Повышение эффективности производства и эксплуатации композиционных анизотропных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

Ю.А. Беленцов к.т.н., доц. Петербургский государственный университет путей сообщения

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ

belents@mail.ru

Изложены механизмы формирования композиционных анизотропных материалов. Приведены результаты оценки повышения эффективности формирования и использования структуры материалов КАМ.

Ключевые слова: анизотропные материалы, композиционные материалы, структуры материалов.

Современный этап развития строительной индустрии связан с совершенствованием композиционных материалов, повышением их эффективности, увеличением объемов производства и сроков службы. В тоже время повышение эффективности использования материалов в конструкциях связано с проведением конструктивных и технологических мероприятий, повышающих степень анизотропии в направлении действия разрушающих факторов. Достижение синергетического эффекта взаимодействия структурных элементов различного состава, генезиса, морфологии для получения композиционных материалов с показателями, превосходящими свойства исходных компонентов, позволит добиться рационального использования сырьевых ресурсов, снизить энергоемкость производства и повысить эффективность получения композиционных анизотропных материалов.

Теоретические принципы повышения эффективности производства композиционных анизотропных материалов, с учетом состава, морфологии и дефектов структурных элементов, заключающиеся в: анализе и моделировании процессов структурообразования и дефектности структуры; направленном формировании структуры на всех иерархических уровнях; оптимизации баланса внешних и внутренних сил; прогнозировании трещиностойкости, надежности и долговечности композитов; разработке и применении новых способов армирования на различных уровнях структуры; подборе оптимальных составов сырьевых компонентов, позволяющие создать рациональную структуру композиционного анизотропного материала (КАМ) с заданными свойствами. Использование многоуровневая модель структурообразования и взаимодействия структурных элементов КАМ в иерархической соподчиненности (на всех иерархических уровнях структуры от наиболее крупных к более

мелким) с учетом многофакторных межфазных и межчастичных взаимодействий, позволяющая установить причинно-следственные связи структуры и свойств композиций на всем протяжении жизненного цикла материала. Создание структуры материала с учетом выявленных закономерностей позволяет добиться снижения дефектности структуры композиционных анизотропных материалов и повысить эффективность использования сырьевых компонентов на всех уровнях структуры, позволяя прогнозировать долговечность, трещиностойкость, надежность материалов с высокой степенью достоверности, расширить рациональные области применения композиционных материалов в строительной индустрии.

Причиной широкого использования композиционных анизотропных материалов (КАМ) является более эффективное использование свойств сырья. Принципиально представляются два основных направления получения композиционных анизотропных материалов: технологический - путем использования анизотропного сырья или элементов структуры (например, дисперсного армирования или крупного анизотропного заполнителя); конструктивный - за счет использования структурных элементов (армирование, демпфирование, армодемпфирование), целенаправленно вводимых в структуру определенным образом, для улучшения свойств в заданном направлении, классификация Рис. 1. Дальнейшее развитие направленного формирование структуры КАМ должно опираться на использование анализа и совместной работы структурных элементов и синтеза структуры композиции с минимальным количеством дефектов каждого из 6 уровней формирования структуры, что позволит получить материалы с заданными свойствами (рис. 2).

Структура материалов на мегауровне, проявляющие пластические и вязкие деформации, более полно вовлекают в работы объем материала, в котором развиваются, сдвиговые и другие деформации структурных элементов и микротрещины, изменяющие объем и форму образца, поэтому при одинаковой прочности хрупкие материалы потенциально воспринимают меньший объем энергии внешних сил. Вязко-пластическая составляющая деформации материала позволяет существенно увеличить потенциал энергоемкости материала, но это ограничивает возможность их применения из-за существенного снижения расчетного модуля деформации, т.е. повышения деформативности сооружения, а значит, и прочности. Композиционно анизотропные материалы за счет высокой энергоемкости при соблюдении оптимально состава и технологии могут эффективно использоваться в суровых условиях. Передача усилий между структурными элементами различной деформа-тивности и размеров приводит к эффективному гашению и перераспределению внешних сейсмических воздействий по сравнению с изотропными материалами (Рис. 3)

Поперечные деформации композиционных анизотропных материалов 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. При использовании композиционных анизотропных материалов снижаются собственные частоты конструкции по сравнению с изотропным материалом с 3,9 до 2,9Гц (изменение до 24%), что отражается на восприятии динамических нагрузок. 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.

