ПОЛИМЕРБЕТОНЫ

Влажностные напряжения

Для изучения напряжений, возникающих в полимер - бетонах при всестороннем увлажнении, полимербетон- ный образец размером 25X25X300 мм устанавливали в специальный алюминиевый стакан, который закрепляли в зажимах специальной установки. В стакан заливали воду, затем всю систему настраивали на нулевые пока­зания.

В процессе всестороннего увлажнения наружные ув­лажненные слои стремятся растянуть образец на величи­ну є, это вызывает отклонение конца компенсирующего плеча рычага. Контакты замыкаются и реверсивный двигатель перемещает груз до тех пор, пока рычаг не возвратится в исходное положение. Таким образом, лю­бая деформация образца компенсируется приложенным к нему внешним усилием, соответствующим среднему влажностному напряжению в образце [81, 109]. При из­мерении усилий, возникающих в увлажняемых образцах, погрешность установки составляет ±0,5%.

При настройке установки на нужный диапазон необ­ходимо учитывать угловую поправку, которая определя­ется зависимостью между временно допускаемой (сиг­нальной) деформацией образца 0 и рабочим перемеще­нием конца рычага Л

0 = (A/L)[/±Btg(a/2)], (46)

Где L — длина рычага; I — расстояние между шарнирами; В — рас­стояние от верхнего шарнира до продольной оси рычага; a — угол поворота рычага при сигнальной деформации образца.

Знак «+» в формуле ставится при увлажнении образ­ца, «—» при высыхании.

Принимая во внимание малое значение угла а, ука­занную зависимость можно представить в более удобном Для практических расчетов виде:

6 = (A/L)[/ ± B(A/2L)]. (47)

При всестороннем увлажнении в зависимости от сте­пени свободы образца эпюры влажностных напряжений в поперечном сечении будут различны.

Эпюры влажностных напряжений для жестко закреп­ленного образца в зажимах прибора и всестороннем ув­лажнении показаны иа рис. 39. Средние напряжения сжатия могут быть рассчитаны по формуле

Ffcp = Pi /S — я|), (48)

Где (7ср — влажностные напряжения в наружных слоях полимербе - тона, МПа; Pi—усилие, зафиксированное на приборе; S — пло­щадь, насыщенная низкомолекулярной жидкостью, см2; г|> — релак­сация напряжений к данному моменту времени, МПа.

Зная глубину проникания жидкости в материал fta, легко определить площадь насыщения S. Значение /га определяется по формулам (35) или (54). По среднему напряжению с учетом геометрического построения эпюры легко вычислить максимальное влажностное напряже­ние, возникающее в поверхностном слое.

Для незакрепленного образца, который может сво­бодно деформироваться по длине, эпюра напряжений бу­дет иметь вид, показанный на рис. 39,6. В этом случае напряжения растяжения в средней части можно подсчи­тать по формуле

Яр = єт Еср/( 1 — [X) —1|3, (49)

Где еє — оптимальное удлинение образца в данный момент време­ни; Еср — средний модуль упругости материала, МПа; (я, — коэффи­циент Пуассона.

Из геометрического построения эпюры видно, что

52 = 2 5, ,

TOC o "1-3" h z S2 = ap (Н-2К) (50)

S = СГсж/la /2 (51)

Откуда

Стеж = сгр (Я — 2 Аа )/Аа — i|). (52)

Результаты экспериментального определения влаж­ностных напряжений полпмербетонных образцов других составов (рис. 40, табл. 65) показывают, что после 720 ч всестороннего увлажнения сжимающие напряжения на поверхности образца составляют от 2,6 до 3,1 МПа, а растягивающие в средней части сечения — 25—30% сжи­мающих.

Если полимербетонные конструкции будут эксплуати­роваться в условиях центрального сжатия, то, учитывая масштабный фактор, такие напряжения практически не опасны. А в растянутой зоне изгибаемых элементов сжи­мающие напряжения будут препятствовать преждевре­менному раскрытию трещин.

