Влияние температуры и влажности на физико­механические свойства арматуры

В процессе изготовления и эксплуатации бетонные конструкции со стеклопластиковой арматурой могут находиться в различных температурных и влажностных условиях. Например, при изготовлении таких конструкций для сокращения сроков
твердения бетонов используется пропаривание. При этом арматура подвергается совместному воздействию высоких температур и
влаги. Кроме того, конструкции могут эксплуатироваться при
отрицательных и положительных температурах. В условиях
пожара конструкции испытывают одновременное воздействие
высоких температур и огня. В связи с этим для обеспечения
надежности конструкций необходимо знать способность арматуры противостоять нагреву и охлаждению, а также действию
парообразной влаги.
В литературе имеются различные данные о влиянии температурных и влажностных условий на свойства стеклопластиков, в том
числе и на термореактивном эпоксифенольном связующем.
Однако по совокупности задач, которые решает арматура в
бетонных конструкциях, ее роль совершенно не сопоставима
с назначением стеклопластиков в машиностроении, судостроении
и других отраслях техники. Например, исследование деформативности и прочности обычных стеклопластиков выполняется,
как правило, на изгибаемых образцах, а арматура в бетоне воспринимает растягивающие или сжимающие напряжения. Обычные
исследования стеклопластиков на возгораемость не отражают
состояние арматуры в бетоне при воздействии высоких температур и огня. Поэтому были проведены исследования влияния
температурных и влажностных воздействий на физико-механические свойства стеклопластиковой арматуры, отражающие действительную работу арматуры в бетонных конструкциях.
В процессе исследований физико-механических свойств стеклопластиковой арматуры при воздействии температур от -40 до +450°С испытаниям подвергалась арматура диаметром 3 и
6 мм, изготовленная из алюмоборосиликатного волокна на
эпоксифенольном связующем (рис. 19). Первая серия образцов
арматуры испытывалась на разрыв в горячем и охлажденном
состоянии. Вторая серия образцов после нагрева либо охлаждения
выдерживалась в течение нескольких часов при температуре
20°С, а затем испытывалась. На графике за 100% приняты исходные свойства арматуры при 20°С.

Для испытания образцов в горячем состоянии на пятитонной
разрывной машине монтировалась электрическая печь, а в холодном — латунный сосуд, наполненный твердой углекислотой.
После установки образца арматуры в электрической печи или
в латунном сосуде он нагревался или охлаждался до заданной
температуры. Затем образец в целях стабилизации температуры
по всему его сечению выдерживался при этой температуре в
течение 0,5 ч, после чего к образцу прикладывалось разрывное
усилие.
Как следует из рис. 19, при снижении температуры прочность
образцов арматуры первой серии возрастает и при температуре —40°С повышается на 35 . . .40%. В интервале отрицательных температур наблюдается упрочнение стеклопластика аналогично упрочнению стеклянного волокна по причине вымораживания адсорбционной влаги из микротрещин, расположенных
на поверхности волокна. С повышением температуры прочность
арматуры снижается (рис. 19, кривая 1). Это явление можно
объяснить проявлением пластических свойств связующего, за счет
чего более активно сказывается разнодлинность стеклянных
волокон, так как происходит частичное выпрямление волокон на
изогнутых участках. При температуре выше 350°С начинается
процесс деструкции связующего, а затем и стеклянного волокна, в связи с чем прочность арматуры снижается.
Прочность арматуры^ предварительно выдержанной при температурах от —40 до+350°С (рис. 19, кривая 2), остается постоянной, так как процессы проявления пластических свойств полимера и вымораживания адсорбционной влаги в этом интервале
температур носят обратимый характер. С наступлением деструкции связующего и волокна при температурах выше 350°С прочность термообработанной арматуры резко снижается.

Исследовалось также влияние процесса пропаривания на прочность стеклопластиковой арматуры. Пропаривали образцы по режиму (2 + 6 + 2 ч), идентичному режиму пропаривания бетонных конструкций. При этом установлено, что стеклопластиковая арматура в зависимости от температуры пара способна значительно
снижать прочность. Из рис. 20 следует, что пропаривать конструкции со стеклопластиковой арматурой целесообразно при низких
температурах пара, например при 60°С, при этом необходимо
снижать расчетное сопротивление арматуры на 10%.
Совместно с ВНИИПО были проведены испытания бетонных
конструкций со стеклопластиковой арматурой на огнестойкость.
При этом изучалось поведение арматуры в среде бетона в условиях пожара. Огнестойкость бетонных конструкций со стеклопластиковой арматурой определялась испытанием балок длиной
6 м и панелей длиной 3 м на специальных огневых установках при
стандартном температурном режиме, моделирующем условия
пожара.
Установка для испытания на огнестойкость состоит из печи
с форсунками для жидкого топлива и передвижной рамы для за­
грузки конструкций. Передвижная рама представляет собой
сварную конструкцию из стального проката, накатывающуюся по
рельсам на печь в месте расположения проема в своде печи. Испытуемая конструкция подвешивается к стальной раме на двух
опорных хомутах. После установки конструкции проем закрывается и производится ее загрузка с помощью рычажного устройства. Нагрузка создается путем заполнения водой мерников, подвешенных к рычагам. В процессе огневых испытаний конструкция нагревается снизу по всей площади, кроме опорных участков длиной не более 30 см, которые во время опыта изолируются.
Предел огнестойкости армированных бетонных конструкций
наступает, как правило, в результате потери или несущей способности за счет понижения предела прочности растянутой арматуры
в процессе нагревания до критической температуры, при которой
сопротивление арматуры снижается до значения рабочих напряжений.
Все испытанные стеклопластбетонные конструкции разрушались хрупко с разрывом арматуры при средней температуре в
растянутой рабочей арматуре 100 С. Следует предположить, что
при весьма интенсивном огневом прогреве при температуре 100°С

происходит активное парообразование влаги, находящейся б
микротрещинах, которые расположены на поверхности стеклянного волокна. При этом мгновенно повышается давление и,
как следствие, разрушается волокно, т.е. наступает резкий спад
прочности арматуры. Конструкция разрушается.
При испытании на огнестойкость, например, двух бетонных
балок (на портландцементе) со стеклопластиковой арматурой
(рис. 21) балка 1 разрушилась через 13, а балка 2 —
через 18 мин. Прогиб балок при этом составлял около 35 мм.
Температура ’’среды” (под нижней гранью • балок) превысила
650°С и была практически равна стандартной, требуемой при
испытаниях конструкций на огнестойкость.
В результате испытаний на огнестойкость необходимо констатировать, что критической температурой для стеклопластиковой арматуры в конструкциях из цементных бетонов является
температура 100°С. Как указывалось выше, разрушение балок
произошло через 13 .. .18 мин. По Строительным нормам и правилам для металлических конструкций предел огнестойкости
принимается равным 15 мин. Таким образом, огнестойкость
конструкции достаточна и удовлетворяет требованиям норм.
С этой позиции испытанные балки по огнестойкости можно
сравнивать с металлическими конструкциями. Однако одним из
косвенных критериев оценки огнестойкости является характер
разрушения конструкции. В нашем случае происходило хрупкое,
мгновенное разрушение балок.