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.

2.1 Прочность и деформативность арматуры

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.