CC BY
54
исследований еще раз подтверждают высокую эффективность вакуумной обработки золобетонных смесей при формовании изделий [7].
Выводы. Показана высокая эффективность вакуумной обработки золобетонов, как на обычном цементе (М 400), так и на местном вяжущем (М 200) - предоставляется возможность повысить прочность практически в 2 раза. Широкое использование золобетонов в строительстве дает возможность решить проблему заполнителей, способствует утилизации отходов ТЭС, и, соответственно, охране окружающей среды.
1. Колесова В. А. К вопросу о структуре силикатных стекол, содержащих галлий. - В кн.: Стеклообразное состояние: Тр. V Всесоюз. совещ. Ленинград, 1969, 26-30 мая. - Л. : Наука , 1971, С. 184-186.
2. Минаков А. Г., Чоловский М. Ф., Щеглова М. Д. Область стеклообразования в системе SiO2-CaO-Fe2O3. - В кн.: Вопросы химии и химической технологии: Респуб. межвед. науч.-техн. сб. - Харьков : Вища школа, 1973, вып. 29, С. 162-168.
3. Павлушкин Н. М. Основы технологии ситаллов. - М. : Стройиздат. 1979. - 360 с.
4. Сергеев А. М. Использование в строительстве отходов энергетической промышленности. - К. : Будiвельник, 1984. - 120 с.
5. Сергеев А. М., Дибров Г. Д. и др. Применение местных материалов в строительстве. -К. : Будiвельник, 1975. - 184 с.
6. Сторожук Н. А. Вибровакуумирование бетонных смесей и свойства вакуумбетона: Монограф. - Днепропетровск : Пороги, 2008. - 251 с.
7. Сторожук Н. А., Павленко Т. М. Вибровакуумная технология золошлаковых бетонов // Будiвельнi конструкций Мiжвiдомчий наук.-техн. зб. наук. пр. (будiвництво). - Вип. 72. - К. : ДП НД1БК, 2009. - С. 302-308.
8. Berry E. E., Malhotra V. M. Fly ash for use in concrete - a critical review. - Journal of the American concrete institute, 1980, Proceedings, vol. 77, № 2, P. 59-73.
9. Diamond S. Intimate association of coal particles and inorganic spheres in fly-ash. - Cement and concrete research, 1982, vol. 12, № 3, P. 405-407.
УДК 666. 914.5:663.543:002.68
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ ДЛИНЫ И СОДЕРЖАНИЯ КОМПОНЕНТОВ В ЦЕМЕНТНО-ВОЛОКНИСТОЙ КОМПОЗИЦИИ
В. Н. Деревянко, д. т. н., проф., Е. Г. Кушнир, инж., О. В. Шаповалова, к. т. н., доц.
Ключевые слова: армирование, волокна, добавка, прочность, матрица.
Постановка проблемы. Армирование растворов позволяет увеличить их стойкость к температурным, влажностным и коррозийным воздействиям, а также значительно улучшить механические свойства. Армирование композиционного материала заключается в том, что нагрузка, возникающая в результате внешних и внутренних воздействий различных факторов, передается с матрицы на волокна, имеющие высокие прочностные показатели, тем самым облегчая матрице условия работы. Волокна в составе матрицы снижают коэффициенты температурного и влажностного расширения, препятствуют перемещению дислокаций, воспринимают и перераспределяют основную нагрузку от механических воздействий, препятствуют возникновению трещин.
Принцип совместной работы составляющих композицию компонентов материала состоит в том, что волокно, матрицы и композиции в целом подчиняются закону Гука. Прочность композиции при заданной деформации определяется объемной долей компонентов и их модулями. Для композиций, армированных непрерывными волокнами:
ИСПОЛЬЗОВАНАЯ ЛИТЕРАТУРА
где 5к, 5в - пределы прочности композиции и волокна;
5м - напряжения в матрице при деформации разрушения матрицы волокон (матрица пластичная);
Ув - объемная доля армирующих волокон.
