CC BY
6DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1 -202-205
РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ ПРИ КЛИМАТИЧЕСКОМ СТАРЕНИИ БАЗАЛЬТОПЛАСТИКОВОЙ АРМАТУРЫ
Гаврильева А. А.1, Старцев О.В.1, 2, Кычкин А.К.1, Лебедев М.П.2, Кротов А.С.1,
Лукачевская И.Г.1' 2
1 ФГБУН ФИЦ «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения
Российской Академии наук, г. Якутск
2 ФГБУН ФИЦ «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии
наук», г. Якутск
Показан размерный эффект при климатическом старении базальтопластиковой арматуры (БПА). Деформативность БПА снизилась с ростом диаметра БПА, температура стеклования возросла значительнее с меньшим диаметром БПА. Пластификация влагой снизила прочность БПА диаметром 6 мм на 10-25% и не изменила прочности толстых БПА. Доотверждение и повышение жесткости связующего в направлении армирования в БПА с меньшим диаметром привели к уменьшению скорости изменения концентрации влаги по направлению армирования.
Введение. Характерной особенностью полимерных композиционных материалов (ПКМ) является зависимость их механических показателей от формы и размеров образцов [15]. В научной литературе содержится много примеров, показывающих, что после одинаковых воздействий агрессивной внешней среды эффекты старения ПКМ существенно зависят от формы и размеров тестируемых образцов [6], [7]. Температура, влажность, УФ-радиация вызывает разрушение C-O связей, образование пустот и микротрещин преимущественно в поверхностных слоях ПКМ [2, 6-8].
Целью данной работы является выявления размерного фактора при климатическом старении БПА. Для этого был выполнен анализ прочностных и физических характеристик БПА разного диаметра после 51-54 месяцев выдержки в двух климатических зонах, а также анализ влагопереноса по 2D модели Ленгмюра в БПА разного диаметра после 28-30 месяцев выдержки в двух климатических зонах.
Объект и методы исследования. Объектом исследования является базальтопластико-вая арматура (БПА) - однонаправленный армированный (базальтовый ровинг РБН 13-2400-4C) стержень периодического профиля производства ООО «ТБМ» (г. Якутск) изготавливается в соответствии с технологическим регламентом РТП-2296-001-86166796-2012 с номинальным диаметром 6, 8, 10, 16, 20 мм (БПА 6, БПА 8, БПА 10, БПА 16, БПА 20) определяемым в ТУ 2296-001-86166796-2013.
Экспонирование БПА проводилось согласно ГОСТ 9.708-83 в экстремально холодном климате г. Якутска и в умеренно-теплом климате г. Геленджика.
Измерения относительного термического расширения БПА были выполнены на TMA 202C от минус 80 до 200 °С со скоростью нагрева 5 °С в минуту и нагрузкой на образец 0,03 Н. Использовалось по 5 параллельных образцов размерами 5х5х20 мм.
Измерения динамического модуль потерь были выполнены с помощью DMA 861 при изгибных колебаниях полосок длиной 50 мм. Использовалось по 5 параллельных образцов при скорости нагрева 5 °С/мин и частоте 1 Гц от 50 до 230 °С.
Измерения пределов прочности при растяжении, сжатии и изгибе были проведены на испытательной машине Z100 при комнатной температуре. В каждой партии измерений использовалось по 10 параллельных образцов.
Кинетика поглощения влаги определялась как относительное изменение массы высушенного образца при воздействии температуры 60 °С и относительной влажности 98±2%.
Результаты и обсуждение. На рисунке 1 представлены средние значения коэффициента линейного термического расширения БПА 6, БПА 8, БПА 10 после 54 месяцев экспонирования в Якутске.
Интервал температур от минус 60 °С до 110 °С соответствует стеклообразному состоянию эпоксидной матрицы. Внутри этого интервала по мере роста температуры КЛТР БПА 6 несущественно возрастает от 5,510-6 К-1 до 6,4 10-6 К-1. Выше температуры 110 °С КЛТР этого стержня возрастает до 7,8 10-6 К-1 вследствие появления сегментальной подвижности и перехода связующего в высокоэластическое состояние (рис. 1).
Для БПА10 КЛТР в указанном интервале температур изменяется в меньших пределах (рис. 1).
Таким образом, деформативность БПА, экспонированной в Якутске, при повышенных температурах снижается с ростом диаметра стержня.
