Бийский завод стеклопластиков
555.png
+7 (3854) 442-444; 448-000


Комплексный подход при сравнительных исследованиях химической стойкости полимерного композиционного материала

Авторы: к.т.н., заместитель директора по развитию и НИОКР Ладыгин Юрий Иванович, к.т.н., начальник технологического отдела Башара Владимир Алексеевич, начальник лаборатории конструкторов Луговой Анатолий Николаевич, руководитель группы Титова Марина Анатольевна, инженер-технолог Силинская Олеся Георгиевна ООО «Бийский завод стеклопластиков»

Арматурные стержни из полимерных композиционных материалов (стеклопластиковая — СПА® и базальтопластиковая арматура — БПА), а особенно гибкие связи из этих материалов, находят все более широкое применение в строительстве. Гибкие связи из ПКМ, используемые в теплоэффективных трехслойных ограждающих конструкциях, являются одним из ответственнейших элементов конструкции, работающим в сложных эксплуатационных условиях. Они должны иметь высокие физико-механические характеристики и быть химически стойкими к воздействию агрессивных сред (как правило щелочной среды, степень агрессивности которой определяется содержанием щелочей в бетоне или кладочном растворе).

Существует мнение, что стойкость полимерного композиционного материала (ПКМ) к воздействию химически агрессивных сред зависит в основном от стойкости к этому воздействию армирующего материала (стеклянного или базальтового волокна). В связи с этим многие считают, что ПКМ на основе базальтового волокна обладает более высокой химической стойкостью по сравнению с ПКМ, изготовленным на основе бесщелочного алюмоборосиликатного стекла. Действительно, базальтовые волокна по сравнению со стеклянными имеют больший модуль упругости, большую абсолютную прочность после воздействия высоких температур, превосходят их по щелоче- и кислотостойкости. Например, изготовители базальтового ровинга приводят данные сравнительного исследования устойчивости грубого волокна из стекла и базальта к кипячению в различных средах. Результаты этого исследования представлены в таблице 1.

Таблица 1 — устойчивость грубого волокна к кипячению

Потеря веса грубого волокна,
% после 3-х часового кипячения в среде

Базальт Е-стекло

Н2О

1,6

6,2

2n раствор NaOH

2,75

6,0

2n раствор HCl

2,2

38,9

На основании этого формируется мнение о более высокой химической стойкости ПКМ на основе базальтового ровинга.

Однако, опыт исследований химической стойкости ПКМ, проведенных ООО «Бийский завод стеклопластиков», в том числе в независимых лабораториях (Алтайский государственный технический университет (АлтГТУ), лаборатория коррозии бетона НИИЖБ, ИЦ «СТРОЙПОЛИМЕРТЕСТ» г. Москва, УралНИАСЦентр г. Екатеринбург) свидетельствуют о том, что это утверждение ошибочно.

При оценке химической стойкости ПКМ необходимо рассматривать не отдельно волокно или связующее, а композицию, где волокно находится в полимерной матрице. Состояние этой композиции определяет ее стойкость к воздействию агрессивной среды. Наши опыты показывают, что стойкость ПКМ к воздействию агрессивной среды зависит от следующих факторов:

  • стойкость связующего к воздействию данной агрессивной среды;
  • монолитность структуры ПКМ — отсутствие дефектов (определяется технологией и качеством изготовления);
  • состав аппретирующего вещества (обычно называемого «замасливатель» [1]), обеспечивающего надежную связь армирующего волокна со связующим, и равномерность покрытия этим замасливателем элементарного волокна;
  • химическая стойкость волокна, покрытого замасливателем.

Прочностные свойства КМ определяются в основном прочностью и состоянием поверхности волокон, а химическая стойкость к агрессивным средам — свойствами и химической структурой связующего и адгезией его к волокну.

Физико-механические свойства ПКМ формируются параметрами технологического процесса его изготовления (качеством пропитки волокон, режимами отверждения и скоростью охлаждения), обеспечивающими монолитность структуры материала (отсутствие трещин, пор и отслоений матрицы от волокна). Именно монолитность и высокая адгезия матрицы к волокну является определяющими факторами стойкости ПКМ к воздействию агрессивной среды, поскольку они не позволяют проникать среде к поверхности волокна.

