CC BY
17Ю.А. Беленцов, канд.техн.наук, доц. кафедры «Строительные материалы и технологии»
Петербургский государственный университет путей сообщения
НАПРАВЛЕННОЕ ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ КОМПОЗИЦИОННЫХ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВЯЖУЩИХ _ДЛЯ РАБОТЫ В СУРОВЫХ УСЛОВИЯХ_
belents@mail.ru
В статье рассматриваются основы формирования структуры композиционных анизотропных материалов на основе вяжущего для работы в сложных условиях сейсмических и динамических воздействий
Принципиальные особенности формирования структуры материалов для работы в суровых условиях действия сейсмических, вибрационных и динамических нагрузок подразумевает эффективное использование исходного сырья. Направленно влияя на раннем этапе формирования структуры с помощью относительно слабых воздействий, добиваются получения заданных свойств материала. В настоящее время в стеновых конструкциях преимущественно используются различные композиционные материалы, как представлено на рисунке 1. При этом необ-
ходимо учитывать снижение количества доступного эффективного сырья, например, горных пород, из которых формируется заполнитель кубической формы. В результате мы вынуждены использовать анизотропное сырье с высоким содержанием зерен лещадной и игловидной формы. Нормативные документы регламентируют содержание лещадных и игловидных зерен до 30% в щебне и 35% в гравии. Европейские стандарты серии БК 329 допускают использование зерен с индексом формы 0,275-0,35 в зависимости от фракции.
16.8
61.2
□ кирпичные и каменные □ крупнопанельное
□ из монолитных бетона и жб Пиз ячеистого бетона
□деревянные □ прочие
Рисунок 1 - Структура жилищного строительства по материалам для стен зданий, в %
Важной задачей является формирование эффективной, малодефектной структуры КА-МОВ, позволяющей максимально полно использовать свойства заполнителя и цементного камня. В характерном представителе КАМОВ -кирпичной кладке - используется порядка 10-30 % прочности кирпича или камня. Таким образом, прочность кирпичной кладки ограничена 3,9мПа без армирования и 7,8мПа с армированием. Схожая ситуация в бетоне при использовании заполнителя прочностью 120-200мПа гранит и 150-300мПа базальт [1] получаем бетон прочность не более В60мПа. Использование анизотропного сырья на сегодняшний день является препятствующим фактором для достижения высокой прочности и эффективности структуры бетона. Вопрос упаковки в бетоне зерен анизотропного заполнителя лещадной формы
изучена недостаточно, хотя существуют большие заделы в данной области. При современном технологическом подходе межзерновая пустот-ность лещадных заполнителей на 10% выше, чем кубической формы. При использовании виброуплотнения смеси этот показатель снижается до 6% [2]. Установлено, что при 25-кратном замораживании пластинчатые зерна в силу большей удельной поверхности быстрее разрушаются [3]. Поэтому в условиях знакопеременных температур бетоны на подобных заполнителях будут быстрее разрушаться [4]. Однако при коэффициент поперечных деформаций, водопо-гощение и морозостойкость не зависят от формы зерен [1]. При содержании пластинчатых зерен в бетоне более, чем 15%, его истираемость возрастает [5].
Анизотропия в бетоне - результат не только расположения зерен пластинчатой формы в наиболее выгодном энергетическом положении, но и расслоения цементного теста и скопления воды на поверхности бетона. Смеси с использованием пластинчатых зерен менее склонны к расслоению и обладают большей вязкостью. Это обусловлено отвлечением большего количества воды на смачивание поверхности зерен заполнителя. Необходимо отметить, что анизотропия проявляется при достаточном водосодержании, достаточном количестве цементного теста и достаточной удобоукладываемости бетона [1]. В жестких смесях технология вибрирования не позволяет занять пластинчатым зернам наиболее энергетически выгодное положение в бетоне, что снижает анизотропию и ухудшает качество бетонной смеси. Поэтому в зависимости от параметров заполнителя необходимо корректировать технологию для получения заданных свойств бетона.
При правильном подборе состава смеси с анизотропным заполнителем отмечено повышение прочности бетона с содержанием лещад-ного заполнителя 35% в призмах вертикального формования по сравнению с бетоном, содержащим 15% пластин. Горизонтально расположенные зерна играют роль арматуры, что положительно отражается на прочности [6,7].
Исходя из сказанного, необходимо более полно изучать и направлять формирующуюся структуру КАМОВ для достижения синергети-ческого эффекта взаимодействия структурных элементов разных геометрических размеров и значимости, позволяющих добиваться требуемых свойств более высоких, чем у исходных материалов. Для решения подобной задачи необходимо увязать формирование структуры КАМОВ на 6 иерархически подчиненных уровнях, как указанно на рисунке 2.
