CC BY
13Леснов В. В., канд. техн. наук, доц., Ерофеев В. Т., д-р техн. наук, проф. Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ С ОРГАНИЗОВАННОЙ МАКРОСТРУКТУРОЙ
vvl377mgu@rambler.ru
В статье приводятся результаты исследования свойств дисперсно-армированных каркасных композитов на наполненных цементных матрицах. Получены математические модели физико-механических свойств, отмечено их улучшение при введении дисперсной арматуры и различных наполнителей.
Ключевые слова: каркасные композиты, наполнитель, дисперсная металлическая арматура, математические модели прочностных свойств.
Снижение материалоемкости и улучшение физико-механических свойств композиционных материалов может достигаться применением нетрадиционных технологий их приготовления. К таковым можно отнести материалы получаемые методам пофазного формования, бетоны с фиксированным щебеночным каркасом, каркасные композиты и т. д. [1, 2].
Общим для данных технологий является то, что они изготавливаются путем получения на первом этапе оптимальных смесей заполнителей, их укладки и фиксации по форме будущего изделия, и заполнением пустот матричной составляющей, созданного таким образом каркаса, на втором этапе. При этом изготовление щебеночного каркаса может осуществляться склеиванием между собой зерен крупного заполнителя или их уплотнением.
Введение в состав бетона дисперсной металлической арматуры (ДМА) позволяет получать композиты с повышенной трещиностойко-стью, истираемостью, морозостойкостью, долговечностью, улучшенными прочностными характеристиками [3], поэтому исследование свойств каркасных композитов, армированных дисперсной арматурой является актуальной задачей.
Целью работы являлось исследование влияния дисперсного армирования, вида и содержания наполнителя на структурные и прочностные свойства каркасных дисперсно-армированных (ДА) композитов.
При выполнении исследований использовали математическое планирование эксперимента на двухфакторном плане. В качестве факторов были выбраны: Х1 - содержание дисперсной металлической арматуры в % по объему, Х2 -размер фракции крупного заполнителя. В качестве крупного заполнителя применяли амфибо-литовый щебень фракций 2,5-5 мм и 5-10 мм Новокиевского месторождения (п. Новорудный, Орембургская обл.), вяжущего - портландцемент марки ЦЕМ I 52,5 ГОСТ 31108-2003 (ОАО «Мордовцемент»), ДМА - «Драмикс 50/1» длиной 50 мм и диаметром 1 мм, наполнителей -
порошки амфиболита и шлака (ОАО Липецкий металлургический комбинат) с удельной поверхностью 350 см2/г.
Значения факторов на относительных и фактических уровнях приведены в табл. 1.
Таблица 1
Фактор Уровни факторов
относительные фактические
-1 0
-0,5 0,375 %
X! 0 0,75 %
+0,5 1,125 %
+1 1,5 %
X2 -1 +1 Фр. 2,5-5 мм Фр. 5-10 мм
Xз -1 +1 0 0,3
Технология изготовления композитов была следующей: получали каркас, перемешивая всухую крупный заполнитель с ДМА в течение 2 мин, вводя арматуру тремя равными порциями, смесь укладывали в формы и уплотняли. После чего готовили в течение 2 мин матричные композиции следующего состава: портландцемент - 100 мас. ч., наполнитель (амфиболит, шлак) - 0 и 30 мас. ч., суперпластификатор марки «Melflux 164^» - 0,5 % от массы вяжущего, В/Ц = 0,4. Далее получали каркасный ДА композит, производя пропитку каркаса матричным составом при подаче смеси в пустоты сверху вниз. Каркасы и каркасные ДА композиты уплотняли на встряхивающем столике 30 ударами с частотой 1 удар/с. Образцы после суточного твердения подвергали тепловлажностной обработке при 950С в течение 8 ч. Испытания по определению прочности на изгиб, сжатие, начальный модуль упругости, средней плотности, удельной ударной вязкости и истираемости производили на образцах-балочках размером 4x4x16 см.
