Плотность волокнонаполненнных реактопластов в зависимости от плотности применяемых волокнистых наполнителей составляет не более 1000–1500 кг/м3, что значительно меньше плотности цементных бетонов с заполнителями в виде песка и щебня (плотность около 2000 кг/м3). Стальная арматура (плотность 9000 кг/м3) всегда увеличивает плотность изделия. Следовательно, применение полимерной арматуры в цементных бетонах позволяет не только упрочнить, но и облегчить изделие, а также снизить их водопоглощение и повысить их химическую стойкость. Применение различных физических воздействий, а в данном случае, ультрафиолетового излучения (УФИ) позволяет целенаправленно регулировать свойства получаемой полимерной арматуры.
Цель работы состоит в изучении химических и физико-механических свойств цементных бетонов с использованием модифицированной полимерной арматуры.
Исходные компоненты для получения полимерной арматуры: в качестве связующего использовали эпоксидиановую смолу ЭД-20, (ГОСТ 10587-93), отверждаемую полиэтиленполиамином (ПЭПА), ТУ 6-02-594-85), а в качестве армирующих наполнителей – полиакрилонитрильный жгутик (ПАН), ТУ 13-239-79) и вискозную техническую нить (ВН). В качестве источника УФИ применяли облучатель бактерицидный настенный ОБН-150 с лампой ДБ-30 при длине волны 253,7 нм. В опытах контролировали линейную плотность (г/м) исходных и пропитанных нитей и степень превращения X, массовые проценты, исходного олигомерного связующего в нерастворимый сетчатый продукт. Величину X определяли методом экстракции золя ацетоном при комнатной температуре.
Компоненты бетона: цемент марки 400, речной песок, известняковый щебень.
Для испытаний изготавливали малые образцы армированного и неармированного бетона размером 4х4х16 см и большие образцы размером 10х10х25 см. Малые образцы наполняли либо щебнем, либо полимерной арматурой, а большие образцы наполняли и тем и другим одновременно. В армированные образцы вводили арматуру в виде стандартных стержней диаметром 10 мм и длиной 200 мм с утолщениями на концах, необходимыми для механических испытаний стержней.
Однонаправленные армированные стержни указанных размеров формовали в стальной разъемной форме с последующим отверждением. Продолжительность твердения бетона – четыре недели.
Для бетонных образцов определяли следующие характеристики: разрушающее напряжение при статическом изгибе σи, к Па; разрушающее напряжение при сжатии σсж, к Па; суточное водопоглощение w, %; плотность ρ, кг/м3.
Для получения бетонных конструкций бетонную смесь после тщательного перемешивания заливают в формы с заранее установленными в них полимерными каркасами, после застывания бетонной смеси получаются бетонные образцы, армированные полимерной арматурой.
Для изучения основных физико-механических характеристик бетонных изделий были изготовлены большие и малые бетонные изделия, армированные и неармированные полимерной арматурой со следующими размерами: 40 мм×40 мм×160 мм – малые изделия (рис. 1, 2) и 10 см×10 см×26 см – большие изделия (рис. 3).
Рис. 1. Малое, неармированное бетонное изделие
Рис. 2.Малое бетонное изделие, армированное полимерной арматурой
Рис. 3. Большое изделие, армированное полимерной арматурой
Таблица 1
Сравнение физико-механических характеристик бетонных изделий без арматуры и изделий, армированных арматурой (малые изделия: 40 мм×40 мм×160 мм)
|
Вид изделия |
sи, МПа |
Δσи, % |
sсж, кПа |
Δσсж, % |
αуд, кДж/м2 |
Δαу, % |
r, кг/см3 |
Δr, % |
W, % |
ΔW, % |
|
Без арматуры |
1,6 |
– |
44 |
– |
18 |
– |
1850 |
– |
11 |
– |
|
Изделия с ТПАНЖ |
2,4 |
50 |
11 |
–75 |
– |
– |
1573 |
–15 |
14 |
27 |
|
Изделия с ВН |
2,2 |
38 |
9 |
–80 |
– |
– |
1694 |
–8 |
13 |
18 |
|
Изделия с СН |
4,7 |
42 |
– |
– |
40 |
122 |
1900 |
3 |
11 |
00 |
Значения αуд изделий, армированных модифицированной стеклонаполненной арматурой, увеличивается в 2 раза по сравнению с неармированными изделиями. Применение арматуры приводит также к увеличению прочности бетонных изделий. Использование СН для армирования малых изделий можно рекомендовать с целью повышения sи (sи = + 42 %).