Анализ публикаций. Согласно многочисленным исследованиям, результаты которых обобщены в работе И.М Грушко., А.Г. Ильина условия создания волокнистой композиции, превосходящей по прочности матрицу, способную к деформационному упрочнению, выражаются неравенством:
5 V +бм(\ — ¥в )>5М . (2)
Отсюда определяют критическую объемную долю волокон Ув.кр, которую необходимо превысить для достижения деформационного упрочнения матрицы:
Гв.кр ={8м-5м)в -б'н) (3)
Разность (5В — 5н) соответствует приращению напряжения вследствие деформативного упрочнения матрицы.
Упрочняющее действие волокон заключается в том, что более прочные и жесткие по сравнению с матрицей волокна начинают нести в композиции основную часть нагрузки, как только их объемная доля в матрице превысит некоторую критическую величину. Следует отметить, что приведенное выше уравнение для расчета прочности композиции при растяжении выведено с предположением, что непрерывные волокна имеют одинаковую прочность (Ир = 1500 - 4000 МПа) и одновременно разрушаются в определенном поперечном сечении. Композиты, армированные непрерывными волокнами, обладают наибольшей прочностью, но технологическое введение волокон таким способом сложно и, кроме того, при изготовлении сеток или ровинга происходит значительное удорожание материала.
Цель. Разработка метода определения минимальной длины и содержания компонентов в цементно-волокнистой композиции.
Основной материал. Поведение композиций, армированных дисперсными (прерывными) волокнами с длиной отрезков 1, при деформации отличается от поведения композиций, армированных непрерывными волокнами, если длина 1 не превосходит во много раз критическое значение 1. В несущей разрывную нагрузку композиции напряжения на концах волокон ограниченной длины меньше максимальных напряжений, чем в непрерывных волокнах. По длине волокон действуют неодинаковые растягивающие напряжения: на концах отрезков они равны нулю, а в эффективной части волокон достигают максимальных значений. Такое распределение нагрузки обусловлено тем, что нагрузка передается волокну касательными напряжениями на поверхности раздела между волокном и матрицей. Длина прерывных волокон, достаточная для их деформирования, называется критической. Волокна длиной меньше критической в процессе деформации не разрушаются, а вытягиваются из матрицы. Неэффективная концевая часть, на которой напряжение уменьшается от максимальной 5вмах до нуля, равна Ькр/2 (рис. 1.)
а) в)
Рис. 1. Схема для определения длины дискретных волокон [2]: а- эффективный и неэффективный участки длины декретного волокна; б - элемент волокна в равновесии
Параметр в, отношение площади ограниченной кривой распределения напряжения на длине Ькр/2, к площади прямоугольника со сторонами Ькр/2 и 5в, дает возможность определить
среднее напряжение в волокне 5^ :
^ [1 -(1 -р)х Ькр / ь]. (4)
Выражение для определения предела прочности при растягивании композиционного материала, армированного дискретными волокнами, примет вид:
8К =[1 -(1 -р)Ьр /Ь]-Гв +8М хУм . (5)
Если растягивающее напряжение на волокне нарастает какой то по мере удаления от его концов, в = 1/2 и, следовательно:
бк =(1 -Ькр/2ЬX хГв +3'мхГв
или уравнение прочности:
5К =(1 - Ькр/2Ь)5в хУв +5м (1 - Гв). (6)
Следовательно, при длине отрезков волокон, равной критической, в композиции реализуется лишь 50 % полезной прочности волокна, а для использования 95 % прочности волокнистой арматуры нужно, чтобы Ь = 10 Ькр. Поскольку напряжения от волокна к волокну передаются через матрицу, то среднее напряжение в коротких волокнах всегда будет меньше, чем в прерывных. В случае композиций, армированных прерывным волокном, для достижения эффективного упрочнения объемная доля прерывных волокон должна быть выше критической "Укр.дискр, которую можно определить из уравнения прочности, приняв 5к > 5м:
УкР.„т = (м - )/[ (1 - Ькр /2Ь)-51М ] . (7)
В композициях, армированных дискретными волокнами, отдельную роль играет ориентация волокон. К. Келли [4], изучая изменение прочности композиции в зависимости от ориентации в ней дискретных волокон, установил зависимости, которые свидетельствуют о существовании критического угла разориентированности, равного у = 8°. Когда угол больше 8°, то прочность (анизотропная) композиции будет значительно меньше по сравнению с прочностью композиции, армированной непрерывными волокнами.
