Введение

В первой части данной статьи представлены результаты исследований влияния эксплуатационных факторов на физико-механические характеристики стеклопластика ВПС-58, применяемого для изготовления листов профилированного настила, который предназначен для возведения малых арочных засыпных мостов (рис. 1) [1]. Кроме того, для изготовления несъемной арочной опалубки круглого сечения диаметром 300 мм используют углепластик ВКУ-51.

Рис. 1. Автомобильный арочный двухполосный мост в р. п. Языково Корсунского района Ульяновской области

Неоспоримым преимуществом использования разработанных материалов в мостостроении является возможность изготовления несущих конструкций непосредственно на строительной площадке или вблизи нее без применения крупногабаритного оборудования. Разработанная технология подразумевает использование для пропитки армирующего наполнителя методом вакуумной инфузии эпоксивинилэфирного связующего холодного отверждения, что обеспечивает стойкость получаемых материалов к воздействию различных эксплуатационных факторов [2–5].

Габариты углепластиковой опалубки могут достигать 15 м в длину и 6 м в высоту. Опалубка, заполненная бетонной смесью, обладает значительной несущей способностью благодаря эффекту пространственно сжатого состояния, наблюдающегося в процессе нагружения всей конструкции [6]. Для достижения высокой несущей способности необходимо соблюдение следующих условий:

– упруго-прочностные характеристики материала опалубки должны превосходить характеристики бетонной смеси, используемой для заполнения арочного элемента;

– бетонная смесь должна образовывать с армирующей опалубкой единую конструкцию, т. е. при заполнении арочного элемента не должно возникать внутренних пустот как в объеме бетонной смеси, так и на границе «полимерный композиционный материал (ПКМ)–бетон» [6–8].

Если для выполнения второго условия достаточно использовать безусадочную бетонную смесь и при заполнении пространства внутри опалубки применять погружные виброустройства, то для реализации первого условия необходимо применение материала, обладающего комплексом требуемых характеристик, прежде всего при приложении растягивающих нагрузок [9, 10].

Это обусловлено тем, что для создания эффекта пространственно сжатого состояния в арочной трубобетонной конструкции требуется компенсировать поперечные напряжения, образующиеся в бетоне в процессе нагружения. Для этого материал оболочки должен обладать упруго-прочностными характеристиками, превышающими показатели бетона. Причем арочная оболочка при данном типе нагружения будет воспринимать растягивающие нагрузки, вызванные расширением бетона при сжатии. Поскольку коэффициент Пуассона при сжатии бетона равен 0,17–0,20, то растягивающие нагрузки могут достигать значительных величин. Прочность бетона при сжатии составляет 45 МПа, модуль упругости: 36 ГПа [11–13]. Чтобы арочная оболочка обеспечивала эффект трубобетона, углепластик должен иметь модуль упругости при растяжении ≥36 ГПа, а прочность при растяжении по закону Гука (с учетом удлинения при разрушении углепластиков ~1,2 %) должна составлять ≥432 МПа [9, 14]. С учетом коэффициента запаса упруго-прочностных характеристик 10–15 % установлены минимальные требования к прочности (500 МПа) и модулю упругости при растяжении (40 ГПа).

Однако, кроме определения упруго-прочностных характеристик при растяжении, для подтверждения работоспособности материала в составе конструкции требуется проведение всесторонних исследований, включающих физико-механические испытания при различных видах нагружения и изучение влияния факторов внешней среды, воздействующих на изделие при эксплуатации. Оценке влияния этих факторов на физико-механические характеристики углепластика марки ВКУ-51 посвящена данная статья.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [15].

