Введение

В настоящее время развитию Крайнего Севера и дальневосточных регионов России со сложными природными условиями вечной мерзлоты уделяется особое внимание. Осуществляются программы развития Дальнего Востока и Северного морского пути (СМП), в том числе и развитие транспортной инфраструктуры в этих регионах[1–3]. Для реализации проекта требуется модернизация морских портов, расположенных на всем протяжении СМП, в том числе и развитие транспортной инфраструктуры (авиационного и автомобильного сообщения). С этой целью планируется проведение работ по модернизации аэропортов и развитие сети автомобильных дорог. Ввиду природных особенностей сдерживающим фактором строительства сети автомобильных дорог в данных регионах являются наличие большого числа водных препятствий (ручьев, рек и т. п.) и необходимость возведения мостов через них. С учетом того, что в этих регионах преобладает вечная мерзлота и климат отличается довольно непродолжительным летним периодом, во время которого температура окружающей среды положительная, возведение мостов с применением традиционных методов очень затруднено.  В сложившихся условиях для строительства мостов требуется применение материалов и строительных технологий, позволяющих осуществлять строительство за непродолжительный отрезок времени (до 3 мес) и без применения тяжелой и крупногабаритной строительной техники.

В таких сложных климатических условиях жесткие требования предъявляются также к весовым и технологическим характеристикам строительных конструкций. Снижение массы конструкции может быть достигнуто путем применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) и новых конструктивных решений, позволяющих эффективно использовать уникальные свойства армированных материалов [4]. С точки зрения технологии, для наиболее эффективного применения ПКМ при возведении объектов транспортной инфраструктуры в труднодоступных районах требуется использование ПКМ, способных к формообразованию при температурах, близких к температуре окружающей среды, без применения крупногабаритного и тяжелого оборудования. Одним из примеров использования подобного рода материалов и технологий может служить построенный в 2016 г. в рабочем поселке Языково Ульяновской области автомобильный двухполосный мост, в конструкции которого применены арочные элементы из углепластика и профилированный настил из стеклопластика [5, 6]. Для реализации этого проекта были разработаны и паспортизованы углепластик на основе углеродной преформы радиального типа плетения и стеклопластик на основе равнопрочной стеклоткани. Оба материала изготавливались способом вакуумной инфузии с применением эпоксивинилэфирного связующего марки ВСВ-43, способного к формообразованию при температуре до 40 °С. Данные материалы, согласно проведенным исследованиям, работоспособны в интервале температур от -60 до +80 °С. Для обеспечения надежной эксплуатации строительных конструкций были проведены исследования характеристик ПКМ после воздействия факторов окружающей среды с целью прогнозирования их срока службы.

Прогнозирование срока службы происходило в несколько этапов. На первом этапе при разработке и паспортизации материалов были проведены лабораторные испытания для оценки стойкости к воздействию искусственно созданных эксплуатационных факторов, а также оценено воздействие повышенных температур (60 и 80 °С), воды (при 20 °С), тепловлажностного старения (60 °С и φ=85%), плесневых грибов, бензина марки АИ-92, дизельного топлива, моторного масла и тропического влажного климата в течение 3 мес экспозиции. Для оценки влияния естественных климатических факторов проводили испытания образцов материалов после длительной экспозиции в различных климатических зонах, что позволило оценить динамику изменения свойств материалов при эксплуатации их в естественных условиях [7].

Вопросам старения ПКМ в естественных условиях в различных климатических зонах уделяется большое внимание [8, 9]. К ПКМ, применяемым при возведении объектов транспортной инфрастуруктуры, предъявляются особые требования безопасности для обеспечения надежности конструкции из них. Существенное влияние на ПКМ в процессе длительной эксплуатации изделий оказывают климатические факторы: температура, относительная влажность воздуха, атмосферные осадки, солнечная радиация, циклическое изменение температуры окружающего воздуха, что может вызвать снижение прочностных характеристик материалов [10–13].

Актуальность исследования свойств ПКМ после проведения экспозиции на естественной площадке подтверждается данными зарубежных авторов [14–18]. Опубликованы результаты подробных исследований пластин стеклопластика толщиной 3,2 мм на основе стекловолокон Dow Corning 801-Eglass и комбинированного эпоксидного связующего на основе смол DEN438 и EPON828, экспонированных в течение 2 лет в пяти климатических регионах (тропический лес и побережье Панамского канала, Пуэрто-Рико, штаты Аризона и Массачусетс, Австралия). В ходе проведения исследований выявлена доминирующая роль солнечной радиации как фактора, вызывающего процессы деструкции и сшивания в эпоксидной матрице стеклопластика. Атмосферная влага в данном случае является пластификатором и инициатором гидролиза, причем этот фактор воздействия частично обратим. При воздействии сочетания дождя и ветра проявляются эффекты эрозии поверхности. Влага вызывает значительное ухудшение механических свойств стеклопластика из-за активного влияния на стекловолокно, особенно при повышенных напряжениях.

