| |
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ
АРМАТУРЫ
Стеклопластиковая арматура представляет собой
гетерогенную систему, состоящую из ориентированных
стеклянных волокон и полимерного связующего.
Свойства стеклопластиковой арматуры зависят от
свойств
и особенностей структуры стеклянных волокон и
полимеров,
а также от физико-химического взаимодействия этих
компонен
тов, их поведения в процессе восприятия внешних
нагрузок,
воздействия агрессивных реагентов, изменений
температурно
влажностного режима и других факторов. Познание
свойств
исходных материалов, используемых для изготовления
армату
ры, позволяет при помощи соответствующего подбора
этих
материалов управлять свойствами стеклопластиковой
арматуры,
а при изучении свойств арматуры объяснить причины их
измене
ния при различных внешних воздействиях на нее.
Высокопрочное стеклянное волокно в стеклопластиковой
ар
матуре почти полностью воспринимает воздействие
растягиваю
щих либо сжимающих усилий, определяет
деформативность
арматуры, обусловливает изменение прочностных
характеристик
арматуры при воздействии агрессивных сред,
температуры, влаж
ности и т.д. Поэтому, как будет изложено далее,
свойства арма
туры в известной степении "копируют” свойства
стеклянного
волокна.
Полимерное связующее выполняет роль клеящей среды,
объ
единяющей отдельные волокна в монолитный стержень, и
тем
самым обеспечивает их совместную работу и защищает
волокно
от непосредственного воздействия влаги, различных
химических
реагентов и механических повреждений. В связи с этим
в настоя
щей главе особое внимание уделяется стеклянному
волокну как
основному "рабочему” материалу в стеклопластиковом
арматур
ном стержне.
Стеклянное волокно
Стеклянное волокно, используемое для изготовления
стекло
пластиковой арматуры, должно быть высокопрочным,
химически
стойким, и обладать электроизолирующими свойствами.
Наиболее доступным для производства арматуры в
настоя
щее время является алюмоборосиликатное стандартное
стек
лянное волокно. Однако химическая стойкость его при
воздей
7
ствии агрессивных сред недостаточно высока. Поэтому
при изго
товлении стеклопластиковой арматуры из этого волокна
к свя
зующему предъявляют повышенные требования по
химической
защите арматуры от воздействия агрессивных сред.
Следует отметить, что в научно-исследовательских
организаци
ях нашей страны и за рубежом ведутся изыскания по
синтезу со
ставов стекол для выработки высокопрочного
стеклянного во
локна повышенной универсальной коррозионной
стойкости.
В частности, в ИСиА Госстроя БССР в содружестве с
Белорусским
политехническим институтом под руководством д-ра
хим. наук,
проф. Н.Н. Ермоленко, канд. техн. наук Ю.В.
Кондратьевой
синтезированы специальные составы стекол 7 Тк и 7 Тм
для по
лучения стеклопластиковой арматуры с высокой
стойкостью
при воздействии кислот и щелочей. Однако до сего
времени не
организовано промышленное производство волокна из
стекла
этих составов. В связи с этим для изготовления
стеклопластико
вой арматуры в настоящее время используется
непрерывное стан
дартное алюмоборосиликатное волокно.
Диаметр непрерывного элементарного стеклянного
волокна
находится в пределах 2 ... 100 мкм и зависит от
скорости вытя
гивания волокна, а также диаметра фильер
стеклоплавильного
сосуда. Элементарные стеклянные волокна,
вытягиваемые из
сосуда, обрабатывают замасливателем либо аппретом
для предо
хранения их от повреждений при дальнейшей
переработке, улуч-
щения адгезии волокна к полимерным связующим и
повышения
качества поверхности волокна. Кроме того,
замасливатель и
аппретирующие составы склеивают отдельные
элементарные во
локна в первичные нити, которые сматывают затем на
бобины.
Масса стеклянного волокна на бобине достигает 0,5
кг. Число
элементарных волокон в первичной нити
обусловливается чис
лом фильер в стеклоплавильном сосуде и может быть
равно 100,
200, 400 и более.
При дальнейшей переработке стеклянное волокно
собирают в
жгуты различной толщины. Толщина жгутов зависит от
диаметра
и числа сложений первичных нитей в жгуте, которое
достигает 60.
Жгуты сматывают в поковки (рис. 1), масса которых не
превы
шает 20 кг.
Стеклопластиковую арматуру можно изготовлять из
первично
го волокна, сматываемого с бобин, или из жгута,
собранного в
поковки. Наиболее приемлемым является использование
стекло-
жгута-ровинга, в котором в меньшей степени
проявляется разно-
длинность волокна и, как следствие, лучше
используется его
прочность.
Массивное стекло обладает сравнительно малым
пределом
прочности при растяжении — всего около 40—100 МПа.
Прочность
же тонких стеклянных волокон значительно выше, она
превос
ходит прочность большинства известных материалов и
достига
ет 2,5 ГПа [2]. Повышение прочности при уменьшении
размеров
Рис. 1. Поковка из
стекложгута-ровинга
испытуемых образцов характерно не только для стекла,
но и
для многих других естественных и искусственных
материалов.
Чем тоньше стеклянное волокно, тем выше его
прочность и
стоимость, поэтому для получения высокопрочной
арматуры, учи
тывая технико-экономические соображения, используют
волокно
диаметром около 10 мкм. В отдельных случаях, при
определен
ных условиях формования повышение прочности
стеклянного во
локна с уменьшением его диаметра не наблюдается. Это
свиде
тельствует о том, что прочность стекла определяется
не только
его размерами, но и другими факторами.
Прочность образца (отрезка) стеклянного волокна в
значи
тельной мере зависит от его длины. Зависимость
прочности волок
на от длины обусловлена его неоднородностью,
наличием в нем
различных дефектов. С увеличением длины волокна
вероятность
присутствия опасных дефектов на исследуемом участке
возра
стает, что и приводит к снижению его прочности [2].
Таким
образом, с увеличением длины образца волокна
происходит сни
жение его однородности. Оказывается, что прочность
длинного
волокна определяется минимальной прочностью
отдельных со
ставляющих его отрезков или, иначе говоря,
прочностью наиболее
ослабленных участков.
При изучении деформативных свойств стеклянных
волокон
различного диаметра установлено, что масштабный
фактор не
влияет на значение модуля упругости, а зависимость "напряже
ние — деформация" для волокон разного диаметра из
стекла
алюмоборосиликатного состава имеет линейный характер
(рис. 2). Модуль упругости алюмоборосиликатного
волокна при
мерно равен 72 ГПа. Физические свойства силикатных
волокон,
т.е. диэлектрические, термические, а также их
химическая стой
кость при воздействии различных реагентов
определяются хими
ческим составом стекла.
Изучению старения стеклянных волокон посвящено много
исследоваьрш. Прочность волокна определяли через
разные про
межутки времени после его формования. Установлено,
что проч
ность свежего грубого волокна соответствует
значениям прочно
сти тонкого волокна. На основании этих исследований
сделаны
выводы, что прочность свежевытянутых волокон не
зависит от
их диаметра. Используя это явление в ИХФ АН СССР под
руко
водством д-ра хим. наук ГД. Андреевской проводят
весьма
интересные исследования, результаты которых в
ближайшее
время позволят использовать для изготовления
арматуры вы
сокопрочные грубые свежевытянутые волокна диаметром
до
100 мкм [3]. Это даст возможность упростить
технологию
стеклопластиковой арматуры и существенно снизить ее
стои
мость.
На поверхности стеклянных волокон в процессе их
формо
вания возникают микротрещины. Проникание жидкости в
тре
щины, расположенные на поверхности волокна, снижает
его
прочность. Чем тоньше стеклянное волокно, тем меньше
раз
меры микротрещин. При увеличен™ диаметра волокна и,
как.
следствие, размеров микротрещин проникание в них
влаги облег
чается, за счет чего происходит более активное
снижение проч
ности волокна. Снижение прочности волокна в
результате прони
кания влаги в микротрещины, расположенные на его
поверх
ности, называется адсорбционным старением.
Адсорбционное снижение прочности волокна зависит от
хими
ческого состава стекла, причем чем ниже химическая
стойкость
волокна при воздействии влаги, тем активнее
происходит ста
рение даже тонких волокон [4]. Такое явление
характерно,
например, для кальциево-натриевого состава стекла и,
как указы
валось выше, практически не проявляется у тонкого
алюмобо-
росиликатного волокна
|