При введении в раствор дисперсных волокон они, по мнению авторов [3], располагаются на границе микроблоков. Тогда часть растягивающей нагрузки распределяется более равномерно между отдельными стержнями, препятствуя смещению микроблоков в перпендикулярном направлении действия сжимающей нагрузки.
При воздействии внешней нагрузки на твердое тело происходит изменение линейных размеров не только в плоскости действия силы, но и во взаимоперпендикулярных осях (рис. 2), под действием вторичных напряжений, возникающих в структуре материала [1; 5 - 8].
К
Рис. 2. Схема возникновения растягивающих напряжений Согласно рисунку 2, по оси Ъ действуют сжимающие напряжения, бс, в осях X и У, растягивающие бх и бу, кроме того, между ними существует определенная зависимость, так как возникающие трещины будут располагаться параллельно плоскостям ХТ и XZ.
Характерным является то, что возникающие трещины при сжатии всегда перпендикулярны растягивающим напряжениям. Можно предположить, что дискретные волокна препятствуют
распространению трещин в плоскости, перпендикулярной действию сжимающеи нагрузки и параллельной при действии растягивающей.
Условия работы дискретных волокон отличаются от условий работы непрерывных волокон. При разработке композиционных материалов возникает необходимость определения оптимальной длины волокон и их количественного содержания. В связи с огромным количеством факторов, влияющих на эти параметры, задача их определения довольно сложная, поэтому приходится делать некоторые допущения: твердое тело является однородным, прочность контактного слоя равна прочности матрицы.
Приложение растягивающей нагрузки по оси X (рис. 3), в контактной зоне волокно -матрица провоцирует возникновение касательных напряжений т, которые удерживают волокно в матрице [5; 6]:
DN = лйт ; (8)
¿X
N = лйтх. (9)
Рис. 3. Схема для испытания волокон при определении критической длины
Напряжения в поперечном сечении волокна равны:
Ь = лйтх/ лй2 = 4тх в = 4 = Т
(10)
Глубина заделки волокна х = 1 кр, при которой волокно будет не выдергиваться из матрицы, а разрушаться (рис. 4):
1 = (11)
кр 4т
где бв - растягивающие напряжения в волокне, МПа; d - диаметр волокна, см; т - касательные напряжения, МПа.
матрица) и длины волокон: 1- нагружающее устройство; 2 - зажимы специальные: 3 -волокно; 4 - матрица; И - глубина заделки, кратная 5
В зоне контакта разнородных составляющих композиции образуются поверхности раздела, представляющие собой переходную область, в пределах которой происходит физико-химическое и механическое взаимодействие между компонентами композиционного материала. Область рассматривается как особая составляющая композиции, которая обладает специфическими механическими свойствами, отличными от свойств как матрицы, так и армирующего наполнителя, и играет особую и подчас определяющую роль в получении
55
материала с требуемым комплексом свойств. Реакции на поверхности раздела волокно -матрица могут улучшить адгезию матриц к волокнами, тем самым обеспечить передачу механических напряжений от матрицы к волокну, повысить прочность того или иного компонента или даже группы компонентов, но в большинстве случаев ухудшают свойства волокон. Поверхность раздела матрица - волокно в ранние сроки твердения очень пористая и состоит из свободных, частично гидратированных зерен цемента, соприкасающихся с волокнами. Этим объясняется, что при механическом разрушении композиции на ранних сроках твердения происходит выдергивание волокон из матрицы. То есть прочность композиции зависит от плотности контакта волокно - матрица. С увеличением срока твердения поры на границе раздела и промежутка между волокнами заполняются кристаллами (иглами) Са(ОН)2 и другими продуктами гидратации цемента. Граница раздела уплотняется и при разрушении образцов количество выдернутых волокон сокращается и увеличивается доля разорванных волокон, поэтому на этом этапе развития композиции ее прочность характеризуется прочностью волокон. Влияние на свойства композиций оказывают условия хранения образцов: так, в образцах хранящихся во влажных условиях, количество выдернутых волокон снижается, а в образцах, хранящихся в сухих условиях, их количество со временем остается постоянным.
