УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСКОРЕННОГО ХИМИЧЕСКОГО СТАРЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПОД НАГРУЗКОЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, конкретно к устройствам для экспериментального определения остаточной прочности композитных изделий, подвергнутых ускоренному химическому старению, и может быть использована для экспериментального определения остаточной прочности изделий при испытании на одноосное растяжение.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) изготавливают из высокопрочных волокон (стеклянных, базальтовых, углеродных и других), объединенных полимерной матрицей (связующим). Механические свойства (прочность, модуль упругости) ПКМ определяются в основном свойствами волокнистых наполнителей, а способность сохранять эти свойства при воздействии агрессивной среды (кислотной или щелочной) определяется матрицей. При взаимодействии агрессивной среды на матрицу протекают химические реакции, которые выражаются в снижении механических свойств композиционного материала. В связи с этим испытания на стойкость к агрессивной среде определяют безопасность эксплуатации ПКМ и изделий из них.
В области электротехники ПКМ используются для создания полимерных электроизоляторов на основе несущего стеклопластикового сердечника, траверс из композитных материалов, опор ЛЭП из намоточных композитов. В электротехнической промышленности ввиду воздействия высоких напряжений и влажности воздуха может образоваться кислая или щелочная среда, что приводит к разрушению ПКМ, называемому в электротехнике «хрупкий излом». Описаны крупные аварии в электросетях, связанные с разрушением несущего стеклопластикового стержня в подвесных полимерных изоляторах [CIGRE Working Group 10 of Study Committee 22. Suspension and tension composite insulators for overhead lines.: CIGRE 1980 Session, 1980. - Pr. 22-80]. Причиной аварий назван «хрупкий излом», вызванный одновременным воздействием на стеклопластик механической нагрузки и водного раствора азотной кислоты, который образуется в результате воздействия коронных разрядов, возникающих в окрестности токонесущего провода, на влажный воздух, контактирующий со стержнем или находящийся в порах стержня [Kumosa, М., Kumosa, L. and Armentrout, D. "Failure Analyses of Non-Ceramic Insulators: Part I - Brittle Fracture Characteristics," IEEE Electrical Insulation Magazine. Vol. 21, No. 3 (2005) pp. 14-27. http://www.engr.du.edu/CFAMS/insulation_mag_1.pdf].
Также стержни и изделия из композитов широко используют в строительстве - для армирования бетона, в мостах, тоннелях, метро. В этих сооружениях стержни чаще всего испытывают одновременно механические нагрузки и щелочное воздействие среды бетона, агрессивную среду морских пирсов, блуждающих токов - для шпал и бетонных столбов, армированных неметаллической арматурой, коррозионную среду гальванических цехов. Армированные полимерными композитами мостовые настилы, дорожные ограждения, плиты, парковки, железнодорожные переходы контактируют с антиобледенительными солями и испытывают циклические нагрузки.
Отмечено, что воздействие двух и более факторов одновременно более интенсивно, чем последовательное воздействие этих факторов. Так как волокнистый композит состоит из связующего и элементарных волокон, то под действием нагрузки на поверхности изделия возникают микротрещины и туда попадает кислота или щелочь. Диффузия среды в эти места резко усиливается, снижая энергию межмолекулярных связей и ускоряя процесс разрушения. Это явление для полимеров известно под названием эффекта Ребиндера [Ребиндер П.А. Физико-химическая механика. М.: Знание, 1958. 64 с.].
Из уровня техники [ГОСТ 31938-2012. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2014. - 34 с. Приложение Е] известен способ ускоренного определения устойчивости к щелочам арматуры композитной полимерной. Сущность способа заключается в выдержке образцов композитной арматуры в щелочной среде с уровнем pH от 12,6 до 13 (соответствующей жидкой фазе затворенного бетона), при температуре (60±3)°C в течение 30 суток. После этого концы образца закрепляют в захваты и проводят испытания на растяжение до разрушения согласно ГОСТ 31938-2012, определяя остаточную прочность состаренных образцов.
К недостаткам этого способа испытаний можно отнести следующие:
- стержни находятся в ненагруженном состоянии, следовательно интенсивность воздействия менее выраженная, чем одновременно воздействие щелочной среды и механическая нагрузка, которые присутствуют в условиях эксплуатации;
- весь стержень (или его концы) погружаются в раствор щелочи, при этом может происходить коррозионное разрушение именно концов (открытых для диффузии) и меньшее воздействие в средней части, что приведет к тому, что при испытаниях на растяжение образцы могут разрушиться в захватах - таким образом, не удастся получить зачетный результат определения остаточной прочности в рабочей зоне, между захватами.
