стеклопластиковую арматуру следует изготовлять из жгута-ровинга в 30 сложений. При боль­шом числе каналов технологической линии можно использовать жгут в 60 сложений.

Модуль упругости стеклопласти­ковой арматуры также в некото­рой степени зависит от вида стек­лянного волокна, из которого из­готовляется арматура. Наибольшее значение начального модуля упру­гости арматуры получено при ис­пользовании первичного волокна.

При выработке опытных партий арматуры изучалась возможность изготовления арматуры одновременно из нескольких видов стеклянного волокна. Например, арматуру диаметром 6 мм вырабатывали, используя жгут-ровинг в 30 и 60 сложений. При ис­пытании такой арматуры было установлено, что разрыв образ­цов происходит двухстадийно, а их прочность оказывается низ­кой. Вначале разрывается часть волокна из жгута в 30 сложений, а затем — в 60. Отсюда следует вывод, что в арматурном стерж­не лучше использовать только один вид стеклянного волокна.

Диаграмма "напряжение — деформация" стеклопластиковой арматуры (рис. 1) практически прямолинейна вплоть до разры­ва. Диаметр арматуры существенно влияет на значение времен­ного сопротивления стеклопластиковой арматуры (рис. 2). Чем тоньше арматура, тем выше ее прочность. Прочность арматуры диаметром 3 мм достигает 1800 МПа, а диаметром 12 мм — только 1050 МПа. Поэтому с увеличением диаметра арматуры требуется повышенное ее содержание в конструкциях, что ведет к удорожанию конструкций.

С другой стороны, при использовании стеклопластиковой арматуры для армирования конструкций, эксплуатируемых под воздействием агрессивных сред, целесообразно использовать арматуру больших диаметров с менее развитой относительной поверхностью (поверхностью, прихо­дящейся на единицу площади попе­речного сечения). Химическая стойкость арматуры больших диа­метров будет выше, чем тонкой, так как относительная  поверхность ее значительно меньше, а скорость химического разрушения арматуры в определенной степени оп­ределяется площадью ее поверхности. Таким образом, долговеч­ность конструкций при восприятии агрессивных воздействий с увеличением диаметра арматуры будет увеличиваться, а их стои­мость на единицу эксплуатационного времени — уменьшаться.

В конструкциях, в которых арматура не подвергается хими­ческому разрушению, следует использовать арматуру небольших диаметров с меньшей стоимостью единицы прочности. Поэтому при проектировании конструкций со стеклопластиковой арма­турой следует назначать оптимальные диаметры арматуры, кото­рые определяются экономическими соображениями и зависят от функционального назначения конструкций.

Влияние диаметра арматуры на прочность при растяжении можно объяснить следующим. Стеклопластик является компози­ционным материалом, состоящим из стеклянных волокон, скле­енных полимерным связующим. Деформативность его в несколь­ко раз выше, чем стеклянного волокна. При испытании образцов стеклопластиковой арматуры на разрывной машине усилие, обжимающее стержень в захватах, воспринимается стеклянными волокнами, расположенными на поверхности стержня, а затем через прослойки связующего передается волокнам, находящимся в его сердцевине. В связи с этим при растяжении образца наи­большие деформации получают волокна на поверхности стержня, так как за счет повышенной деформативности слоев полимерного связующего происходит некоторое смещение крайних волокон относительно волокон, расположенных ближе к центру испыту­емого образца (без нарушения сцепления волокон с полимером), поэтому напряжения в стеклянных волокнах по диаметру стерж­ня от его поверхности к центру уменьшаются (рис. 3). Разру­шение образцов начинается с разрыва наиболее напряженных стек­лянных волокон, расположенных по периметру стержня, а затем за счет перераспределения напряжений происходит разрыв воло­кон в оставшемся сечении стержня.

В процессе экспериментального исследования прочности и де­формативности образцов стеклопластиковой арматуры на разрыв­ных машинах было установлено, что разрушение их начинается, как правило, с разрыва оплеточной нити, образующей периоди­ческий профиль поперечного сечения. 3атем следует разрыв отдельных волокон в поверхностном слое по всей длине рабочей части испытуемого стержня, после чего происходит более интен­сивное разрушение волокон по периметру стержня с распростра­нением к его центру, при этом рост нагрузки прекращается и наступает разрыв стержня с образованием "метелки". Некоторые стержни разрываются в одном сечении подобно разрыву стальной арматуры без образования "метелки". Особенно четко послойное Разрушение арматуры нами наблюдалось при разрушении стерж­ней диаметром 12 мм. В некоторых из них после разрыва волокон в поверхностном слое происходило проскальзывание неразру­шенной сердцевины стержня по слою полимерного связующего.

Низкое значение модуля упругости стеклопластиковой ар­матуры (примерно в четыре раза меньшее, чем стальной) пред­определяет использование ее только в предварительно напря­женных конструкциях, так как в конструкциях без предвари­тельного напряжения полное использование прочности арма­туры невозможно: жесткость таких конструкций будет низкой. При создании предварительно напряженных конструкций из низкомодульных материалов (полимербетонов, древесины, пласт­масс), обладающих повышенной ползучестью, низкий модуль стеклопластиковой арматуры следует рассматривать как одно из ее преимуществ по сравнению со стальной, так как потери предварительного напряжения в стальной арматуре конструкций из перечисленных материалов достигают больших значений и эффект предварительного напряжения либо снижается, либо исчезает.

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры