Почему химический анкер не боится вибраций и нагрузок

Обычный механический крепеж в условиях постоянных колебаний от проезжающего транспорта, ударов от работающего оборудования или циклических нагрузки, которые создает ветер, со временем расшатывается. Он теряет несущую способность, что может привести к аварийной ситуации. Поэтому профессиональные строители и инженеры все чаще отдают предпочтение химическим анкерам. Это инновационное решение в области крепежных технологий и строительной химии.

Что такое химический анкер

Химический анкер – это система крепления, которая принципиально отличается от традиционных механических решений. Если обычный дюбель или анкерный болт держится за счет механического распирания в отверстии, то химический анкер создает молекулярную связь между крепежным элементом и основанием.

Строительная химия в этом случае работает на уровне химических реакций. Специальный двухкомпонентный состав на основе полиэфирных, винилэфирных или эпоксидных смол заполняет отверстие и после отверждения превращается в монолитную структуру. Она буквально «срастается» с бетоном, кирпичом или камнем.

Но перед тем, как купить крепеж для ответственных конструкций нужно рассмотреть физику его работы. В момент установки химическая масса проникает во все микропоры и неровности основания. В результате создается огромная площадь контакта.

После полимеризации, которая обычно занимает от нескольких часов до суток в зависимости от температуры воздуха и типа состава, образуется единая система «металл-полимер-основание». Она работает не так, как механическое соединение. И в этом кроется секрет ее устойчивости к динамическим воздействиям.

Физика устойчивости к вибрации

Чтобы понять, почему химический анкер выдерживает вибрацию, нужно разобраться в том, что происходит с обычным механическим крепежом в таких условиях. Традиционный анкер держится за счет силы трения и локального давления на стенки отверстия.

Под воздействием вибрации крепеж смещается. Из-за этого образуется зазор и постепенно увеличивается. Этот процесс называется усталостным разрушением, и он неизбежен при циклических нагрузках. Исследования показывают, что при частоте вибраций 50 Герц механический анкер может потерять до 30% несущей способности уже после нескольких тысяч циклов нагружения.

Химический анкер работает по другому принципу. Полимерная масса после отверждения сохраняет эластичность. Это позволяет амортизировать вибрации, распределять энергию колебаний по всему объему соединения. Тут нужно представить жесткий металлический стержень, вставленный в отверстие, и стержень, окруженный упругой оболочкой. Она одновременно держит его и гасит колебания. Именно так работает строительная химия.

Площадь контакта химического анкера с основанием в 5-7 раз больше, чем у механического крепежа. Если дюбель опирается на материал в нескольких точках, то химический создает непрерывную связь по всей длине заглубления.

Это означает, что при вибрации нагрузка распределяется не на локальные участки, где возможно разрушение, а равномерно по всей поверхности контакта. Испытания, проведенные в лабораториях ведущих производителей крепежных систем, показали, что химические анкеры выдерживают более 100 тысяч циклов переменных нагрузок без потери несущей способности.

Механизм работы под нагрузкой

В отличие от механического крепежа, который концентрирует напряжение в зоне распирания, химический анкер распределяет усилие по принципу градиента напряжений. Это означает, что максимальное напряжение не сосредоточено в одной точке, а плавно снижается от нагруженного конца стержня к глубине заделки.

Эпоксидные и винилэфирные смолы, которые входят в состав химических анкеров, обладают прочностью на сжатие до 80 МПа и до 30 МПа на растяжение. Эти показатели сопоставимы с характеристиками бетона, что позволяет создавать соединение, которое создает с основанием монолитную структуру.

При приложении нагрузки полимер деформируется упруго. Он возвращается в исходное состояние после снятия усилия. Эта способность к обратимой деформации обеспечивает долговечность соединения, повышает его устойчивость к циклическим нагрузкам.

Но под воздействием экстремальных нагрузок система креплений с химическими анкерами разрушается зачастую не по границе «полимер-основание», а по самому материалу основания или по металлическому стержню. Это говорит о том, что само соединение прочнее, чем окружающие его элементы.

Инженерные расчеты показывают, что несущая способность правильно установленного химического анкера достигает 25 кН на одну точку крепления в бетоне класса B25. Это в 1.5-2 раза больше, чем у механических аналогов аналогичного диаметра.