Влияние технологических параметров на стойкость ПКМ к воздействию агрессивной среды было отмечено в работе [2], где исследовалась химическая стойкость ПКМ, изготовленных на основе одних и тех же материалов, а итоговые результаты были различные.

Исследования, проведенные ООО «БЗС» показали, что кроме монолитности, большую роль на уровень химической стойкости как стекло-, так и базальтопластика оказывает тип замасливателя и уровень адгезии на границе «волокно-матрица». Следует отметить, что высокая адгезия на этой границе определяется качеством (равномерностью) нанесения замасливателя на элементарное волокно, а также совместимостью волокна и матрицы с этим замасливателем. Поэтому правильный подбор замасливателя является ответственной задачей при разработке композиционного материала.

Замасливатель соединяет элементарные волокна в комплексные нити, облегчает их размотку, защищает от разрушения при переработке. В состав замасливателей входят адгезионно-гидрофобные вещества, способствующие созданию прочной связи на границе раздела волокно-связующее. Именно эту связь — волокно-замасливатель-связующее, ее прочность и стойкость необходимо рассматривать при оценке химической стойкости к действию агрессивных сред материала. Не отдельные компоненты — волокно, замасливатель или связующее, а их взаимную работу в определенных условиях.

Критерием оценки химической стойкости материала может служить коэффициент старения (Кст), представляющий собой отношение прочности после выдержки в агрессивной среде к исходной прочности этого же материала. Мы в своих исследованиях определяли прочность ПКМ при трехточечном изгибе по методике, изложенной в ГОСТ 4648-71, на образцах круглого сечения, отрезанных от исследуемых стержней их ПКМ.

У ООО «Бийский завод стеклопластиков» (БЗС) накоплена база данных о проведенных сравнительных испытаниях различных ПКМ собственного изготовления и приобретенных на рынке строительных материалов. (Следует еще раз отметить, что до настоящего времени нет единой методики определения стойкости материала к воздействию агрессивной среды, о чем мы уже писали в [3]).

В исследованиях, проводимых ООО «Бийский завод стеклопластиков» коэффициент химической стойкости определяли по:

  • методике НИИЖБ, г. Москва (сравнение исходной прочности при трехточечном изгибе с прочностью при трехточечном изгибе после выдержки в 1n растворе NaOH при 55ºС в течение 30 суток).
  • методике, АлтГТУ, согласованной с Федеральным научно-техническим центром (ФЦС) Госстроя России (сравнение исходной прочности при трехточечном изгибе с прочностью при трехточечном изгибе после выдержки в насыщенном растворе Ca(OH)2 при 150?С в течение 14 часов).

В 2003 году в лаборатории коррозии бетона и железобетона ГУП «НИИЖБ», г. Москва были проведены сравнительные исследования химической стойкости стеклопластика, произведенного ООО «БЗС» (производитель № 1), и базальтопластика производителя № 2 по методике НИИЖБ. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 — результаты сравнительных испытаний, проведенных в НИИЖБ

Производитель

№ 1

№ 2

Тип волокна в ПКМ

стеклянное

базальтовое

Диаметр испытываемого стержня из ПКМ, мм

5,63

5,0

Прочности ПКМ при растяжении, исходная, МПа

1928

1322

Модуль упругости ПКМ, МПа

50693

41550,2

Прочности ПКМ при изгибе, исходная, МПа

1954,8

1221,1

Коэффициент старения после выдержки в NaOH при 55°С

30 суток

0,757

0,411

90 суток

0,535

0,183

Кроме того, на Бийском заводе стеклопластиков проведены сравнительные исследования гибких связей из ПКМ различных производителей:

  • стеклопластика ООО «БЗС» — производитель № 1;
  • базальтопластика производителя № 2;
  • стеклопластика и базальтопластика производителя № 3.

Результаты исследований представлены в таблице 3.