Для определения прочности связи между полимерными волокнами и цементной матрицей выбрана методика выдергивания волокон [7 - 9]. Волокна заделываются на глубину 5; 10; 20 мм в цементное тесто с В/Ц 0,25 и 0,4. Образцы испытывались через 7 и 28 суток твердения. Цельность волокна сохраняется до максимальной нагрузки, при которой волокно либо ломается, либо выдергивается из матрицы (при меньшей нагрузке). Предел текучести обычно соответствует нагрузке, при которой свободный конец волокна выдергивается из матрицы. В процессе экспериментов большое число волокон разрушалось еще до извлечения из матрицы. Это можно объяснить значительным изменением прочности волокон либо более сильной межфазовой адгезией, либо и тем и другим. В таких случаях точное значение силы связи определить не удалось. Установлено лишь ее минимальное значение. Максимальная расчетная прочность связи составила лишь 1 МПа. Такое низкое значение свидетельствует, что эта связь по своей природе обусловлена трением. На основании результатов экспериментов глубина заделки волокон должна составить для полипропиленовых 5 - 8 мм, полиамидных 5 - 6 мм, а прочность контактного слоя (зоны) составила соответственно 0,4 и 0,38 МПа (табл. 1.)
Таблица 1
Результаты испытаний^ адгезионной прочности волокно^ - матрица
Вид волокна Глубина заделки, мм Диаметр волокна, мм Длина волокна, мм Разрушение волокон, % Выдергивание волокон, % Предельное напряжение, МПа Прочность контакта с зоной
Полипропиленовые 5,8 24 5 10 6 3 83 55 82 10 38 0,32 0,50 0,48 0,4
5 10 74 0,27
Полиамидное 6,15 27 10 6 7 80 44 50 47 45 0,47 0,36 0,40 0,38
Критическая длина полипропиленового и полиамидного волокна:
£ кр =5В х а/4т = 400 х 0,024/4 х 0,4 = 6,0 мм (12)
£ кр =5В х а /4т = 500 х 0,027/4 х 0,38 = 8,88мм (13)
В работах А. А. Пащенко, Лобанова и других указывается, что при дискретном армировании волокно может вытягиваться в обе стороны, следовательно, минимальная длина полиамидных волокон должна быть не менее:
Ь мми = 2Ькк, т. е. Ь мми = 8р х dв / 2т. (14)
Тогда, для полипропиленовых и полиамидных волокон минимальная длина будет:
Ь мми = 400 х 0,024/2 х 0,4 = 9,6/0,8 = 120 мм (15)
Ьмми = 500 х 0,027/2 х 0,38 = 3,5/0,76 = 17,7 мм (16)
Проведены исследования свойств композитов на основе цемента, армированного стекловолокном длиной 10 - 40 мм с расходом 2 - 8 % по объему. Наилучшие показатели получил образец в 28-суточном возрасте, особенно прочность на изгиб, по сравнению с прочностью неармированного цементного камня в 4 - 5 раз, прочность на разрыв в 3 - 4 раза, ударная прочность в 15 - 20 раз. Эти максимальные значения достигаются при содержании волокон до 6 %, хотя методом набрызга можно ввести до 10 % волокна по объему. Значения этих свойств возрастают с увеличением длины волокон от 10 до 30 мм. В общем, в соответствии с правилом аддитивности прочность композитов должна изменяться линейно с увеличением объемного содержания волокна. Линейная зависимость прочности от концентрации волокна сохраняется вплоть до его предельного содержания. Выше этой точки резко возрастает пористость материала, то есть снижается его плотность, что обуславливает нарушение линейной зависимости - прочности от концентрации волокон, вследствие чего уменьшается прочность при изгибе и растяжении стеклоцемента. Условия твердения образцов качественно связаны с изменением пористости и плотности композиции, степенью гидратации цемента и взаимодействием на границе волокно - матрица. Так, образцы стеклоцемента имеют несколько большую прочность в 28-суточном возрасте при твердении на воздухе, чем при твердении в воде.