Температуру стеклования Тд определяли по положению максимума динамического модуля потерь от температуры. Такой метод определения дает достоверное значение Тд согласно работе [8]. В таблице 1 представлены Тд образцов БПА после экспонирования в Якутске и Геленджике.
Таблица 1. Температура стеклования эпоксидной матрицы БПА (°С).
Рис. 1. Среднее значения КЛТР БПА после 54 месяцев экспонирования в Якутске: (1) - БПА 6; (2) - БПА 8; (3) - БПА 10
Условия испытаний БПА 6 БПА 8 БПА 10
Исходное состояние 133 133 134
После 51 месяцев экспонирования в Якутске 139 137 135
После 54 месяцев экспонирования в Геленджике 143 140 136
Tg эпоксидной матрицы БПА 6 повысилась на 6 °С после экспонирования в Якутске и на 10 °С после пребывания в Геленджике. Эффект уменьшился по мере увеличения диаметра арматуры. Для БПА 10 возрастание Tg не превысило 1-2 °С. Повышение Tg является признаком доотверждения эпоксидной матрицы [8, 9]. В работе [10] было показано, что доотверждение активируется в условиях повышенных уровней температуры и относительной влажности воздуха, то есть в условиях климата Геленджика. Поскольку за время экспозиции влага успевает проникнуть только в поверхностный слой БПА, то основной объем арматуры большого диаметра остался недоступным для молекул воды, что и не привело к увеличению Tg.
Результаты измерения прочностных показателей БПА представлены в таблице 2. Оказалось, что пределы прочности о?, во, въ, измеренные после 28-30 месяцев и 51-54 месяцев экспонирования, увеличились на 5-11% в БПА 10. Подобное возрастание в? до 14% произошло и в БПА 6. Основываясь на результатах ТМА и ДМА (рис. 1, табл. 1), можно утверждать, что возрастание о?, обусловлено доотверждением и повышением жесткости связующего в направлении армирования. В то же время показатели во и въ, уменьшаются на 10-25% в тонких стержнях (табл.2). Такое несоответствие можно объяснить пластифицирующим влиянием влаги. При одинаковой глубине проникновения влаги ее действие на прочность тонких стержней оказалось значительным, а для толстых стержней несущественным.
Таблица 2. Предел прочности БПА (МПа).
Условия испытаний Способ нагружения Обозначение БПА 6 БПА 8 БПА 10
Исходное состояние Растяжение ъ 1120 1003 -
Изгиб Оь 1209 764 624
Сжатие Ос 410 466 432
30 месяцев экспонирования в Геленджике Изгиб Оь 1094 658 612
Сжатие Ос 427 420 454
28 месяцев экспонирования в Якутске Растяжение 1206 1078 -
Изгиб Оь 1087 733 639
Сжатие Ос 428 474 452
54 месяцев экспонирования в Геленджике Растяжение 1193 1029 -
Изгиб Оь 920 730 677
51 месяц экспонирования в Якутске Растяжение 1275 1080 -
Изгиб Оь 976 666 695
Используем модель Ленгмюра [Ошибка! Источник ссылки не найден.] для цилиндра радиуса Я и высотой И=2к, мобильные молекулы воды диффундируют с коэффициентом диффузии (рг, Бъ) и становятся связанными с вероятностью у, в то же время связанные молекулы воды становятся мобильными с вероятностью Р, тогда содержание влаги М(€) в цилиндре через время воздействия влаги t выражается в виде
м(0 = м0 (1
У
У + Р
-рь
(3
Г + Р^Ип
п=1
у±е-^у *
¿-I ^ ¿-I ^
2
(1)
т=1
где М0 - предельное содержание влаги, ]0(^п) = 0 - нули функции Бесселя первого рода, ^т = (2т - 1)п/2.
Аппроксимируя выражением (1) кинетику поглощения влаги в течение 60 дней в образцах БПА методом наименьших квадратов, получена адекватность модели Ленгмюра (коэффициент детерминации Я2 = 0,91-0,99). Результаты аппроксимации кинетики поглощения влаги в БПА моделью Ленгмюра представлены на рисунке 2.
