CC BY
75
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТНЫХ
КОМПОЗИТОВ, НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫМИ
ВОЛОКНАМИ
АхмеднабиевРасул Магомедович
канд. техн. наук, доцент, Полтавский национальный технический университет
имени Юрия Кондратюка, г. Полтава E-mail: arasul49@mail. ru Гутак Ольга Игоревна
студентка 5-го курса, Полтавский национальный технический университет
имени Юрия Кондратюка, г. Полтава E-mail: gutakolga@mail. ru
STUDY OF STRENGTH PROPERTIES OF CEMENT COMPOSITES FILLED POLIPROPYLENE FIBERS
Akhmednabiev Rasul Magomedovich
Ph.D., associate professor Poltava National Technical University named after Yuri
Kondratyuk, Poltava Gutak Olga I.
Student 5-th year Poltava National Technical University named after Yuri
Kondratyuk, Poltava
АННОТАЦИЯ
В статье приведены результаты исследования свойств прочности дисперсно-армированных композитов, наполненных полипропиленовыми волокнами диаметром 0,2 мм. Приведены графики зависимости предела прочности при сжатии и изгибе от объемного содержания и длины волокон.
ABSTRACT
The results of studies of the properties of strength of dispersion-reinforced composites filled polypropylene fibers with a diameter of 0.2 mm. The graphic dependence of the strength in compression and bending the volume content and fiber length
Ключевые слова: фиброармированный бетон; композиты;
полипропиленовые волокна; предел прочности при сжатии и изгибе.
Keywords: fiber reinforced concrete; composites; polypropylene fibers; compressive strength and bending.
Бетон, заслуженно, является наиболее распространенным строительным материалом практически на всех стройплощадках мира. Поэтому улучшение физико-механических свойств бетонов является актуальной задачей на данном этапе развития. Одним из путей регулирования свойств бетонов является дисперсное армирование, которое нашло широкое применение в настоящее время.
В мире накоплен достаточный опыт по применению дисперсноармированных бетонов. При этом для дисперсного армирования применяют самые разнообразные волокна: минеральные, металлические, органические. В зависимости от происхождения волокна меняется его взаимодействие с матрицей. Если при использовании минеральных и металлически волокон можно сказать о возникновении контактного слоя между поверхностью волокна и матрицы, то при использовании органических волокон о возникновении такого контакта, рассчитывать не приходится.
В данной работе исследованы свойства прочности фиброармированных цементных композитов, матрица которых состояла из цементного камня ПЦ 500 Н. В качестве дисперсноармирующего материала были приняты полипропиленовые волокна диаметром 0,2 мм. Длина волокна, из технологических соображений, менялась от 14 до 30 мм, содержание — 2,4,6,8 % от объема. Испытанию подвергались образцы — призмы размерами 4 х4 х 16 см , в возрасте 28 суток.
Учитывая важное значение характера взаимодействия между волокнами и матрицей, определены касательные напряжения на поверхности раздела волокно-матрица. Для испытаний изготавливались образцы цилиндрической формы диаметром 100 мм и высотой 11 = 30 мм. Перед формированием образцов через отверстия, имеющиеся на дне формы, пропускали волокно и фиксировали его строго вертикально. При формировании вертикальность волокна сохранилась. Таким образом, изгибы волокна в объеме образца исключались. Испытания проводились через 28 суток путем выдергивания волокна до начала его страгивания. Касательные напряжения определяли как отношение силы
выдергивания к площади поверхности волокна, находящейся в бетоне.
Испытания показали, что на поверхности контакта между матрицей и поверхностью волокна физико -химические процессы не происходят, взаимодействия носит чисто механический характер.
На рис. 1 и 2 приведены графики зависимости предела прочности при сжатии соответственно от объемного содержания и длины волокна. Из графиков видно, что введение волокна в количестве 8 % от объема образцов приводит к снижению предела прочности при сжатии на 8—10 МПа при всех длинах волокон в пределах данного эксперимента. Увеличение длины волокна от 14 до 30 мм приводит к снижению предела прочности при сжатии на 4— 5 МПа. Таким образом, увеличение объемного содержания и длины волокна приводит к снижению предела прочности при сжатии.
Рисунок 1 Изменение предела прочности при сжатии в зависимости от объемного содержания волокна: 1,2,3 — длина волокна соответственно 14,
22, 30 мм
Ь,
20
14 22 30
Длина волокна, мм
Рисунок 2 Изменение предела прочности при сжатии композитов в зависимости от длины волокна: 1,2,3,4 — объемное содержание
соответственно 2, 4, 6, 8 %
Снижение прочности при сжатии компенсируется повышением прочности при статическом изгибе. Увеличение тех же параметров, которые приводят к снижению прочности при сжатии, способствует повышению предела прочности при изгибе. На рис. 3 представлена зависимость предела прочности при изгибе от объемного содержания волокна. Из графиков видно, что с увеличением содержания волокна предел прочности при изгибе повышается. Так, например, увеличение объемного содержания волокна длиной 14 мм от 2 до 8 % приводит к повышению Ru на 1,5 МПа, что составляет 33 %. Подобная картина наблюдается и при длине волокна 22 мм. При длине волокна 30 мм интенсивность роста прочности при изгибе снижается с увеличением объемного содержания.