При одностороннем увлажнении полимербетонов вла - Жностные деформации набухшего 'слоя будут стремить­ся преодолеть сопротивление сухих слоев и вызвать из­гиб образца. Кроме того, элементы натурных консірук - Ций, как правило, жестко связаны и ограничивают воз-

Рис. 40. Изменение влажностных напряжений полимербетона составов 2 и во времени

Никающие деформации. Поэтому в полимербетоне появ ляются внутренние напряжения, сопутствующие изгибу.

Моделировать указанный процесс можно жестким за­креплением концов образца исследуемого материала так. чтобы при одностороннем увлажнении не происходила деформация изгиба. Зная моменты, которые необходимо приложить к концам образца, можно расчетным путем установить значения влажностных напряжений и их из­менение по толщине материала [81].

Первоначально кинетика деформаций изучалась на незакрепленных образцах размером 15X25X250 мм, сво­бодно лежащих на двух опорах и погруженных в жид­кость нижней плоскостью. При этом прогибы в центре образца замеряли индикаторами часового типа с точно­стью до 0,001 мм, а их относительное удлинение фикси­ровали при помощи механических тензометров Гугенбер - га с базой 100 мм.

С увеличением продолжительности воздействия жид­кой среды скорость развития деформаций А/ уменьша­ется и примерно через 300 ч становится равной нулю, а затем деформации изгиба развиваются с противополож­ным знаком (рис. 41). К этому времени фронт диффун­дирующей жидкости проникает на такую глубину, при которой увлажненный слой материала может растяги­вать весь образец. Поэтому относительное удлинение Єя

Поверхности, не соприкасающейся с жидкостью, непре­рывно увеличивается, а деформации изгиба АI, перейдя через максимум, уменьшаются.

Для построения эпюр распределения нормальных вну­тренних напряжений, возникающих в материале при од­ностороннем контакте с жидкостью, были приняты сле­дующие положения: материал изотропен и толщина его в реальных конструкциях в 10 раз меньше длины, поэто­му давлением разбухающих слоев по толщине, которое вызывается касательными напряжениями, можно прене­бречь.

Эпюра нормальных напряжений по толщине свобод­но деформируемого образца показывает, что при прони­кании низкомолекулярной жидкости на глубину ha и на­бухании увлажненных слоев сухие неувлажненные слои не позволяют деформироваться наружным слоям. Поэто­му в наиболее набухших слоях возникнут напряжения сжимающие стз, а в менее набухших и сухих слоях — растягивающие ст?- Набухшие слои изгибают образец и тем самым сжимают вышележащие сухие слои материа­ла, в которых также возникают напряжения сжатия а.

Обоснование связи перегиба эпюры с глубиной про­никания жидкости в материал и сдвига нейтральной оси изгибаемого образца в сторону неувлажненной части приведено в [136].Указанный сдвиг нейтральной оси оп­ределяется ее расстоянием hu см, до неувлажненной части материала.

Перечисленные параметры характеризуют очертание эпюры нормальных напряжений, возникающих при одно­стороннем контакте полимербетона с жидкой средой.

Для незакрепленного образца эти параметры определя­ются следующими выражениями:

Hi - єп (/2 + 4 Л If /[8 Д / (1 - еп)], (52)

Где еп — относительная деформация образца на увлажняемой по­верхности; I — длина образца между опорами; А/ — размер прогр ба в середине образца со стороны неувлажняемой поверхности:

К = Я (1 — или ha = Я (1 — e*«,Dx'H'), (54)

Где hi — глубина проникания жидкости, см; Н — толщина образц; см; т — время, с; а — коэффициент проницаемости, см/с; Д — коэф фициент диффузии жидкости в исследуемом материале, см2/с;

6, =ЬМХ/(ЬН2), (55)

Где Мх — изгибающий момент в рассматриваемом сечении образц, і на расстоянии х от начала координат при условии, что оно совпа дает с опорным шарниром; b — ширина образца;

62 = — Si (Я — h — ha )/h ; (56 і

S3 = -(S1/z,-S2/z2)/2/za + + К(5і h + S2 h2 f /4 ha - [62 h2 (6, + 62) - b, H]/ha, (57) где h2= H — hI — h2.