р^2'
Исходный
2.0
ьи
БПА 6 БПА 8 БПА 10 БПА 16 БПА 20 □ Н=30 ■ 50 ■ 70 □ 100 тт
¡\jlf_ о,/я2'
Геленджик
2:5
0.5
0:0
щ||1
БПА 6 БПА 8 БПА 10 БПА 18 БПА 20 □ Н=30 ■ 50 ■ 70 □ 100 тт
а) б) в)
Рис. 2. Результаты аппроксимации кинетики поглощения влаги в БПА моделью Ленгмюра: а) исходных; б) после 28 месяцев экспонирования в Якутске; в) после 30 месяцев экспонирования в Геленджике
Для всех образцов БПА разного диаметра и высоты отношение
Ру/К2 оп/п2
1,3 примерно
одинаково. В отличие от отношения для БПА 6 после 30 месяцев экспонирования в Геленджике, здесь наблюдается уменьшение отношения по мере роста высоты образца (рис. 2. в)), что говорит о том, что чем выше высота образца БПА 6, тем меньше вклад в скорость насыщения от диффузии влаги по направлению армирования. Как было указано, выше доотвержде-ние и повышение жесткости связующего в направлении армирования в БПА 6 привел к уменьшению скорости изменения концентрации влаги в образцах по направлению армирования.
Заключение. Показано, что 2D модель Ленгмюра адекватно описывает кинетику поглощения влаги в БПА и дает количественную информацию об анизотропии влагопереноса и влиянии длины и диаметра образцов БПА. Коэффициенты диффузии в направления армиро-
вания для БПА оказались существенно выше, чем радиальном направлении. Показано, что после климатического воздействия деформативность БПА снизилась с ростом диаметра стержня, температура стеклования возросла значительнее в стержне с меньшим диаметром. Пластификация влагой снизила прочность стержня БПА 6 на 10-25% и не изменила прочности толстых стержней. При одинаковой глубине проникновения атмосферной влаги в объем БПА ее влияние на прочность тонких стержней оказалось существенным, а для толстых стержней - незначительным.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FWRS-2024-0036, тема № FWRS-2024-0095).
Литература
1. Bazli M., Ashrafi H., Jafari A., Zhao X.-L., Raman R.K.S., Bai Y. Effect of Fibers Configuration and Thickness on Tensile Behavior of GFRP Laminates Exposed to Harsh Environment //Polymers. 2019. V. 11. No 1401.
2. Ronagh H., Saeed N. Changes in mechanical properties of GFRP composite after exposure to warm seawater//J. of Composite materials. 2017. V. 51. P. 2733-2742.
3. Benmokrane B., Manal A., Bouhet J.-C., Mohame K., Robert M. Effects of diameter on the durability of glass fiber-reinforced polymer bars conditioned in alkaline solution//J. Compos. Constr. 2017. V. 21. P. 1-12. Paper 04017040.
4. Ashrafi H., Bazli M., Jafari A., Ozbakkaloglu T. Tensile properties of GFRP laminates after exposure to elevated temperatures: Effect of fiber configuration, sample thickness, and time of exposure//Composite Structures. 2020. V. 238. Paper 111971.
5. Mlyniec A., Korta J., Kudelski R., Uhl T. The influence of the laminate thickness, stacking sequence and thermal aging on the static and dynamic behavior of carbon/epoxy compo-sites//Composite Structures. 2014. V. 118. P. 208-216.
6. Cinquin J., Medda B. Influence of laminate thickness on composite durability for long term utilization at intermediate temperature (100-150 C)//Composites Science and Technology 2009. V. 69. P. 1432-1436.
7. Wang Y., Zhu W., Zhang X., Cai G., Wan B. Influence of thickness on water absorption and tensile strength of BFRP laminates in water or alkaline solution and a thickness-dependent accelerated ageing method for BFRP laminates. // Appl. Sci. 2020. V. 10. Article 3618.
8. Startsev O.V., Lebedev M.P., Vapirov Y.M., Kychkin A.K. Comparison of glass-transition temperatures for epoxy polymers obtained by methods of thermal analysis //Mechanics of Composite Materials. 2020. V. 56. P. 227-240.
9. Startsev V.O., Lebedev M.P. Kychkin A.K. Influence of moderately warm and extremely cold climate on properties of basalt plastic armature // Heliyon. 2018. V.4. Article 01060.
10. Startsev O.V., Krotov A.S., Startseva L.T. Interlayer shear strength of polymer composite materials during long term climatic ageing //Polymer Degradation and Stability. 1999. V. 63. P. 183-186.
11. Aniskevich A., Glaskova-Kuzmina T. Effect of moisture on elastic and viscoelastic properties of fiber reinforced plastics: Retrospective and current trends. in Creep and Fatigue in Polymer Matrix Composites; ELSEVIER Ltd., 2019. P. 83-120.