Применение полимерной арматуры приводит к снижению плотности изделий по сравнению с неармированным бетоном, за исключением арматуры, наполненной СН, поскольку стекло имеет большую плотность, чем отверждённое вяжущее. Любая полимерная арматура снижает плотность изделий по сравнению с бетоном, армированным сталью.
Сравнение результатов испытаний малых и больших изделий показало, что для объективной оценки влияния арматуры требуется учитывать масштабный фактор. Для малых изделий, сечение которых соизмеримо с сечением арматуры (Sарм = 0,78 см2), величины sи иsсж сравнительно малы, влияние арматуры лежит в пределах погрешности измерений.
Разрушающее напряжение при сжатии армированных изделий уменьшается по сравнению с неармированными, в силу различия деформационных свойств отверждённого вяжущего и арматуры, при этом плотность изделия уменьшается, что является положительным явлением, а суточное водопоглощение возрастает, в силу образования дефектов на границе «арматура – вяжущее».
Для изучения влияния среды, неармированные и армированные полимерной арматурой изделия, помещали в деценормальный (0,1н) раствор соляной кислоты (HCl), продолжительность выдержки образцов составила два месяца.
Измельчённое вяжущее отбирали из объёма и из поверхностных слоёв бетонных изделий.
Под действием соляной кислоты (HCl) в бетонных изделиях, не армированных полимерной арматурой, происходит увеличение содержания групп CH2, это может быть связано с ростом бактерий в кислой среде. Так как HCl – сильная кислота, то происходит разрушение карбонатов с образованием дополнительного количества анионов CO3, также происходит незначительное окисление алюминия (Al) и кремния (Si), причём кремний в кислой среде окисляется сильнее, чем алюминий.
Таблица 2
Сравнение физико-механических характеристик бетонных изделий без арматуры и изделий, армированных арматурой (большие изделия: 10 см×10 см×26 см)
|
Вид изделия |
r, кг/см3 |
Δr, % |
sи,МПа |
Δσи, % |
|
Без арматуры |
2150 |
– |
23 |
– |
|
Изделия со стальной арматурой |
2576 |
20 |
110 |
378 |
|
Изделия с ТПАНЖ |
2040 |
– 5 |
47 |
104 |
|
Изделия с ВН |
2076 |
– 3 |
50 |
117 |
|
Изделие с СН |
2346 |
9 |
57 |
147 |
Таблица 3
Влияние воздуха и кислоты на интенсивность пропускания полос ИКС, %
|
Бетонные изделия без арматуры |
|||||||||||
|
Среда |
n OH, см-1 |
n CH2, см-1 |
n3 CO3, см-1 |
n2 CO3, см-1 |
n Al2O, см-1 |
n Si2O, см-1 |
n SiO4, см-1 |
||||
|
3425 |
2921 |
2852 |
1736 |
1467 |
876 |
1089 |
693 |
592 |
1089 |
797 |
|
|
Объём, возд. |
40 |
29 |
19 |
7 |
33 |
– |
53 |
14 |
11 |
53 |
30 |
|
Объём, кисл. |
38 |
38 |
27 |
12 |
42 |
17 |
67 |
14 |
12 |
67 |
37 |
|
Бетонные изделия, армированные модифицированной полимерной арматурой на основе ТПАНЖ |
|||||||||||
|
Гран. слой, возд. |
43 |
43 |
29 |
12 |
40 |
15 |
65 |
15 |
13 |
72 |
45 |
|
Гран. слой, кисл. |
43 |
28 |
19 |
5 |
54 |
27 |
57 |
18 |
9 |
74 |
39 |
В бетонных изделиях, армированных полимерной арматурой, снижение групп CH2 свидетельствует о разрушении полимеров в переходном слое, поскольку CH2 содержатся в наполнителе ТПАНЖ и в связующем полиэпоксиде. Соляная кислота разрушает карбонаты цемента. Присутствие арматуры препятствует окислению кремния.
В переходном слое заметно больше групп OH и возрастает количество CH2 и CO3 групп, т.к. происходит разложение карбонатов под действием арматуры. Арматура усиливает окисление алюминия и кремния.
Кислота разлагает полимерную арматуру, поэтому количество групп CH2 уменьшается, снижается также количество Al2O, а содержание SiO4 возрастает. Всё это свидетельствует о химическом взаимодействии арматуры с вяжущим.
Выводы
1. Главным преимуществом разработанных изделий, предназначенных для армирования бетонов, является их повышенная удельная прочность по сравнению с традиционной арматурой. Перспективность новых изделий обусловлена их пониженной плотностью и их высокими удельными прочностными характеристиками.
2. Соляная кислота разрушает карбонаты цемента, а присутствие арматуры препятствует окислению кремния.