Таблица 2
Результаты расчета длин волокон
Вид волокна Диаметр, мм Прочность волокна тр, МПа Прочность контактной зоны Критическая длина волокон Минимальная длина волокон Ьмию мм
Полипропиленовые 0,024 400 0,4 6,0 12,0
Полиамидное 0,027 500 0,38 8,88 17,7
Поведение образцов затвердевшего цементного теста, армированных полимерными волокнами, определим после расчета их объемной концентрации.
Авторы предлагают для определения количественного содержания волокон следующие соображения. Нагрузку, которую выдерживают волокно и матрица материала, можно определить из выражений:
Рв =°В * Рв = М2/4бв; Рм =ам * ¥м, (17)
где Рв, РМ- нагрузка на волокно и матрицу, Н, кг; ов, ом - напряжения волокна и матрицы, МПа, кгс/см2;
Рв, РМ - площадь поперечного сечения и матрицы, см2;
ё - диаметр волокна, см.
Для единичного объема, армированного волокном, площадь матрицы должна выдерживать нагрузку, которую выдерживает волокно диаметром а. Превышение прочности матрицы позволяет сделать вывод, что количество волокон недостаточно в макрообъеме композита, и
наоборот, пониженная прочность матрицы по сравнению с волокном говорит о повышенном содержании волокон, следовательно, в ситуации, когда матрица и волокно сечением Рв, РМ, выдержав одинаковую нагрузку, является оптимальным. Потому и нагрузка, которую выдерживают волокно и матрица, должна быть одинакова:
Рм=Рв ; (18)
Рмхам = Рвхав ; (19)
Р = Р ха/а= паа* ; (20)
Рм~ Рвх а в! &м- 4
ав
Отсюда единичные объемы волокна и матрицы:
ум = пё2ав / 4ам = пё2ам * £ кр; Уя = Упё2 / 4 * £ м . (21)
м В м м кр ' в м ^ '
Соответственно содержание волокон в матрице можно определить из соотношения:
ц = Ув / Ум * 100, ¡л = ам /ав * 100%, (22)
где ц - содержание волокон, %.
В связи с тем, что при хаотичном армировании волокна ориентируются в трех плоскостях, количество волокон необходимо увеличить на коэффициент, зависящий от технологии укладки, равный от 1 до 3. Тогда количество волокон, необходимое для армирования, определим из выражения:
/и = п * /и, (23)
где ц - количество дисперсных волокон.
Известно, что предел прочности при растяжении цементного камня составляет 3 МПа, а пределы прочности при растяжении полипропиленовых и полиамидных волокон - 400 - 600 МПа, соответственно. Подставляем эти значения в формулу и рассчитываем расход полипропиленовых и полиамидных волокон:
/ = 8м / 5 * 100% = 3/400 -100% = 6,75 %. (24) При равномерной укладке коэффициент п = 3, следовательно:
/ = 3/ = 3 * 0,75 = 2,25 % (25)
/ = 3/600 * 100% * 3 = 0,6 * 3 = 1,8 %. (26)
Выводы. Предложен метод определения минимальной длины и содержания компонентов в цементно-волокнистой композиции, позволяющий предварительно определить количественное содержание армирующего компонента в композициях на основе минеральных вяжущих.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Грушко И. М. Повышение прочности и выносливости бетона./ Грушко И. М., Ильин А. Г. - Харьков. : Вища школа, 1986. - 150 с.