После обработки результатов были получены математические модели физико-механических свойств каркасных ДА композитов на наполненных матрицах, приведенные ниже:
^ = 13,07 + 1,08Х1 - 0,64X2 + 0,33Х4 - 0,16X1X2 + 0,17X1X4 - 0,21ХД
Яькп = 59,07 + 2,64Х: + 4,26X2 + 3,04X4 - 1,36ХД
кп
Икп = 1,95 - 0,18X1 + 0,22X2 - 0,07Хз + 0,05X4 + 0,05Х1Х:
Р
= 2328,4 + 68,5X1 + 11,4X9 + 8,1X4
Аукп = 11,08 + 6,69X1 - 1,25X2 + 0,66X3 - 0,48X4 - 0,89X1X2 + 0,4^^ -0,32X1X4, Еокп = 23421,4 + 792,9X1 + 640,2X2 + 505,5X4 + 160,5X2X4 + 162,6X1^ где Якп, Яькп - предел прочности при сжатии и изгибе (МПа), р кп - средняя плотность (кг/м3), Икп - истираемость (г/м2), Аукп - удельная ударная вязкость (кДж/м2) и Еокп - начальный модуль
1X2,
упругости (МПа) каркасных дисперсно-армированных композитов на пластифициро-
ванных матрицах наполненных шлаком и амфиболитом.
Графики физико-прочностных показателей каркасных ДА цементных композитов на наполненных матрицах, построенные по математическим моделям, приведены на рис. 1-6.
16,0
14,0
12,0
10,0
0,375
0,75
ДМА "Драмикс 50/1", %
1,125
1,5
-1 - Н/Ц=0, заполн. амфиболит фр. 5-10 мм -3 - НШ/Ц=0,3, заполн. амфиболит фр. 5-10 мм -5 - НА/Ц=0,3, заполн амфиболит фр. 5-10 мм
-2 - Н/Ц=0, заполн амфиболит фр. 2,5-5 мм
4 - НШ/Ц=0,3, заполн. амфиболит фр. 2,5-5 мм -6 - НА/Ц=0,3, заполн амфиболит фр. 2,5-5 мм
Рис. 1. Предел прочности при изгибе каркасных ДА композитов
75,0
65,0
55,0
45,0
0,375
0,75
ДМА "Драмикс 50/1", %
1,125
1,5
- 1 - Н/Ц=0, заполн. амфиболит фр. 5-10 мм 4 - НШ/Ц=0,3, заполн. амфиболит фр. 2,5-5 мм
-2 - Н/Ц=0, заполн амфиболит фр. 2,5-5 мм -5 - НА/Ц=0,3, заполн амфиболит фр. 5-10 мм
3 - НШ/Ц=0,3, заполн. амфиболит фр. 5-10 мм 6 - НА/Ц=0,3, заполн амфиболит фр. 2,5-5 мм
Рис. 2. Предел прочности при сжатии каркасных ДА композитов
0
0
2450
2200 -I----
0 0,375 0,75 1,125 1,5
ДМА "Драмикс 50/1", %
—Ф— 1 - Н/Ц=0, заполн. амфиболит фр. 5-10 мм —о— 2 - Н/Ц=0, заполн амфиболит фр. 2,5-5 мм —*— 3 - НШ/Ц=0,3, заполн. амфиболит фр. 5-10 мм —й— 4 - НШ/Ц=0,3, заполн. амфиболит фр. 2,5-5 мм —•— 5 - НА/Ц=0,3, заполн амфиболит фр. 5-10 мм —о— 6 - НА/Ц=0,3, заполн амфиболит фр. 2,5-5 мм
Рис. 3. Средняя плотность каркасных ДА композитов
ДМА "Драмикс 50/1", %
—♦— 1 - Н/Ц=0, заполн. амфиболит фр. 5-10 мм —о— 2 - Н/Ц=0, заполн амфиболит фр. 2,5-5 мм —*— 3 - НШ/Ц=0,3, заполн. амфиболит фр. 5-10 мм —й— 4 - НШ/Ц=0,3, заполн. амфиболит фр. 2,5-5 мм —•— 5 - НА/Ц=0,3, заполн амфиболит фр. 5-10 мм —о— 6 - НА/Ц=0,3, заполн амфиболит фр. 2,5-5 мм
Рис. 4. Истираемость каркасных ДА композитов
25,G
2G,G 15,G
см
< 1 G,G
5,G
0,0
0 0,375 0,75 1,125 1,5
ДМА "Драмикс 50/1", %
• 1 - Н/Ц=0, заполн. амфиболит фр. 5-10 мм —о— 2 - Н/Ц=0, заполн амфиболит фр. 2,5-5 мм —*— 3 - НШ/Ц=0,3, заполн. амфиболит фр. 5-10 мм
4 - НШ/Ц=0,3, заполн. амфиболит фр. 2,5-5 мм — 5 - НА/Ц=0,3, заполн амфиболит фр. 5-10 мм —о— 6 - НА/Ц=0,3, заполн амфиболит фр. 2,5-5 мм