В данной статье представлены результаты исследований свойств углепластика ВКУ-51 и стеклопластика ВПС-58 на основе эпоксивинилэфирного связующего, предназначенных для изготовления несущих строительных конструкций мостового сооружения, после длительной экспозиции этих материалов в различных климатических зонах.

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»).

Материалы и методы

В данной работе объектами исследований являлись углепластик марки ВКУ-51 и стеклопластик марки ВПС-58 на основе эпоксивинилэфирного связующего ВСВ-43 после экспозиции в натурных условиях различных климатических зон:

– умеренный климат, промышленная атмосфера г. Москвы – МЦКИ (умеренный пояс – внутриконтинентальный умеренный климат);

– теплый влажный климат с мягкой зимой г. Геленджика – ГЦКИ (климат средиземноморского типа).

На экспозицию были выставлены плиты ПКМ габаритами 300×300 мм и толщиной 2,5 (углепластик) и 3,5 мм (стеклопластик) без нанесения защитного лакокрасочного покрытия. Экспозицию проводили на атмосферном стенде, расположенном под углом 45 градусов к горизонту, в течение 5 лет с промежуточными съемами после 1 года и 3 лет (рис. 1). Оценку влияния климатических факторов на материалы производили путем сравнения исходных значений физико-механических характеристик, полученных до экспозиции, со значениями, полученными после проведения экспозиции.

Рис. 1. Проведение экспозиции плит ПКМ на открытой площадке в г. Москве

Исследования углепластика проводили по следующим видам испытаний:

– определение прочности и модуля упругости при растяжении по ГОСТ 25.601–83 на испытательной машине LFM-250;

– определение прочности и модуля упругости при статическом изгибе по ГОСТ 25.604–82 на испытательной машине Z-005;

– определение плотности по ГОСТ 15139–69 на аналитических весах HTR-220CE;

– определение температуры стеклования материала по СТО 1-595-36-464–2015 на установке динамического механического анализа.

Исследования стеклопластика проводили по следующим видам испытаний:

– определение прочности и модуля упругости при растяжении по ГОСТ 25.601–83 на испытательной машине LFM-250;

– определение изгибающего напряжения и модуля упругости при изгибе по ГОСТ 4648–2014 на испытательной машине Z-005;

– определение прочности при сжатии по ГОСТ 25.602–80 на испытательной машине LFM-100;

– определение плотности по ГОСТ 15139–69 на аналитических весах HTR-220CE;

– определение температуры стеклования материала по СТО 1-595-36-464–2015 на установке динамического механического анализа.

Результаты и обсуждение

Внешний осмотр плит образцов ПКМ после экспозиции показал различное состояние лицевой и тыльной поверхности. Лицевой стороной считалась сторона, обращенная к солнцу при экспонировании на атмосферном стенде. Лицевая поверхность на всех плитах повреждена гораздо сильнее, чем тыльная (теневая) сторона. На лицевой стороне в большей степени наблюдается деградация полимерной матрицы и эрозионные повреждения волокон и связующего как у плит, находящихся на экспозиции в МЦКИ, так и в ГЦКИ. Внешний вид плит ПКМ после экспозиции представлен на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид плит ПКМ после экспозиции в ГЦКИ в течение 5 лет: из стеклопластика ВПС-58 (а, б)  и углепластика ВКУ-51 (в, г) с теневой (а, в) и лицевой стороны (б, г)

Изменение состояния поверхности плит из стеклопластика и углепластика, наблюдаемое при длительной экспозиции в естественных условиях различных климатических зон, является типичным для ПКМ. В реальных условиях эксплуатации такие  явления, как эрозионные поражения полимерной матрицы и ее унос, оголение и разрушение армирующих волокон, отсутствуют благодаря лакокрасочным покрытиям, обеспечивающим защиту поверхности элементов авиационных конструкций от воздействия внешних факторов [19–21].

В табл. 1 приведены упруго-прочностные свойства углепластика ВКУ-51 после длительной экспозиции в различных климатических зонах.

Таблица 1

Упруго-прочностные свойства* углепластика ВКУ-51

Видно, что экспозиция на климатических станциях МЦКИ и ГЦКИ не оказала значительного влияния на прочностные свойства углепластика ВКУ-51. Более того, можно наблюдать, что после экспозиции в течение 5 лет некоторые характеристики имеют более высокие значения по сравнению с исходными. Так, наблюдается увеличение модуля упругости при растяжении в течение 5 лет на уровне 13% при экспозиции в МЦКИ и 8% при экспозиции в ГЦКИ. Помимо этого, наблюдается увеличение предела прочности при растяжении на 8% при экспозиции в ГЦКИ, в то же время наблюдается незначительное снижение свойств при экспозиции в МЦКИ – на 8%. Сохранение предела прочности и модуля упругости при изгибе после экспозиции в течение 5 лет составило: 91 и 83% − в МЦКИ и 95 и 76% − в ГЦКИ соответственно. Изменение прочности при растяжении и изгибе углепластика ВКУ-51 после 1 года, 3 и 5 лет экспозиции представлено на рис. 3.