2. Армирование неорганических вяжущих веществ минеральными волокнами /
Пащенко А. А. и др. - М. : Стройиздат, 1988.
3. Ресурсосберегающие технологии бетонов в транспортном и гидротехническом строительстве: сб. / Деревянко В. Н., Крекнина Е. А. - Межв. сб. Днепропетровск, 1995. -
С. 35 - 36.
4. Goldfein, S. 'Fibrous reinforcemet for Potland cement', Modern Plastics 42 No 8 (1965),
pp 156-160
5. Гордон С.С. Структура и свойства тяжелых бетонов на различных заполнителях /
Гордон С. С.- М. : Стройиздат, 1969. -151 с.
6. Десов А. Е. Некоторые вопросы структуры прочности и деформации бетонов / Десов А. Е. - М. : Стройиздат, 1966. - 158 с.
7. Рыбьев И. А. Исходные методические позиции при исследовании искусственных строительных конгломератов. / Рыбьев И. А., Нехорошев А. В., Строительные материалы;
№ 2 1980. - 24 - 25 С.
8. Мелькин В. И., Жур Д. М, Егоров В. С. Прочность хрупких материалов при сложном напряженном состоянии./ Мелькин В.И., Жур Д.М, Егоров В.С. Изв. Вузов. Машиностроение, № 2, 1970. - 9 - 14 С.
9. Washzu W. Varitiohal Metod in Elastisity and Plastisity. - London, Pergamon Press, 1968, 344p.
10. de Verey, R.C. and Maiumdr, A. I. Determining bond strength in filrereinforced composites. Magazine of Concrete Research Zo № 65 (1968), pp. 229 - 234.
11.Ritchie, A. G.B. and Macrintosh D.M. Selection and rheological characteristics in polypropylene fibres. Conrete 6 (1972), pp. 36-39.
УДК 693. 546. 42
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПТИМАЛЬНОМУ УПРАВЛЕНИЮ ФОРМОВАНИЕМ
Н. А. Сторожук, д. т. н., проф., Т. Н. Дехта, к. т. н., доц.
Ключевые слова: интенсивность вибрации, оптимальное управление формованием, инерционный поток энергии.
Постановка проблемы. Разработка и совершенствование способов уплотнения бетонных смесей при формовании железобетонных изделий является одним из ведущих направлений в технологии бетона на предприятиях строительной индустрии, поскольку на этом этапе производства создается необходимая структура бетона, обеспечиваются его требуемые плотность, однородность и, соответственно, качество изделия. Поэтому разработка и обоснование оптимального режима уплотнения бетонных смесей при формовании изделий, который позволяет существенно повысить физико-механические свойства бетона, при этом значительно сократить продолжительность формования изделий, является одной из актуальной проблем.
Анализ публикаций. Для разработки основ теории оптимального управления процессом виброуплотнения бетонной смеси использованы достижения теоретической физики и аналитической механики [1- 4].
Некоторые исследователи представляют бетонную смесь как систему частиц заполнителя, соединенных упругими или упруго-пластичными связями [5]. Роль таких связей отводится прослойкам цементного теста. Предполагают, что каждая частица определенной массы, соединенная упругой связью, должна иметь какую-то частицу собственных колебаний, и вибрирование будет тогда наиболее эффективно, когда период возмущающей силы вибратора будет совпадать с периодом собственных колебаний частиц заполнителя, т. е. при резонансе. Доказано, что для резонанса крупных частиц заполнителя необходима низкая частота колебаний, для мелких - более высокая. А так как в бетонной смеси обычно представлены