Таблица 3 — результаты сравнительного исследования гибких связей различных производителей, проведенного в испытательной лаборатории ООО «БЗС»

Производитель

№ 1

№ 2

№ 3

Тип волокна

стекло (СПА)

базальт (БПА)

базальт (БПА)

стекло (СПА)

Тип связующего

эпоксидное

Диаметр испытываемого стержня из ПКМ, мм

5,5

5,0

6,0

6,0

Прочность ПКМ при изгибе, исходная, МПа

1928

1391

1869,9

1325,4

Температура стеклования,°С

125

119,5

88,5

97,2

Кст, в среде NaOH

0,8

0,44

0,08

0,37

Кст, в среде Ca(OH)2

0,5

0,42

0,18

0,48

Результаты испытаний, приведенные в таблице 3, подтвердили результаты, полученные в НИИЖБе.

Сравнение полученных данных позволяет сделать следующие выводы:

  • гибкие связи из стеклопластика, изготовленные на ООО «БЗС» превосходят по механическим характеристикам гибкие связи из ПКМ других производителей;
  • наиболее близки по механическим характеристикам к гибким связям, производимым ООО «БЗС», гибкие связи из базальтопластика производителя № 3. В тоже время они самые чувствительные к химическим воздействиям из числа испытанных;
  • гибкие связи из базальтопластика производителя № 2 имеют низкие механические характеристики. Уровень их химической стойкости ниже чем у стеклопластиковых гибких связей, производимых ООО «БЗС»;
  • уровень химической стойкости базальтопластика производителя № 3 значительно ниже чем у стеклопластика, производимого тем же предприятием.

Результаты исследования свойств материала гибких связей, представленные в таблицах 2 и 3, показали, что тип волокна не является определяющим фактором химической стойкости композиционного материала. Так, стеклопластик производителя № 3 по химической стойкости превосходят базальтопластик выпускаемый этим же производителем, а химическая стойкость стеклопластика, выпускаемого ООО «БЗС», превосходит базальтопластик производителей и № 2 и № 3. Это подтверждает наши выводы о том, что определяющим фактором химстойкости ПКМ является достигнутый уровень совершенства технологии (обеспечение монолитности) и правильный подбор связующего и типа замасливателя. На Бийском заводе стеклопластиков этим исследованиям уделяется большое внимание.

Проведенный анализ исследований стойкости ПКМ к действию на него химически агрессивных сред (NaOH и Ca(OH)2), позволяет сделать выводы:

  1. При оценке стойкости композиционного материала к действию агрессивной среды необходимо рассматривать не отдельно волокно или связующее, а композиционный материал, где волокно, покрытое замасливателем, находится в матрице, состояние которой в основном и определяет стойкость материала к данной среде;
  2. На уровень химической стойкости композиционного материала влияют технологические параметры изготовления (качество пропитки волокон, режимы отверждения и скорость охлаждения);
  3. Стеклопластик, изготовленный на ООО «БЗС» превосходит по механическим показателям и химической стойкости стеклопластик и базальтопластик других производителей.

Литература:

  1. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1/Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. А. Б. Геллера. М. : Машиностроение, 1988. — 448 с: ил. Страницы 196, 198.
  2. Розенталь Н.К., Чехний Г.В., Бельник А.Р., Жилкин А.П. Коррозионная стойкость полимерных композитов в щелочной среде бетона. // Бетон и железобетон. 2002. № 3. С. 20-23.
  3. Блазнов А.Н, Волков Ю.П., Луговой А.Н., Савин В.Ф. О химической стойкости стеклопластиковой арматуры. Проектирование и строительство в Сибири № 3 (15) 2003г.

Возврат к списку

Система менеджмента качества ISO 9001:2015   

© Все права защищены.
Общество с ограниченной ответственностью
«Бийский завод стеклопластиков»
 
Индекс: 659316, Россия, Алтайский край
г. Бийск, ул. Ленинградская 60/1
Тел./факс: +7 (3854) 448-000, 450-283
E-mail: bzs@bzs.ru