Для определения влажностных напряжений при одно­стороннем увлажнении закрепленных образцов была ис­пользована установка Л. О. Лепарского [81]. Установка позволяет автоматически изменять прикладываемые к противоположным концам образца изгибающие моменты при сохранении заданного размера прогиба продольной оси образца.

Установка (рис. 42) скомпонована из двух идентич­ных блоков, в которых закрепляют концы образца 1 из полимербетона. Каждый блок выполнен в виде двухпле - чевого рычага 2, качающегося относительно опорной оси 3. По компенсирующему плечу рычага под действием ме­ханического привода, подключенному к реверсивному электродвигателю, перемещается груз 4. Другое плечо рычага несет противовес 6, уравновешивающий рычаг перед установкой образца. Концы образцов закрепляют в П-образцом коромысле 5.

В процессе набухания при одностороннем увлажне­нии и росте влажностных напряжений в образце возни­кает изгибающий момент, который повернет двухплече - вой рычаг 2 и замкнет контакты Ki и Кз. При этом вклю­чаются электродвигатели, которые перемещают грузы 4 до тех пор, пока образец не вернется в исходное положе­ние. Таким образом, изменение прогиба продольной оси образца будет компенсировано приложенными к его кон­цам изгибающими моментами Ми значение которых мо­жет быть зафиксировано. Погрешность при измерении изгибающих моментов М составляет ±0,5%.

Для закрепленного образца, деформация изгиба ко­торого стеснена, сжимающие (Tj н растягивающие а2 на­пряжения определяют по формулам:

Ь"2 = _ 6, (Я — /г, + /га )/А, + (12 Мх /6 Я)3 (Я/2 — /га ); (58) бз = _ (б, hi - б2 h2 )/2 ha + "К(МгГ+б2 h2 f lh v

— [62 ^ (бі + б2) + б22 H/ha + 6 Мх /6Я3 . (59)

При построении эпюры напряжений ^для закреплен­ного образца следует иметь в виду, что а[ =0.

В приведенные формулы расчета влажностных напря­жений входят значения продольных деформаций и изги­ба образца, свободно деформирующихся при увлажне­нии.

Результаты экспериментального определения изгиба­ющих моментов М, а также напряжений а'2и о 3, разви­вающихся в образцах, закрепленных в зажимах прибо­ра, показали, что кинетика изгибающего момента анало­гична изменению деформации изгиба незакрепленного образца.

Напряжения о'3, возникающие в увлажненном слое материала, резко уменьшаются с увеличением глубины проникания низкомолекулярной жидкости. Растягиваю­щие напряжения а'2 достигают своего максимального

Значения примерно через 80—90 ч и затем уменьшаются.

Анализ результатов испытаний полимербетонных об­разцов при одностороннем увлажнении показывает, что влажностные напряжения наиболее опасны в начальный период контакта полимербетона с жидкими средами, когда скорость диффузии жидкости и, как следствие, интенсивное набухание сравнительно велики, модуль упругости еще достаточно высок, а значение релаксации напряжений еще мало.

Наиболее опасно увлажнение изгибаемых элементов в растянутой зоне, так как оно способствует интенсивно­му развитию деформаций. В сжатой, наоборот, оно сдер живает развитие деформаций. Однако когда жидкость проникает на значительную глубину, напряжения ежа тия, изменив знак, перейдут в напряжения растяжения

Приведенные результаты исследований диффузион­ной проницаемости и химической стойкости полимербето­нов, а также исследований коррозионной стойкости сталь­ной арматуры в тяжелых полимербетонах (выполнены Берманом Г. М.) и легких полимербетонах на аглопори - товых заполнителях (выполнены Лучининой Ф. А.) по­казали, что при правильном подборе составов и доста­точной толщине защитного слоя коррозии стальной ар­матуры практически не происходит. Сталеполимербетон - ные конструкции длительное время могут эксплуатиро­ваться в условиях интенсивного воздействия жидких аг­рессивных сред.