Рис. 3. Изменение упруго-прочностных свойств углепластика ВКУ-51 после экспозиции
в МЦКИ (■) и ГЦКИ (■) в течение 1 года, 3 и 5 лет

Представленные на рис. 3 данные свидетельствуют о том, что прочностные свойства углепластика марки ВКУ-51 улучшились после проведения экспозиции на климатических площадках как в МЦКИ, так и в ГЦКИ. Наблюдается также незначительное снижение модуля упругости при изгибе.

В табл. 2 приведены физические свойства углепластика ВКУ-51 после длительной экспозиции в различных климатических зонах.

Таблица 2

Физические свойства углепластика ВКУ-51

Анализируя данные, приведенные в табл. 2, можно отметить незначительное уменьшение плотности углепластика после экспозиции в течение 5 лет (на 3% – в МЦКИ и на 2% – в ГЦКИ) и сохранение температуры стеклования углепластика на уровне исходных значений. Это свидетельствует о стойкости связующего ВСВ-43 к воздействию внешних факторов.

В табл. 3 приведены упруго-прочностные свойства стеклопластика ВПС-58 после длительной экспозиции в различных климатических зонах.

Таблица 3

Упруго-прочностные свойства* стеклопластика ВПС-58

Видно, что более низкие значения пределов прочности при растяжении, сжатии и изгибе наблюдаются у образцов после 3 и 5 лет экспозиции на климатической станции ГЦКИ. Сохранение предела прочности при растяжении составило 83%, при сжатии  73%, при изгибе 70%. Сохранение прочности при растяжении, изгибе и сжатии стеклопластика ВПС-58 после 1 года, 3 и 5 лет экспозиции представлены на рис. 4.

Рис. 4. Изменение упруго-прочностных свойств стеклопластика ВПС-58 после
экспозиции в МЦКИ (■) и ГЦКИ (■)  в течение 1 года, 3 и 5 лет

Представленные на рис. 4 данные свидетельствуют о том, что значения прочности после 5 лет экспозиции оказались выше на климатической станции в МЦКИ, чем в ГЦКИ. Это обусловлено бо́льшим количеством солнечной радиации, которое попадает на образцы, в ГЦКИ по сравнению с МЦКИ. В то же время значения модуля упругости после 5 лет экспозиции в ГЦКИ и МЦКИ практически одинаковы.

В табл. 4 приведены физические свойства стеклопластика ВПС-58 после длительной экспозиции в климатических зонах.

Таблица 4

Физические свойства стеклопластика ВПС-58

Анализируя данные, приведенные в табл. 4, можно отметить, что плотность стеклопластика после экспозиции в течение 5 лет в МЦКИ и ГЦКИ осталась на уровне исходных значений. В то же время наблюдается увеличение температуры стеклования стеклопластика относительно исходного значения на 17 °С. Это свидетельствует о стойкости связующего ВСВ-43 к воздействию внешних факторов и дополнительной сшивке полимерной матрицы в ПКМ в процессе экспозиции.

Некоторые из полученных значений физико-механических характеристик ПКМ имеют нелинейный характер в зависимости от продолжительности экспозиции. Так, прочность при растяжении углепластика ВКУ-51 после экспозиции на площадках в МЦКИ и ГЦКИ, оказалась минимальной после 3 лет экспозиции, а после 5 лет – значения оказались выше. Аналогичную ситуацию можно наблюдать и относительно значений прочности при растяжении и сжатии стеклопластика ВПС-58. По-видимому, подобное явление наблюдается вследствие уменьшения толщины поверхности и микротвердости экспонируемых образцов ПКМ. Описанию данных явлений будут посвящены последующие работы.

Заключения

Деградация поверхности исследуемых ПКМ наблюдается уже после 1 года экспозиции, что не является критичным, так как даже после 5 лет экспозиции сохранение свойств значительное. Кроме этого, в реальных условиях эксплуатации изделия из ПКМ работают с нанесенным лакокрасочным покрытием.

Разработанные во ФГУП «ВИАМ» углепластик ВКУ-51 и стеклопластик ВПС-58 на основе эпоксивинилэфирного связующего ВСВ-43 показали высокий уровень сохранения физико-механических свойств после длительного воздействия эксплуатационных факторов в разных климатических зонах, что свидетельствует об их устойчивости к внешним воздействиям. По сравнению с уровнем свойств исходных ПКМ исследованные материалы после длительной экспозиции (в течение 5 лет) показали высокое сохранение упруго-прочностных свойств (70–100%) в зависимости от вида испытаний.

Результаты комплекса проведенных испытаний показали, что наиболее агрессивное воздействие на углепластик оказывает промышленная атмосфера г. Москвы. На стеклопластик же наиболее агрессивное воздействие оказал умеренно теплый влажный климат, характерный для климатической площадки г. Геленджика. Это обусловлено наиболее пагубным воздействием солнечной радиации, которое в гораздо большем объеме попадает на образцы в ГЦКИ, по сравнению с промышленной атмосферой МЦКИ, характеризующейся меньшим количеством солнечных дней.