Принципиальным представляется вопрос, будет ли трещина развиваться или затухать, прекращая свой рост. Предложена модель, учитывающая развитие трещины в материале через равномерное увеличение напряжений на оставшуюся часть сечения. При развитии трещины длиной 2а, модуль деформации снизится, тогда:

Е1

a = (1--)h

Е

5 =

o[

Е

4a a

+)

h - 2a h - 2a

(1) (2)

На основании предложенной упрощенной методики оценки трещинообразования КАМ, при различных видах воздействия прогнозируется момент образования магистральных трещин и наступления разрушения структуры. В основу заложена интегральная оценка изменения модуля деформаций, как процесса накопления внутренних дефектов и микротрещин в структуре КАМ. Повышение надежности конструкций достижимо двумя путями: первый - изучение структуры и свойств материалов для повышения стабильности свойств с использованием вероятностных методов и применение их в проектных работах; второй - повышение качества системы осмотров и ремонтов, на основании характера развития трещин в конкретном материале при фактическом уровне нагрузки.

Принципиально формирование структуры на макроуровне, обусловленное взаимодействием структурных элементов данного уровня: анизотропного заполнителя, раствора швов заполняющих межзерновые пустоты анизотропного заполнителя. Следует учитывать кратковременные и длительные деформации элементов, что вызывает ухудшение условий работы для одних структурных элементов и улучшение для других. Различие поперечных деформаций анизотропного заполнителя и раствора горизонтальных швов приводит к неравномерности поля объемных напряжений и деформаций композита. Анизотропный заполнитель ограничивает поперечные деформации раствора, что, в свою очередь, ухудшает условия его работы и улучшает работу раствора. При этом растягивающие поперечные напряжения в анизотропном заполнителе увеличиваются в 2,28 раза по сравнению со сжатием единичного образца; в растворе горизонтальных растворных швов они снижаются на 9-10 %.

Динамика развития деформаций структурных элементов КАМ экспериментально оценивалась на образцах кирпичной кладки из силикатного и керамического кирпича и цементно-песчаного раствора (М150) (рис. 4). Впервые предложен вариант армодемпфирования. Сущность данного вида армирования состоит в комплексном воздействии. В направлении линии приложения нагрузки армирующий элемент является демпфером, а в перпендикулярном направлении обеспечивает косвенное армирование. Внешняя энергия поглощается за счет более высоких деформаций КАМ при тех же напряжениях, а поперечные сетки сдерживают поперечные растягивающие деформации. Армодемпфе-ры не нарушают монолитности и сплошности структуры и препятствуют развитию трещин.

Экспериментальная проверка эффективности конструктивных мероприятий на образцах кладки из кирпича и цементно-песчаного раствора (М150) выявила, что прочность кладки, армированной поперечными сетками (ц=0,1 %), составляет 148 % от прочности неармированной. Кладка с армированием фиброй показала на 12,5 % более высокую прочность, чем образцы, армированные сеткой. При этом коэффициент армирования был снижен с 0,1 % до 0,01 %. Армо-демпфирующий элемент обеспечивает более высокую прочность кладки, чем у поперечного армированного образца на 33 % при том же коэффициенте армирования.

Влияние мезоуровня определяет взаимодействия структурных элементов в зоне контакта анизотропного заполнителя и раствора швов. Из-за неравномерности полей напряжений и деформаций структурных элементов КАМ в зоне контакта возникают срезающие и растягивающие напряжения. Поэтому необходимо оценивать прочность сцепления на срез анизотропного заполнителя и раствора в горизонтальных швах, а также величину адгезии и когезии раствора вертикальных швов.

Для предотвращения саморазрушения КАМ необходимо обеспечить величину сцепления больше 0,08 МПа. При расчетной прочности кладки 2,4 МПа, величина сцепления должна составлять тсц = 0,24-0,36 МПа, при 5 МПа требуемое сцепление - тсц = 0,5-0,75 МПа.

Отличие минерального состава формирующейся зоны контакта раствора швов с поверхностью керамического и силикатного кирпича приведено на рис. 5 и в табл.1 При гидратации активная поверхность керамического кирпича мало пропускает воздух к поверхности зоны и содержит активные минералы, взаимодействующие с минералами цементного камня. В результате формируются новообразования, не характерные для цементного камня и зоны контакта с силикатным кирпичом. Поверхность силикатного кирпича более свободно пропускает воздух и менее активно взаимодействует с минералами цементного клинкера.