Изменение предела прочности при изгибе в зависимости от длины волокна (рис. 4) показывает, что с увеличением длины волокна появляется тенденция к повышению предела прочности при изгибе. Однако при содержании волокна 4 % при увеличении длины волокна до 30 мм наблюдается спад интенсивности
- 7 1 © \о
ь* 3 6 -1 Н = < ы П Б
И И J О с. — А
ЩЩ 4 © —г © £.
2 4 6 Объемное содержание волокна. % г
Рисунок 3 Изменение предела прочности при изгибе композитов в зависимости от объемного содержания волокна: 1,2,3 — длина волокна
соответственно 14, 22, 30 мм
14 22 30
Длина волокна, мм
Рисунок 4 Изменение предела прочности при изгибе в зависимости от длины волокна: 1,2,3,4—объемное содержание соответственно 2, 4, 6, 8 %
При испытании на сжатие исследуемый композиционный материал представляет собой цементный камень с равномерно распределенными по объему дефектами, учитывая характер взаимодействия волокна с матрицей, то
есть целостность объема разрушается волокнами. Напряжения сжатия воспринимаются перегородками цементного камня между волокнами. С ростом сжимающего напряжения перегородки начинают деформироваться, и в них образуются микротрещины, росту которых препятствуют волокна. Очевидно, предел прочности такой структуры зависит от концентрации дефектов в объеме образца, в данном случае — содержания волокна. С ростом содержания волокна расстояние между центрами волокон уменьшается, и как следствие снижается прочность при сжатии.
Разрушение композитов носит своеобразный характер. Если цементный камень при предельных напряжениях разрушается взрывоподобно, что свидетельствует о мгновенном высвобождении упругой энергии, то композиционные материалы, как указывалось в работах [1, 2], разрушаются медленно и при этом сохраняют свою форму. Это свойство композиционных материалов автором работы [3] названа формоустойчивостью. Очевидно, волокна не только поглощают упругую энергию, но и препятствуют разбросу кусков и сдерживают поперечные деформации образца.
При растягивающих напряжениях волокна выступают как несущий элемент. Напряжение растяжения с помощью касательных напряжений на поверхности раздела передаются волокнам. При образовании микротрещины в матрице растягивающие напряжения в волокне концентрируются в зоне трещины [4, 5]. С увеличением напряжения в зависимости от длины, волокна начинают выдергиваться или деформироваться. При растягивающих напряжениях в зоне трещины, в волокне возникают радиальные напряжения, вызывающие соответствующие деформации, которые способствуют снижению напряжения сдвига на поверхности раздела. Если длина волокна намного превышает критическое значение, то получаем эффект бесконечного выдергивания [4]. Очевидно, вклад волокна в работу разрушения композитов увеличивается пропорционально объемному содержанию. Однако, малое содержание волокна снижает прочность композитов при статическом изгибе по сравнению с неармированной матрицей. Это явление объясняется тем, что
отверстия, образованные волокнами, уменьшают поперечное сечение образца, а суммарные напряжения сдвига на поверхности раздела при выдергивании волокна недостаточны. С увеличением содержания волокна суммарные напряжения сдвига на поверхности раздела волокно-матрица становятся существенными и прочность при изгибе возрастает, что и показано на рис. 3.
При увеличении длины волокна от 14 до 22 мм пропорционально повышается и предел прочности при изгибе, что естественно, так как увеличивается длина выдергивания. Однако, при дальнейшем увеличении длины волокна пропорциональность нарушается, и тем более, чем больше содержание волокна (рис. 4). Этот факт объясняется тем, что при принятой технологии изготовления образцов с увеличением длины волокна увеличивается вероятность образования комков, затрудняющих равномерное распределение волокна в объеме матрицы.
Таким образом, объемное содержание волокна и его длина имеют различное влияние на прочность композитов. При увеличении данных показателей происходит значительное снижение предела прочности при сжатии.
Обратный эффект наблюдается при определении прочности при изгибе. С увеличением длины волокна появляется тенденция к повышению показателей прочности при изгибе. Таким образом, варьируя длиной волокна и его объемным содержанием в составе композитов, возможно достижение улучшенных результатов по сравнению с использованием неармированной матрицы.
Список литературы:
1. Козлов В.В., Каган М.З., Ахмеднабиев Р.М., Богомолов Г.М. Гидроизоляционные цементные композиции с низкомодульными волокнами. — Метрострой, № 6, 1983, с. 23.
2. Козлов В.В., Фиговский О.Л., Ахмеднабиев Р.М., Улучшение физико-механических свойств цементных составов для зачеканки швов обделки
тоннелей. — Транспортное строительство, 1983, № 12, с. 18.
3. Козина В.Л. Повышение ударопрочности и трещиностойкости крупноразмерных изделий на основе гипсоцементопуццоланового бетона путем введения низкомодульных полимерных волокон. Автореф. дис. канд. техн. наук, М., 1979, 18 с.
4. Куппер Д., Пигготт М. Растрескивание и разрушение композитов. — В кн.: Механика разрушения, № 17. М., Мир 1979, с. 165—216.
5. Экобори Т. Научные основы прочности и разрушение материалов. Киев.: Наукова думка, 1978, с. 78—99.