Материалы и методы

Общую квалификацию углепластика марки ВКУ-51 на основе среднепрочного углеродного жгута и эпоксивинилэфирного связующего с формообразованием в интервале температур от 15 до 40 °С осуществляли на трех партиях [9]. Для проведения исследований изготовлено 36 плит углепластика. Для определения влияния угла ориентации армирующего наполнителя на упруго-прочностные характеристики углепластика изготовили образцы с двумя типами укладки: ортогональной и конструктивной (рукавной). При ортогональной укладке ось армирования наполнителя совпадает с осью приложения нагрузки. Конструктивная укладка максимально приближена к укладке, реализованной в арочном элементе, – ось армирования наполнителя не совпадает с осью приложения нагрузки (рис. 2).

Рис. 2. Схематичное изображение образца углепластика с конструктивной укладкой:
α – угол ориентации армирующего наполнителя, β – угол между осью приложения нагрузки и осью армирования, L – длина образца, b – ширина образца, b₁– длина зоны зажима

Для рукавной укладки угол ориентации армирующего наполнителя α и угол между осью приложения нагрузки и осью армирования β составляют 30 и 15 градусов, для ортогональной укладки: 0 и 0 градусов соответственно.

При ортогональной схеме армирования слои наполнителя в направлении 90 градусов чередовали со слоями в направлении 0 градусов. Схема армирования представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схематичное изображение образца углепластика с ортогональной укладкой: α – угол ориентации армирующего наполнителя, L – длина образца, b – ширина образца, b₁ – длина зоны зажима

В данном случае угол β составляет 0 градусов, т. е. в направлении 0 и 90 градусов материал является равнопрочным. Количество слоев наполнителя в ПКМ определяли исходя из толщины монослоя, рассчитанного по ГОСТ Р 56682–2015 (метод II). Для этого изготовлены плиты углепластика размером 300×300 мм с разным количеством слоев. Установлено, что толщина монослоя составляет 0,16 мм. Исходя из этого, отформованы плиты, толщина которых составила 2,4–2,5 мм (15 слоев наполнителя с расположением [90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°]). При конструктивной укладке, полученной при изготовлении плетеной преформы из трех слоев наполнителя, толщина плиты ПКМ равна 2,4 мм. Таким образом, толщина всех плит, изготовленных с различными схемами армирования наполнителя, была одинаковой. Образцы для проведения испытаний отбирали в равной мере из трех партий материала.

Влияние факторов нагружения на материал, представленных в табл. 1, оценивали при температурах –60, +20, +60 и +80 °С. Исследования малоцикловой усталости (при коэффициенте асимметрии R = 0,1), длительной прочности и ползучести ПКМ проводили при температуре 20 °С.

Таблица 1

Параметры испытаний при определении

упруго-прочностных характеристик углепластика ВКУ-51

Для оценки влияния эксплуатационных факторов образцы углепластика выдерживали в климатических камерах (при повышенной температуре для определения теплового ресурса, в тепловлажностных условиях (при температуре Т = 60 °С, влажности φ = 85±2 % и при Т = 28 °С, φ = 98±2 %), микологической камере и камере тропического климата), а также в жидкостях, взаимодействующих с арочной оболочкой моста при эксплуатации (вода, автомобильные топлива и масла). Условия выдержки определяли исходя из факторов воздействия на материал при эксплуатации и на основании анализа научно-технической литературы [16–22].

Физические свойства углепластика оценивали по показателям плотности и температуры стеклования. Плотность определяли методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 15139–69, температуру стеклования – методом динамического механического анализа по СТО 1-595-36-464–2015.

После экспозиции образцы испытывали на трехточечный изгиб по ГОСТ 25.604–83 при температуре 20 °С и определяли температуру стеклования, полученные характеристики сравнивали с исходными значениями. В ходе выдержки оценивали изменение массы образцов. Испытано по пять образцов после воздействия каждого исследуемого фактора.

Тепловой ресурс определяли при температурах 60 и 80 °С по СТП 1-595-101–83. Для этого образцы помещали в термошкаф и выдерживали при температуре 60 °С в течение 500, 1000, 1500, 2000 ч и при температуре 80 °С в течение 500, 1000 ч.