Структура КАМ на микроуровне определяется взаимодействием матрицы искусственного камня и мелкого заполнителя в растворе с минералами, слагающими поверхность анизотропного заполнителя. Принципиально важно учитывать стадию начального периода формирования структуры и процессов, протекающих в системе «заполнитель - вода - вяжущее». Прочность композита определяется параметрами формирующейся контактной зоной заполнителя и цементного камня. Ее расчетная высота составляет

величину, равную 1-3 размерам зерен цемента и достигает 20-90 мкм (рис. 7). Пустотность зоны контакта достигает величины 45%. Контактная зона во многом определяет качество структуры и свойства раствора и кладки в целом, ее монолитность и прочность, проницаемость и дефор-мативность, морозостойкость и стойкость к агрессивной среде. В первоначальный момент формирования структуры происходит обезвоживание цементно-водной суспензии в зоне контакта за счет поверхностного «отбора» воды вследствие водопоглощения заполнителя и смачивания его поверхности.

Важно использовать эффект самоуплотнения растворной смеси для ее максимального самоуплотнения и рекомендовать водотвердое (В/Т) отношение (табл. 2). Поскольку размеры, морфология поверхности отдельных зерен носят случайный характер, можно пренебречь данными факторами и оперировать показателями -средний размер зерна и размер пустот, для упрощения зерна заполнителя моделируются сферами. Можно выделить три основные схемы разрушения: по заполнителю, по матрице, по контактной зоне (рис. 6).

Для формирования более прочной и долговечной структуры раствора необходимо выбрать одну из схем упаковки, которая обеспечила бы наибольшую протяженность линий возможного разрушения для данного вида раствора. Из представленных схем следует, что:

1) при прочности заполнителя много меньше прочности матрицы (Яз <Ям, Як.с), наиболее выгодна полифракционная упаковка с Краздв > 1, что подходит для растворов на пористом мелком заполнителе;

2) при прочности заполнителя (Яз), близкой к прочности матрицы, (Яз«Ям«Як.с), наиболее выгодна схема упаковки одно-двухфракционной смеси с Краздв < 1;

3) при прочности заполнителя (Яз) много больше прочности матрицы (Яз>Ям, Як.с), эффективна схема упаковки многофракционного состава с КраЗДв < 1;

4) при низкой адгезии матрицы к заполнителю (Як.с<Ям, Ир) предпочтителен однофракци-онный состава или многофракционная схема упаковки заполнителя при Краздв>1.

Наиболее предпочтительным будет использование фракций песка: 1) из условия минимизации затрат на оборудование - 5-2,5; 2,5-0,5; 0,5-0,16 мм; 2) из условия идеализации плотности упаковки - 4.3-1,6; 1,6-0,8; 0,8-0,16. Экспериментальная проверка проводилась на растворах (табл. 4) для мелкого заполнителя стандартного гранулометрического и трехфракционного

состава по 1 схеме фракционирования, цемента М400, раствора состава 1:3 (В/Ц=0,8) и 1:10 (В/Ц=0,7). Таким образом, корректировка гранулометрического состава песка приводит к увеличению прочности и, водонепроницаемости раствора на 50-100%, что является эффективным способом повышения качества растворов (табл. 3).

Для формирования качественной структуры материала определены свойства структурных элементов, чтобы снизить влияние неравномерности полей напряжений и деформаций в композиционном материале. Для цементных растворов соотношение прочностей должно быть следующим:

г) цем.к г) зап г> конт.з 1 с л • Ксж - Ксж - Ксж 1,54 ;

О цем.к _ о зап _ г> конт.з 1 с л

раст раст раст >

0,46^СЖ - ^раст (3)

Прочность цементного камня при сжатии должна быть сопоставима с прочностью заполнителя, прочность контактной зоны может быть меньше в 1,5 раза прочности остальных элементов. Для решения данной задачи, предложено использование армодемпфирующих добавок. Сущность сводится к тому, что кроме демпфирующих элементов в структуру вводятся армирующие элементы. Совместное действие армирующих и демпфирующих элементов позволяет использовать аддитивный эффект взаимодействия структурных элементов для повышения трещиностойкости, прочности и долговечности цементных композитов (табл. 4). Предложенные составы самоуплотняющихся растворов показали, что смеси меньше расслаиваются и показывают большую прочность на сжатие до 2-х раз и на изгиб до 20% при сохранении расхода цемента и подвижности (ОК=12-13 см) (табл. 5). В качестве наполнителя использовалась мраморная мука фр 0,1мм, которая обеспечивала «плавающую» упаковку заполнителя и соответствующее В/Ц. Экспериментальная проверка на составах растворов показала, что при сопоставимых составах:

- прочность выше у самоуплотняющихся, самоуплотняющихся и самониверирующихся растворов до 1,5раз, с жестким каркасом заполнителя до 2-3раз;

- адгезия к анизотропному заполнителю выше у самонивелирующихся, самуплотняю-щихся и самониверирующихся, растворов с повышенной адгезией до 20-30%, существенно ниже у растворов с жестким каркасом до 2-3 раз;

- подвижность выше при использовании самонивериующихся растворов до 20%.