Известен метод и устройство для исследований коррозионного разрушения ПКМ под нагрузкой в кислой среде [Kumosa, М., Kumosa, L. and Armentrout, D. «Failure Analyses of Non-Ceramic Insulators: Part I - Brittle Fracture Characteristics,» IEEE Electrical Insulation Magazine. Vol. 21, No. 3 (2005) pp. 14-27. http://www.engr.du.edu/CFAMS/insulation_mag_1.pdf]. Устройство для испытаний обеспечивает четырехточечный поперечный изгиб вырезанного из стержня образца, имеющего форму продолговатой пластинки. Этот метод можно использовать и для испытания натурных стержней. В месте наибольшего прогиба на образец устанавливается емкость с коррозионной средой. К существенному недостатку этого метода можно отнести сложную систему измерения величины деформации стержня, требующую двух датчиков перемещения, а также сложность герметизации емкости с агрессивной средой.
Наиболее близкой к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является устройство для химического старения при постоянной нагрузке при растяжении, которое описано в ACI 440.3R-04 разделе В6 пункте 1.2.2 [Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures] и [Kumosa, M., Kumosa, L. and Armentrout, D. "Failure Analyses of Non-Ceramic Insulators: Part I - Brittle Fracture Characteristics," IEEE Electrical Insulation Magazine. Vol. 21, No. 3 (2005) pp. 14-27. http://www.engr.du.edu/CFAMS/insulation_mag_1.pdf]. В этом методе концы образца закрепляются в испытательные муфты, образец закрепляется в захватах и реализуется одноосное растяжение. На середине рабочей части образца помещается капсула с агрессивной средой. Изделие в нагруженном состоянии выдерживается 2000 часов при температуре 60°С. После истечения срока выдержки, изделие испытывается одноосным растяжением до разрушения.
Недостатками этого способа являются следующие:
- необходимость приложить большие усилия при растяжении образца - так как испытания проводятся при нагрузках величиной до 50% от разрушающей нагрузки, то, например, для стеклопластиковой арматуры диаметром 16 мм эта величина достигает значения около 120 кН - такие усилия неизбежно ведут к сложности и дороговизне испытательного оборудования;
- реализуется только один вид нагружения, который не в полной мере отражает рабочие деформации изделия.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание конструкции устройства для ускоренного химического старения композитных изделий при продольном изгибе стержня, с целью расширения диапазона деформаций изделия и удешевление испытательных установок, повышения достоверности результатов испытаний и снижения их трудоемкости.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается устройство для ускоренного химического старения композитных изделий под нагрузкой, содержащее раму и установленные на ней две шарнирные опоры для крепления образца с возможностью продольного (горизонтального) перемещения и создания продольного изгиба образца, причем по крайней мере одна из опор подвижна и снабжена нагружающим механизмом.
Предлагаемое устройство поясняется фигурой.
Устройство для ускоренного химического старения композитных изделий под нагрузкой содержит раму (1) с закрепленной на ней неподвижной шарнирной опорой (2) и подвижной шарнирной опорой (3), имеющей возможность горизонтального перемещения, снабженной нагружающим механизмом (винтом) (4). Образец (5) зажимается между опор (2) и (3), в его средней части (зоне наибольшего прогиба) закрепляется емкость с агрессивной средой (6).
Устройство работает следующим образом.
Образец (5) устанавливают в опоры (2) и (3), на среднюю часть помещают емкость с агрессивной средой (6). С помощью нагружающего механизма (4) путем сближения расстояния между опорами (2) и (3) создается продольный изгиб образца (5) до величины заданного прогиба/напряжения в образце. После этого подвижную опору фиксируют и проводят испытания на ускоренное химическое старение под нагрузкой в течение заданного времени при определенной температуре. Затем изделие вклеивают в испытательные муфты по ГОСТ 31938-2012 и производят испытание на одноосное растяжение известным методом до полного разрушения. Одновременно с образцами изделий, подвергнутых химическому старению, испытываются исходные образцы из той же партии. Результаты испытаний на одноосное растяжение до разрушения сопоставляют, и определяют остаточную прочность либо падение прочности по отношению к исходным образцам в процентном соотношении или в абсолютных величинах.
Образцы могут иметь форму стержня, трубы, оболочки или пластины. Образцы могут быть как изготовлены специально для испытаний, так и вырезаны из готовых изделий. Для исключения чрезмерно высоких продольных нагрузок, необходимых для продольного изгиба, длина образца выбирается преимущественно не менее 30 его диаметров (или толщин - для плоского образца).