Тепловлажностные испытания проводили по ГОСТ 12020–72 (заменен на ГОСТ 12020–2018). Для этого образцы помещали в камеру и экспонировали при Т = 60 °С и φ = 85 % в течение 30 и 60 сут.

Экспозицию в камере тропического климата проводили по СТП 1.595-20-100–2002. В камере реализовывался следующий суточный режим в течение 1, 2 и 3 мес.: 8 ч при Т = 50 °С и φ = 98±2 %; 12 ч при Т = 20 °С и φ = 98±2 %; 4 ч при Т = 20 °С и φ = 60±2 %.

Испытания на водопоглощение проводили по ГОСТ 12020–72. Для этого образцы помещали в эксикатор, заполненный дистиллированной водой, и выдерживали в течение 1, 5, 10, 20 и 30 сут при комнатной температуре (23±2 °С).

Испытания на грибостойкость проводили по ГОСТ 9.049–91 (метод 1). Для этого на образцы наносили суспензию, содержащую споры грибов Aspergillius niger van Tieghem, Aspergillius terreus Thorn, Aspergillius oryzae (Ahlburg) Cohn, Penicillium funiculosum Thom, Penicillium cyclopium Westling, Penicillium chrysogenum Thom, Trichoderma viride Pers ex Fr, Chaetomium globosum Kunze, Paecilomyces varioti Bainier. Зараженные образцы выдерживали в камере в течение 1, 2 и 3 мес. при Т = 28 °С и φ = 98±2 %. После съема образцы исследовали под микроскопом для определения степени поражения спорами грибов.

Выдержку в автомобильном топливе проводили в течение 30 сут по ГОСТ 12020–72. Для этого образцы выдерживали в течение 30 сут в моторном масле вязкостью 4–8 и 20–24 мм²/с, бензине марки АИ-92 и дизельном топливе марки Л.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

В первую очередь определили плотность углепластика (1510±10 кг/м³) и температуру стеклования (104 °С). После этого проведены испытания образцов с ортогональной укладкой армирующего наполнителя на растяжение при температурах –60, +20, +60 и +80 °С. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Образцы углепластика ВКУ-51 удовлетворяют требованиям технического задания по рабочему интервалу температур, прочности и модулю упругости при растяжении. Уровень сохранения прочности и модуля упругости при температуре 80 °С составил 87 и 95 % соответственно.

Таблица 2

Результаты испытаний образцов углепластика ВКУ-51

с ортогональной укладкой на растяжение

Результаты испытаний образцов с ортогональной укладкой армирующего наполнителя на сжатие при температурах –60, +20, +60 и +80 °С представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты испытаний образцов углепластика ВКУ-51

с ортогональной укладкой на сжатие

Образцы углепластика ВКУ-51 имеют удовлетворительный уровень сохранения упруго-прочностных характеристик при сжатии. Уровень сохранения прочности и модуля упругости составил 71 и 100 % соответственно.

Результаты испытаний образцов с ортогональной укладкой армирующего наполнителя на изгиб при температурах –60, +20, +60 и +80 °С представлены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты испытаний образцов углепластика ВКУ-51

с ортогональной укладкой на изгиб

Углепластик ВКУ-51 имеет низкий уровень сохранения прочности (67 %) при температуре 80 °С. Поэтому, несмотря на стопроцентное сохранение значений модуля упругости, рекомендовать углепластик ВКУ-51 для изготовления несущих конструкций, работающих при температуре 80 °С, нельзя. Уровень сохранения прочности (79 %) и модуля упругости (100 %) при температуре 60 °С оказался достаточным для того, чтобы рекомендовать материал для изготовления несущих строительных конструкций, работающих при температуре до 60 °С.

Для оценки работоспособности углепластика ВКУ-51 в качестве конструктивной оболочки арочного элемента проведены испытания образцов с укладкой армирующего наполнителя [±30°] на растяжение, сжатие и изгиб при температуре 20 °С. Результаты испытаний представлены в табл. 5.