Мегауровень - определяет работу КАМОВ в целом, ее взаимодействие с другими конструкциями или элементами здания.
Макроуровень - уровень взаимодействия основных элементов структуры КАМОВ (горизонтальных и вертикальных растворных швов, крупного анизотропного заполнителя) и не заполненных раствором зон швов (дефектов структуры)._
Крупный анизотропный заполнитель
Мезоуровень -отвечает за формирование зоны контакта раствора швов и крупного анизотропного заполнителя
Крупный анизотропный заполнитель Зона контакта Раствор швов
Микроуровень - это уровень внутреннего строения крупного заполнителя и раствора. Непосредственно в КАМОВ формируется только растворная составляющая, поэтому данный структурный элемент будет определяющим. Раствор включает структурное взаимодействие цементного камня с мелким заполнителем, а также крупным анизотропным заполнителем.
Крупный анизотропный заполнитель
Надматричная структра
Раствор
Минеральная составляющая
Технологические пустоты, естественные пустоты структуры
Дисперсное армирование, армирование
Мелкий заполнитель
Контактная зона
Цементный камень
Субмикроуровень - представлен сложным фазовым и I1 иищмими щ пи I 11н| и I пиши камня и входящего в его структуру цементного геля, аморфизированного и кристаллического сростка, системы пор и пустот, включая поры геля. Определяющим будет составляющая - цементный камень, поскольку его структура формируется непосредственно в кладке. Этот уровень _определяется также структурой керамики или силикатного камня в кирпиче._
Крупный заполнитель
Мелкий заполнитель
Раствор
Цементный камень
Твердая фаза;
Система пор и пустот
Твердая фаза;
Система пор и пустот
Система пор и пустот
Цементный гель
Кристаллический сросток
Наноуровень - наиболее сложный и малоизученный уровень структуры, характеризует атомно-молекулярное взаимодействие элементов, формирующих кристаллическую и гелевую фазу цементного камня. Этот уровень определяется также структурой и составом кристаллов, формирующих заполнитель._
Рисунок 2 - Схема взаимного влияния структурных элементов КАМОВ на различных уровнях структуры.
Использование эффективного анизотропно- вышению качества композиционного материала, го заполнителя приводит в существенному по- работающего в суровых условиях, например,
сейсмической, вибрационной или динамической нагрузок. Эффективная структура КАМОВ заслуживает рассмотрения при работе в суровых условиях. Наиболее опасными являются действия поперечных, сдвигающих сил, возникающих в сечении при подвижках земной коры, жесткие связи между отдельными элементами конструкции из КАМОВ, развитие магистральных трещин в материале по наиболее опасным направлениям [8].
В случае, если конструкция из КАМОВ работает в сейсмических условиях, наиболее опасны резкие сдвиговые деформации, на восприятие которых обычные материалы мало приспособлены. Моделирование работы конструкций из изотропного и анизотропного материала с одинаковыми деформативными свойствами на сжатие при одинаковых нагрузках показывает, что анизотропная структура при равном модуле деформаций проявляет большие поперечные деформации, как показано на рисунке 3.
Загружены^ 1
Мозаика перемещений по Х(С) Единиир измерения - мм
Рисунок 3 - Деформации образцов при вертикальной нагрузке 100 кгс/см2 и сопоставимой горизонтальной нагрузке: ф) изотропного бетона Е=275*103 кгс/см2; б) КАМОВ из 2 типов слоев: 1 слой Е=100*105 кгс/см2; 2 слой
Е=450*103 кгс/см2.
Поперечные деформации КАМОВ при сопоставимых нагрузках в 1,5 раза выше при одинаковых вертикальных. Это приводит к интенсивному развороту элементов, подвергающихся наибольшему воздействию поперечных сил. Разворот сечения составит до 1,5-2 градусов, что отразится на схеме работы материала, как представлено на Рис. 4. При использовании КАМОВ снижаются собственные частоты конструкции по сравнению с изоторопным материалом с 3,9 до 2,9Гц (изменение до 24%), что отражается на восприятии динамических нагрузок. При разво-
роте сечения проявляется несколько положительных эффектов:
1. Снижаются действующие на элемент силы за счет разворота сечения, этот эффект составляет в пределах 3,5% при подобном угле разворота. Возникает отталкивающая сила, которая стремится сбросить элемент с конструкции и которая компенсируется вертикальным прижимом.
2. Нагрузка, ранее действующая по наиболее невыгодному направлению, сдвигающая элементы КАМОВ относительно друг друга,
становится менее значима из-за наклона относительно плоскости стыкования элементов.
