Исследование взаимосвязи скорости распространения ультразвука в стеклопластиковой арматуре и ее физико-механических характеристик

Романюк В.Н.

Строительная индустрия стремительно развивается, непрерывно создаются новые материалы, внедряются современные технологии. Одним из перспективных направлений ее развития является применение в строительстве композитных материалов.

Композитные материалы на сегодняшний день широко применяются не только в строительной индустрии, но и во многих отраслях промышленности (химической, нефтехимической, медицинской, машиностроении), в ядерной энергетике, ракетостроении, производстве спортивного снаряжения [1].

В строительстве наиболее распространены и востребованы такие виды композитов, как углепластиковые панели, слоистые материалы, текстолиты, стеклопластики. Композиты используются как в качестве конструкционных материалов, так и в качестве предметов воплощения дизайнерских идей.

Одним из примеров использования композитов в несущих строительных конструкциях является стеклопластиковая арматура, о которой поговорим более подробно.

Композиционные материалы - это многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц [2]. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия.

По структуре наполнителя композитные материалы подразделяются на волокнистые (армированные волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированные пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные или дисперсноупрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц).

Многие композиты, в том числе и стеклопластиковая арматура, превосходят традиционные материалы по своим свойствам.

Композитная арматура - неметаллические стержни, полученные после отверждения термореактивного или термопластичного полимерного связующего и стеклянных, базальтовых, углеродных или арамидных волокон.

Говоря о композитной арматуре, необходимо выделить ряд ее преимуществ:

1. Небольшой удельный вес (позволяет использовать стеклопластиковую арматуру для армирования конструкций из ячеистого бетона);

2. Низкая теплопроводность (исключает образование мостиков холода, улучшает теплоизоляционные параметры);

3. Удобство транспортировки (благодаря гибкости арматуры, доставка производится в бухтах, а не отдельными прутками, кроме того уменьшается число нахлестов при армировании);

4. Композитная арматура - диэлектрический материал (исключает создание радиопомех внутри здания, не подвергается коррозии от блуждающих токов);

5. Высокая прочность на разрыв;

6. Высокая стойкость к коррозии (не подвержены влиянию химически активных сред).

Наряду с достоинствами композитной арматуры необходимо выделить ее недостатки:

1. Неустойчивость к термическим нагрузкам;

2. Низкий модуль упругости;

3. Низкая устойчивость к щелочной среде;

4. Низкая жесткость каркаса по сравнению с металлокаркасом (меньшая устойчивость к вибрационным нагрузкам).

Арматура, изготовленная из композитных материалов, успешно используется для армирования фундаментов, в том числе может применяться для армирования фундаментных плит, армирования стен, кирпичных кладок, для использования в качестве гибких связей в многослойных стеновых конструкциях (железобетонных, кирпичных), используется в гидротехнических сооружениях (например, плотины), в мостостроении, в улучшении жесткостных характеристик деревянных клееных конструкций, в дорожном строительстве.

Существуют следующие виды композитной арматуры:

- стеклопластиковая (АСП) - в качестве основы служит стекловолокно, в качестве связующего - термореактивные смолы;

- базальтопластиковая (АБП) - в качестве основы служит базальтовое волокно, в качестве связующего - органические смолы;

- углепластиковая (АУП) - состоит из углеводородных волокон;

- комбинированная (АКК) - состоит одновременно из стекловолокна и волокон базальта.

В связи с тем, что область применения композитных материалов, в том числе композитной арматуры, постоянно расширяется, остро встает вопрос о контроле качества данных материалов, которые уже поступили на производство.

Изучение вопроса контроля качества композитной арматуры неразрушающими методами в наши дни актуально, так как зачастую необходим контроль материалов, пришедших на строительную площадку, но на строительной площадке нет необходимой для разрушающего контроля техники. Кроме того, данный метод будет полезен и производителям стеклопластиковой арматуры, так как это позволит сократить количество обращений в стационарные лаборатории.

Стоит проблема объективной оценки качества композитных материалов, возможности применения различных физических методов для контроля их качества.

Вопрос неразрушающего контроля активно изучается в сфере производства композитных материалов в горном машиностроении, в авиастроении [2,4]. Кроме того, неразрушающий метод контроля в производстве стеклопластиков применяется для оценки степени полимеризации связующего компонента [3].

Развитие современных неразрушающих методов контроля физико-механических и, в частности, прочностных характеристик композитных материалов происходит в различных направлениях:

- установление функциональных теоретических соотношений между прочностными и физическими параметрами материалов;

- оценка эмпирической статистической корреляции прочности и физического параметра исследуемого материала;

- разработка комплексных многопараметровых методов контроля;

- создание неразрушающих методов контроля интегральной прочности изделий и конструкций [4].

Исследование, разработка и экспериментальное подтверждение функциональных теоретических соотношений между пределом прочности и физическими параметрами стеклопластиков представляет значительные трудности, обусловленные сложной структурной неоднородностью композиции, неравнозначностью влияния дефектов структуры и низкого качества компонентов на прочность и физические параметры, неравномерностью распределения различных видов напряжения в изделии.

Качество композитных материалов сложно контролировать неразрушающим методом, так как данные материалы обладают анизотропностью свойств.

При анализе прохождения ультразвуковых волн через композитные материалы стоить отметить неэффективность для контроля композитов высокочастотные ультразвуковые методы, так как ультразвуковые волны с частотой выше 1-5 МГц сильно ослабляются и рассеиваются матрицей, волокнами, различными включениями [5].

Среди акустических методов неразрушающего контроля, из полимерных композиционных материалов, особое место занимают низкочастотные методы, в которых применяется сухой контакт преобразователя с поверхностью контролируемого изделия [6].

Основными преимуществами специальных низкочастотных методов контроля перед другими методами неразрушающего контроля композитных материалов являются:

- отсутствие необходимости смачивания конструкций или погружения их в жидкость, что позволяет проводить контроль деталей и агрегатов из гигроскопичных материалов;

- кривизна поверхности контролируемых конструкций обычно не является препятствием для проведения контроля, причем возможен контроль как выпуклых, так и вогнутых деталей;

- возможность контроля деталей, выполненных из анизотропных материалов с различной шероховатостью поверхности.

Приступая к изучению связи между скоростью распространения ультразвука в стеклопластиковой арматуре и ее физико-механическими характеристиками, необходимо проанализировать возможные дефекты стеклопластиковой арматуры.

Дефекты стеклопластиковой арматуры, влияющие на ее прочность, могут быть следующие: трещины в теле арматурного стержня (возникают, например, при нарушении температурного режима), избыток связующего (намеренное уменьшение количества нитей производителем), недостаточная пропитка стекловолокна связующим (недостаток связующего). После выявления исследуемой зависимости данные факторы можно будет контролировать непосредственно на строительной площадке, тем самым повышая надежность строительных конструкций, следовательно, зданий и сооружений. стеклопластиковый арматура ультразвуковой контроль

На первоначальном этапе проходит планирование эксперимента по изучению взаимосвязи скорости распространения ультразвука в стеклопластиковой арматуре с ее физико-механическими характеристиками. Произведен подбор оборудования с низкой частотой ультразвуковой волны, равной 60кГц, в соответствии с обзором материала по неразрушающему контролю композитных материалов. Проведены первые этапы эксперимента.

Следующим этапом является проведение основной части эксперимента, статистическая обработка результатов исследования. Результатом данной работы станет выявление численной зависимости между физико-механическими характеристиками стеклопластиковой арматуры и скоростью распространения ультразвуковой волны по материалу арматуры, которая позволит в полевых условиях проводить контроль качества поступивших на строительную площадку материалов.