Таблица 5

Результаты испытаний образцов углепластика ВКУ-51 с конструктивной укладкой

при температуре 20 °С (направление приложения нагрузки 0 градусов)

Результаты испытаний свидетельствуют об ухудшении упруго-прочностных характеристик углепластика при всех видах нагружения, наиболее критичным из которых является растяжение. Полученные значения не удовлетворяют требованиям технического задания, поэтому результаты данного вида испытаний требуют анализа.

При исследовании испытанных образцов выявлено, что разрушение происходило вдоль углеродного волокна (рис. 4). Сами углеродные волокна, находящиеся рядом с зоной разрушения, не были разрушены. Имеют место значительные сдвиговые нагрузки, не характерные для процесса эксплуатации. Таким образом, можно констатировать, что испытание углепластика ВКУ-51 с конструктивной укладкой армирующего наполнителя по ГОСТ 25.601–80 для оценки работоспособности в составе арочной конструкции не показательно. Для достоверной оценки упруго-прочностных характеристик углепластика с конструктивной укладкой при растяжении предложен способ, заключающийся в испытании образцов, в которых армирующий наполнитель полностью вовлечен в нагружение образца [23]. Полученные таким образом значения упруго-прочностных характеристик представлены в табл. 6.

Рис. 4. Образцы углепластика ВКУ-51 с конструктивной укладкой после испытаний на растяжение по ГОСТ 25.601–80 (а, б) и СТО 1-595-11-505–2016 (в, г)

Таблица 6

Результаты испытаний образцов углепластика ВКУ-51

с конструктивной укладкой на растяжение при температуре 20 °С

На основании полученных данных установлена зависимость упруго-прочностных характеристик углепластика от угла ориентации армирующего наполнителя при статическом нагружении (рис. 5).

Исходя из выявленной зависимости, для достижения требуемых прочностных характеристик ПКМ (модуль упругости при растяжении ≥40 ГПа, прочность при растяжении ≥500 МПа) необходимо обеспечить угол армирования углепластика <40 градусов.

Рис. 5. Зависимости упруго-прочностных свойств углепластика ВКУ-51 при растяжении, сжатии и изгибе от угла ориентации армирующего наполнителя

Полученные результаты хорошо сочетаются с данными научно-технической литературы (рис. 6). Можно заключить, что закономерности регулирования прочностных характеристик образцов ПКМ, изготовленных с применением тканых наполнителей, применимы для расчета прочности ПКМ, полученных с использованием плетеных преформ [14, 24–26].

Рис. 6. Зависимость прочности при растяжении полимерного композиционного материала от угла ориентации армирующего наполнителя

Для оценки прочностных характеристик углепластика при продолжительном статическом и динамическом нагружении определены длительная прочность и ползучесть на базе 500 ч, а также малоцикловая усталость при температуре 20 °С. В ходе испытаний установлено, что для образцов с ортогональной укладкой армирующего наполнителя [0°/90°] длительная статическая прочность  составляет 500 МПа, а предел выносливости на базе 1·10⁴ циклов равен 400 МПа. Для образцов с конструктивной укладкой армирующего наполнителя  = 185 МПа, а предел выносливости составляет 150 МПа. Следует также отметить, что испытания углепластика с конструктивной укладкой [±30°] проводили на образцах, изготовленных в соответствии с ГОСТ 25.601–80, ввиду невозможности испытаний образцов, выполненных по СТО 1-595-11-505–2016, на имеющемся оборудовании. Результаты испытаний на ползучесть представлены в табл. 7.

Таблица 7

Результаты испытаний образцов углепластика ВКУ-51 с ортогональной

и конструктивной укладкой на ползучесть при температуре 20 °С (σ_max = 500 МПа)

Полученные данные подтверждают работоспособность углепластика ВКУ-51 в длительном временно́м интервале при приложении нагрузки, близкой к максимально допустимой. Это позволит изготавливать из него несущие конструкции, надежно воспринимающие нагрузки продолжительное время.