3. Более жесткие элементы с меньшим коэффициентом поперечных деформаций - анизотропный заполнитель - играет роль обжимающего, а значит, армирующего эффекта для более деформативных элементов. В результате материал разделяется на блоки, что препятствует развитию магистральных трещин.
КАМОВ при развитии магистральных трещин работают в более выгодных условиях по сравнению с изотропными материалами на основе сырья с одинаковыми параметрами.
Рассмотрим схему развития магистральных трещин в изотропном материале и анизотропном материале с заполнителем из пластинчатых зерен при одинаковых показателях энергии тре-
4. При достижении предельных значений сдвиговых усилий формируется элемент сухого трения, поскольку после образования трещины на участке сцепления соседних элементов КА-МОВ, при формировании элемента сухого трения, возможно восприятие нагрузки до 70% от вертикальной.
щинообразования в отдельных элементах и одинаковых условиях работы, например, при сжатии. В качестве модельного представления зерна заполнителя в изотропном материале использовался кубический элемент, а в анизотропном -прямоугольный с соотношением сторон 1/3. Результаты моделирования представлены на Рис. 5.
Рисунок 4 - Влияние разворота элемента КАМОВ при поперечной деформации
_по заполнителю
— по зоне контакта "заполнитель-матрица"
— по матрице
Рисунок 5 - Сравнительная характеристика протяженности магистральных трещин: а) изотропных композиционных материалов; б) КАМОВ.
Из модельной схемы видно, что протяженность магистральной трещины, продвигающейся по «слабому звену», различная для изотропных материалов и КАМОВ, кроме случая, когда «слабым звеном» является заполнитель. На практике заполнитель обычно гораздо более прочен и трещиностоек, чем цементный камень и зона контакта. В результате при использовании анизотропного заполнителя в КАМОВ можно добиться того, что затраты энергии будут выше по сравнению с изотропным материалов в 2-3 раза за счет увеличения протяженности зоны разрушения по механизму «слабого звена». Значит, исходя из представленной схемы, можно сделать вывод, что КАМОВ при прочих равных условиях будут работать в тяжелых условиях с большей эффективностью. Это касается рассмотренных выше бетонов с анизотропным заполнителем, при правильном подборе состава и выборе технологии прочность которых будет выше. При увеличении количества лещадных зерен трещи-ностойкость и стойкость к сейсмическим воздействиям будет выше.
Предложенный путь оптимизации структуры КАМОВ на 6 иерархических уровнях позволит добиться повышения качества кладки на сырье -заполнителе, который на сегодняшний момент считается менее качественным. Необходимо отметить, что для реализации предложенного пути необходимо изменить технологию приготовления и уплотнения бетона, который позволит занять зерну заполнителя наиболее эффективное энергетическое положение. Эта задача может быть решена с помощью, например, предварительного уплотнения с большой амплитудой и низкой частотой вибрирования для опрокидывания отдельных зерен в бетонной смеси. Возможно получение кирпичной кладки с повышенной
прочностью, сопоставимой с прочностью исходного кирпича. Экспериментальные данные показывают возможность получения образцов с прочностью до 85% от прочности кирпича.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гридчин А.М. Повышение эффективности дорожного строительства путем использования анизотропного сырья. -М.; АСВ, 2006г. 484с.
2. Лесовик В.С., Белых В.И., Малыхина В.С. Влияние петрографического состава скальных пород Лебединского месторождения на свойства продуктов их дробления. //Комплексное использованием нерудного минерального сырья и побочных продуктов промышленности для производства строительных материалов. -М.; Транспорт, 1985 с. 37-47.
3. Курденков Б.И. Влияние формы зерен каменного материала на прочность дорожных одежд. -М.; СоюзДорНИИ, 1964, с. 11-17.
4. Койфман М.И., Ильиницкая Е.И. Влияние влажности на прочность горных пород при растяжении и сжатии.- М.; Наука, 1970, с.46-52.
5. Курденков Б.И. Методы улучшения формы зерен для дорожных одежд. -М.; СоюзДорНИИ, 1964, с. 17-24.
6. Бабин А.Е., Сопин М.В., Морозов А.И., Шухов В.И. Заполнитель из вмещающих горных пород железнорудных месторождений и железобетонные конструкции на их основе. /Строительные конструкции, здания и сооружения. -Белгород, БТИСМ, 1988. -с.120-122.
7. Вавилов А.В., Хон Н.В. Новый метод получения качественных заполнителей для бетона. Строительные материалы ХХ1 века -2000; №5, с.43-44.
8. Гридчин А.М., Баженов Ю.М., Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Пушкаренко А.С., Васильченко А.В. Строительные материалы для эксплуатации в экстремальных условиях. -М.; -Белгород , АСВ И БГТУ им. Шухова, 2008г. 594с.