Напряжение при продольном изгибе а, зависит от прогиба стержня ƒ по известной формуле:
где Р - продольная сила, Н;
ƒ - стрела прогиба образца при продольном изгибе, мм;
3
w - момент сопротивления поперечного сечения образца, мм.
Продольная сила может быть определена по известной формуле Эйлера:
4
где I - момент инерции поперечного сечения образца, мм;
Е - модуль упругости материала образца, МПа;
μ - коэффициент, учитывающий условия заделки образца при продольном изгибе (для шарнирной заделки принимается μ=1);
L - длина образца, мм.
Воздействие химических реагентов происходит при продольном изгибе стержня, а, как известно, при изгибе одновременно реализуется растяжение и сжатие материала изделия. При изгибе сильнее раскроется структура поверхностного слоя, что, в свою очередь, усугубит химическое воздействие.
При продольном изгибе усилия, необходимые для достижения напряжений значительно меньше, чем при одноосном растяжении. Например, для стеклопластикового стержня диаметром 16 мм приложенная сила будет около 20 кН, что в 6 раз меньше, чем при растяжении. Используя выражение (2), можно определить осевую силу, зная геометрические размеры и модуль упругости материала образца для определения габаритов и конструктивных размеров устройства. С помощью выражения (1) можно регулировать величину приложенного к образцу напряжения в широких пределах путем изменения прогиба. Устройство обладает простотой, не требует специальных измерительных приборов для измерений физических величин. Локализация напряжений в зоне наибольшего прогиба позволяет консервировать нагрузку в образце в течение всего времени испытаний, не требует дополнительных нагружающих устройств и испытательных машин и не ограничено во времени. В процессе ускоренного старения интенсивной нагрузке подвергается лишь средняя часть образца, а концы остаются неповрежденными, что обеспечивает их прочное скрепление с металлическими захватами. Как правило, разрыв при испытаниях происходит не в захвате, а в средней части, подвергнутой воздействию агрессивной среды, чем обеспечивается повышение достоверности результатов испытаний.
Технический результат, полученный при реализации предлагаемой полезной модели, был достигнут при испытаниях трех партий стеклопластиковых стержней, имеющих разное связующее и разную химическую стойкость. При изготовлении всех образцов использовался стеклянный ровинг ЕС 17. Материалы связующего: эпоксидиановые смолы ЭД-22 и ЭТАЛ, новолачная эпоксидная смола NPPN-631 и изометилтетрагидрофталевый ангидрид. Стержни представляли собой круглые профили с поперечными выступами, идущими по однозаходной винтовой линии. Особенность стержней заключается в том, что они имеют слоистую конструкцию, состоящую из силового сердечника и внешнего рельефного слоя, предназначенного для обеспечения прочности сцепления стержней с бетонами и строительными растворами.
Образцы каждой партии были разделены на две группы: исходные (группа 1) и предназначенные для химического старения (группа 2). Старение проводилось в 1Н растворе NaOH при температуре 60°С в течение 2000 часов при продольном изгибе под нагрузкой 300 МПа, что составляет 30% от разрушающего напряжения. Далее образцы были вклеены в стальные испытательные муфты по ГОСТ 31938-2012 с помощью связующего на основе эпоксидной смолы ЭД-22, отвердителя ПЭПА и портландцемента. Испытания на одноосное растяжение были проведены с помощью разрывной машины Instron 8803. Скорость нагружения 25 мм/мин. Результаты испытаний приведены в таблице.
Как видно из таблицы, наилучшие результаты показывают образцы партии №2 (ЭД-22+ЭТАЛ). Падение прочности составляет 6,6% по сравнению с исходными образцами. У остальных партий оно многократно превышает данное значение. Важно отметить, что у всех состаренных образцов разрушение происходило исключительно в области старения, в отличие от исходных, которые разрушались и в захватах и в рабочей части. Это может объясняться высокой исходной прочностью образцов и воздействием захвата (прочность самого стержня превышает результат испытаний, ввиду разрушения его в захвате или по границе). Особенно важно это отметить у образцов партии 2, так как с учетом коэффициентов вариации результаты испытаний образцов до и после старения расположены очень близко. Но характер разрушения говорит о том, что химическое воздействие на образцы было. При использовании предложенного устройства для реализации продольного изгиба происходит старение в локальном месте наибольшего прогиба, а прочность в местах соединения с захватами не теряется, и при последующих испытаниях на растяжение происходит стабильное разрушение в ослабленном месте, подвергнутом старению.