Помимо механического нагружения, на конструкцию влияют такие факторы внешней среды, как знакопеременные температуры, тепловлажностное воздействие и др. [20, 27–29]. В связи с этим для оценки влияния эксплуатационных факторов на свойства исследуемого ПКМ образцы углепластика экспонировали в различных средах.

Важнейшим требованием к ПКМ, предназначенным для использования в строительной отрасли, является устойчивость к химически агрессивным средам. Это обусловлено тем, что различные бетоны и строительные смеси на их основе обладают высоким уровнем щелочности неотвержденного раствора на протяжении всего времени, предшествующего отверждению. Их активная кислотность (рH) колеблется в пределах от 11,8 до 13,8 [1, 11]. Такие значения pH характерны для сильнощелочных водных растворов, например 0,1 М раствора NaOH. При нахождении ПКМ в такой среде возможно протекание реакций щелочного гидролиза в молекулярных фрагментах, формирующих полимерную сетку отвержденного связующего. В результате при недостаточной химической устойчивости полимерной матрицы может происходить ее разрушение с последующим выходом из строя оболочки из ПКМ. Поэтому для подтверждения работоспособности углепластика ВКУ-51 в качестве несъемной опалубки образцы экспонировали в щелочном растворе (рН = 13) в течение 7 сут. Кроме того, образцы исследованы после выдержки в тепловлажностных условиях и в воде при температуре 60°С в течение 60 сут.

Результаты исследований образцов углепластика ВКУ-51 с конструктивной укладкой представлены в табл. 8.

Таблица 8

Результаты испытаний на статический изгиб и термомеханические свойства образцов углепластика ВКУ-51 с конструктивной укладкой после тепловлажностного старения

и воздействия щелочной водной среды (pH = 13)

В условиях тепловлажностного старения и воздействия щелочных водных растворов, имитирующих по уровню pH бетонные смеси, происходит незначительное снижение термомеханических и физико-механических характеристик углепластика ВКУ-51. Температура стеклования образцов практически не изменяется (уровень сохранения показателя ~(98–99) %). В то же время уровень сохранения прочности при изгибе образцов ПКМ, прошедших тепловлажностные испытания, составляет от 75 до 89 % по отношению к значениям прочности исходных отвержденных образцов углепластика ВКУ-51 с конструктивной укладкой. Следует отметить, что для такой высокой стабильности физико-механических свойств отвержденных образцов углепластика ВКУ-51 характерны незначительные показатели влагопоглощения: 0,61 % ‒ в воде при Т = 60 °С и 0,33 % ‒ при Т = 60 °С и φ= 85 %.

Результаты испытаний углепластика ВКУ-51 с ортогональной укладкой на изгиб при температуре 20 °С после выдержки в различных средах приведены в табл. 9, а изменение массы – на рис. 7.

Уровень сохранения прочностных характеристик близок к 100 %, причем их изменение после выдержки при температуре как 60, так и 80 °С носит нелинейный характер. В некоторых случаях наблюдается улучшение характеристик, что в совокупности с увеличением температуры стеклования свидетельствует об образовании более прочной сшивки макромолекул полимерной матрицы в результате прохождения реакций доотверждения и старения. Оценивая полученные значения, можно констатировать, что воздействие повышенных температур не оказывает негативного влияния на углепластик. Значительного изменения массы образцов после выдержки при разных температурах не выявлено.

Результаты ускоренных тепловлажностных испытаний показали, что характеристики образцов после экспозиции снизились на <25 %, что является хорошим показателем устойчивости углепластика к воздействию климатических факторов [29–33]. При этом максимальное снижение показателей (24 %) выявлено после выдержки в воде при температуре 20 °С. В случае длительной тепловлажностной выдержки при Т = 60 °С, j = 85 % произошло увеличение прочности при изгибе, что объясняется упрочнением структуры ПКМ вследствие воздействия повышенных температур и сшивки макромолекул матрицы в материале.