Практические преимущества химических анкеров

Химические анкеры применяются там, где конструкции постоянно подвергаются вибрациям. Обследования креплений оборудования на станциях метрополитена, смонтированного с использованием химических анкеров несколько лет назад, показывают отсутствие признаков ослабления или деградации соединений. Механические анкеры в аналогичных условиях требуют периодической подтяжки или замены каждые 5-7 лет.

В промышленном строительстве химические анкеры используются для крепления вибрирующего оборудования: 

• компрессоров; 
• насосных станций; 
• вентиляционных установок.

В таких случаях важна способность крепежа выдерживать не только постоянную вибрацию, но и резонансные явления, когда амплитуда колебаний многократно возрастает. Благодаря демпфирующим свойствам полимерной матрицы химические анкеры эффективно гасят резонанс. Это предотвращает разрушение крепления и окружающего материала.

Впечатляют результаты применения химических анкеров в регионах с высокой сейсмической активностью. Здания и сооружения, элементы которых закреплены с их помощью, демонстрируют значительно лучшую устойчивость при землетрясениях.

Это объясняется тем, что сейсмические колебания – это низкочастотные вибрации высокой амплитуды. Способность химического анкера упруго деформироваться и возвращаться в исходное состояние позволяет конструкции выдерживать толчки без разрушения узлов крепления. После землетрясения магнитудой 6 баллов в одном из регионов были обследованы фасадные системы на химических анкерах. Ни на одном креплении не были выявлены признаки ослабления.

Устойчивость к различным типам нагрузок

Вибрации – один из видов динамического воздействия. Химический анкер демонстрирует устойчивость к другим типам нагрузок. Ударные нагрузки, которые возникают, например, при работе кузнечного оборудования или в результате случайных механических воздействий, также распределяются по большой площади контакта. Это предотвращает локальное разрушение основания.

Механические анкеры уязвимы к знакопеременным нагрузкам, когда направление усилия периодически меняется (растяжение сменяется сжатием). Распорные элементы работают эффективно только в одном направлении, поэтому при изменении вектора нагрузки возникают зазоры и люфты.

Полимерная оболочка удерживает стержень во всех направлениях. Испытания на знакопеременное нагружение показывают, что химические анкеры сохраняют до 95% первоначальной несущей способности после 10 тысяч циклов переменной нагрузки.

Температурные перепады также создают динамические напряжения в системе крепления. При нагреве или охлаждении меняются линейные размеры металлического стержня. В механическом анкере это приводит к изменению силы распора и растрескиванию основания.

Полимер химического анкера остается эластичным. Это компенсирует температурные деформации. Качественные составы сохраняют свойства в диапазоне температур от -40⁰C до +120⁰C. Он покрывает практически все условия эксплуатации конструкций в строительстве.

Технологические аспекты надежности

Надежность химического анкера во многом зависит от соблюдения правил установки. При использовании механических анкеров важна точность сверления, отсутствие трещин в материале, правильный момент затяжки. Любое отклонение от технологии снижает несущую способность на 30-50%. Химический анкер менее чувствителен к погрешностям.

Если отверстие получилось чуть шире или у него неровные стенки, то полимерная масса просто заполняет больший объем и создает прочное соединение. Наличие мелких трещин в основании также не критично. Состав проникает в них и после отверждения фактически армирует прилегающую зону, предотвращает развитие трещин. Это упрощает работу с ветхими или поврежденными основаниями, где нельзя применять механический крепеж.

У современных химических составов различное время отверждения. Это позволяет подобрать вариант, который соответствует определенным условиям. Быстроотверждаемые составы на основе полиэфирных смол набирают рабочую прочность уже через 2-3 часа при температуре +25⁰C. Эпоксидные системы отверждаются дольше, но они отличаются повышенной прочностью и химической стойкостью. Винилэфирные составы занимают промежуточное положение. Они сочетают относительно быстрое отверждение с высокими механическими характеристиками.

Важную роль играет адгезия или способность полимера создавать прочную связь с материалом основания на молекулярном уровне. Современные составы содержат специальные добавки – промоторы адгезии. Они повышают прочность сцепления с бетоном до 5 МПа. Это означает, что для отрыва квадратного сантиметра полимера от бетона нужно усилие около 50 кг. При большой площади контакта общая сила сцепления достигает нескольких тонн.