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)

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)

Таблица 3

Влияние воздуха и кислоты на интенсивность пропускания полос ИКС, %

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.