Таблица 9

Результаты испытаний при температуре 20 °С образцов углепластика ВКУ-51

с ортогональной укладкой после выдержки в различных средах

Рис. 7. Зависимости изменения массы образцов углепластика ВКУ-51 с ортогональной укладкой от продолжительности экспозиции в различных средах

Дополнительно исследовано влияние тепловлажностных условий на предел прочности при изгибе при повышенной и пониженной температурах (табл. 10).

Представленные данные свидетельствуют о хорошем уровне сохранения свойств углепластика после экспозиции в тепловлажностных условиях и подтверждают его высокую надежность в ожидаемых условиях эксплуатации арочных элементов.

Таблица 10

Результаты испытаний на изгиб после тепловлажностных испытаний

при Т = 60 °С и φ = 85 %

Установлено, что выдержка в воде и тепловлажностных условиях оказала наиболее существенное влияние на прочностные характеристики исследуемого углепластика (уровень сохранения показателей ~76 %). Изменение массы при выдержке не превысило 0,56 % (в тепловлажностных условиях при Т = 60 °С и φ= 85 %). Полученные данные свидетельствуют о незначительном влиянии автомобильных горюче-смазочных материалов (бензин марки АИ-92, дизельное топливо марки Л и моторные масла разной вязкости) на углепластик ВКУ-51, что позволяет использовать его для изготовления конструкций, применяемых при строительстве автодорожных объектов.

Заключения

По совокупности исследованных упруго-прочностных характеристик при разных видах нагружения подтверждена работоспособность углепластика ВКУ-51 в интервале температур от –60 до +60 °С. Уровень сохранения упруго-прочностных характеристик составляет ≥71 %.

Установлено, что для создания эффекта обоймы в арочной трубобетонной конструкции углепластик должен иметь модуль упругости при растяжении ≥40 ГПа, прочность при растяжении должна составлять ≥500 МПа. Выявлена зависимость изменения упруго-прочностных характеристик при растяжении углепластика от угла ориентации армирующего наполнителя. Установлено, что для достижения требуемых прочностных характеристик ПКМ и создания эффекта обоймы в арочной трубобетонной конструкции необходимо обеспечить угол армирования углепластика <40 градусов.

Подтверждена стойкость исследованного углепластика к внешним воздействующим факторам: щелочной среде, тепловлажностной, микологической и влажной среде, воде, автомобильным горюче-смазочным материалам (бензин марки АИ-92, дизельное топливо марки Л и моторные масла разной вязкости).

Таким образом, всесторонние исследования углепластика ВКУ-51 подтверждают возможность изготовления из него несущих конструкций, усиливающих бетонное основание сооружений, работоспособных в интервале температур от –60 до +60 °С и стойких к воздействию факторов окружающей среды.

Получены положительное заключение и техническое свидетельство № 5012-16 от федерального автономного учреждения «Федеральный центр нормирования, стандартизации и технической оценки соответствия в строительстве» (ФАУ «ФЦС»), подтверждающее возможность применения углепластика ВКУ-51 в строительстве.

Благодарность

Авторы считают своим долгом отметить вклад  в постановку и осуществление научного руководства НИОКР шифра «Арка», на основании результатов которой написана данная статья.

Александр Евгеньевич Раскутин (1975–2020) – выпускник МАТИ им. К.Э. Циолковского, к.т.н. Работал в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ с 1998 по 2020 г. Начальник лаборатории, начальник НИО «Полимерные композиционные материалы и технологии их переработки». Научное направление деятельности – высокотемпературные углепластики, технологии и применение ПКМ в конструкции планеров летательных аппаратов. Организатор создания при лаборатории Центра компетенций.