Рис. 5. Удельная ударная вязкость каркасных ДА композитов
27000 -,
21000 J----
0 0,375 0,75 1,125 1,5
ДМА "Драмикс 50/1", %
» 1 - Н/Ц=0, заполн. амфиболит фр. 5-10 мм —о— 2 - Н/Ц=0, заполн амфиболит фр. 2,5-5 мм —*— 3 - НШ/Ц=0,3, заполн. амфиболит фр. 5-10 мм 4 - НШ/Ц=0,3, заполн. амфиболит фр. 2,5-5 мм » 5 - НА/Ц=0,3, заполн амфиболит фр. 5-10 мм —о— 6 - НА/Ц=0,3, заполн амфиболит фр. 2,5-5 мм
Рис. 6. Начальный модуль упругости каркасных ДА композитов
По полученным результатам можно сделать следующие выводы:
■введение в каркасные композиты ДМА «Драмикс 50/1» и наполнителей позволяет получать композиты с пределом прочности при изгибе 11,1...15,3 МПа, при сжатии 47,8...67,6 МПа, средней плотностью 2240.2420 кг/м3, истираемостью 1,4.2,4 г/м2, удельной ударной вязкостью 3,8.21,8 кДж/м2, начальным модулем упругости 21800.25680 МПа;
■ при содержании дисперсной металлической арматуры 1,5 % по объему прочность при изгибе и сжатии увеличивается соответственно на 14.23 % и 8.11 %, средняя плотность и начальный модуль упругости - на 6 % и 7 %, удельная ударная вязкость в 3,85.4,23 раза, истираемость снижается на 10.25 %, по сравнению с составами без ДМА;
■ использование в качестве крупного заполнителя амфиболитового щебня фракции 5-10 мм увеличивает прочность композитов при сжатии, среднюю плотность, начальный модуль упругости, а уменьшение крупности фракции до 2,5-5 мм повышает прочность композитов при изгибе, удельную ударную вязкость, понижает истираемость;
■ наполнение матричной композиции амфиболитом незначительно снижает прочность каркасных композитов при изгибе и сжатии, среднюю плотность, истираемость, начальный модуль упругости и повышает удельную ударную вязкость по сравнению композитами на нена-полненных матрицах;
■ наполнение матриц шлаком улучшает все количественные характеристики композиций по сравнению с каркасными композитами на нена-полненных матрицах;
■ применение наполненных цементных матриц позволяет создавать эффективные композиты с экономией вяжущего до 30 %, полученные физико-механические характеристики каркасных композитов армированных ДМА «Драмикс 50/1» позволяют использовать их в конструкциях дорожных покрытий и полов, подвергающихся интенсивным истирающим, ударным и силовым воздействиям.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Каркасные строительные композиты: В 2 ч. Ч. 1. Структурообразование. Свойства. Технология / В. Т. Ерофеев, Н. И. Мищенко, В. П. Селяев, В. И. Соломатов; Под ред. Акад. РААСН В. И. Соломатова // Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1995. - 200 с.
2. Лихолетов О. Д., Мощанский Н. А., Путляев И. Е. Пофазное формирование структуры полимербетонов // Применение полимерных смол в бетонных и железобетонных конструкциях. - Вильнюс, 1971. - С. 113-115.
3. Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. - М.: Издательство АСВ, 2004. - 559 с.