Долговечность КАМ во многом определяется системой пор и пустот структурных эле-

ментов различных уровней. Деструктивные процессы, протекающие в элементах КАМ, сложны и многообразны. Они включают замерзание воды в порах; разрастание кристаллов и накопление продуктов химических реакций в порах и дефектах; различие температурных деформаций элементов кладки. Это приводит к разрушению растворной составляющей за счет нарушения целостности структуры.

Долговечность материала определяется его морозостойкостью и стойкостью к воздействию агрессивных сред. Высолы на поверхности КАМ результат нарушения структуры под воздействием агрессивных сред. Борьба с высолами должна предотвращать нарушение структуры материала. Оценку влияния подобных процессов невозможно проводить без глубокого изучения процессов нарушения структуры материала. Влияние изменения структуры при высолообра-зование на поверхности КАМ экспериментально оценивался при выдерживании с частичным погружением цементных материалов в сульфатную среду. Состав раствора 1:3 (песок Мкр=1,5, цемент Пикалевский М400), В/Ц=0,7 (без добавок). Образцы помещались в среду хранения в возрасте 28 суток. После набора прочности контрольные образцы хранились в воде. Капиллярный подсос заставляет диффундировать через поры материалов растворимые соли на поверхность, и в течение 1 года высота высолов достигает 5-7 мм (изменения массы образцов замерялись в течении 30 недель рис. 7). В виду нарушения структуры композита, вызванного высо-лообразованием, прочность снижается до 20 % (табл. 6).

При хранении цементного раствора це-ментно-песчаного раствора в условиях капиллярного подсоса в сульфатной среде (табл. 7) увеличивается степень карбонизации раствора и снижается количество портландита. Можно сделать вывод, что процесс высолообразования на поверхности композиционных материалов сопровождается нарушением структуры и снижением его прочности до 20% в течение года. Это подтверждается фотографиями структуры цементных композитов после появления микротрещин размером 100-200мкм (рис. 9).

Формирование структуры субмикроуровня и наноуровня включает изменение внутреннего строения элементов и взаимодействия различных фаз, минерального и химического состава структурных элементов, минерального состава и качества поверхности анизотропного заполнителя, цементного или иного искусственного камня матрицы.

Одним из направлений повышения качества структуры цементного камня является химическое армирование. Сущность данного метода заключается в формировании жесткого кристаллического сростка с заданными свойствами с определением их взаимного расположения, прочностных и деформативных свойств кристаллов, а также прочного сцепления в коагуля-ционных узлах. Существует много путей для формирования структуры цементного камня с улучшенными свойствами за счет длинных и прочных кристаллов или сростков, например, волокнистых по структуре гидросиликатов кальция или кристаллов эттрингита. Рост кристаллического сростка приводит к его проникновению в глубь гелевой фазы, а при длительном процессе гидратации - к зарастанию трещин, дефектов и пор структуры цементного камня.

Для повышения количества первичного эт-трингита в цементном камне до момента набора прочности, что позволяет снизить количество новообразований при эксплуатации, предложено введение H2SO4 в цементное тесто при затворе-нии водой. Первичный эттрингит формируется в виде крупных игольчатых кристаллов с характерными размерами с=0,002-0,01 и а=0,1-1 мкм с прочностью на растяжение до 70 МПа. Происходит микроармирование цементного камня. Рентгенофазовый анализ показывает существенное изменение количества эттрингита в образцах с различными условиями хранения (табл. 8). При использовании химического армирования снижается скорость набора массы, что косвенно свидетельствует о снижении скорости процесса деструкции цементного композита (табл. 9). При использовании химического армирования происходит увеличение прочности цементного камня в возрасте 1 год при хранении в условиях сульфатной среды.

Разработана схема направленного формирования структуры КАМ с минимальным количеством дефектов, так называемой «идеальной структуры», сопоставимой по прочности, тре-щиностойкости и долговечности с основными компонентами исходных материалов. Критерием оптимизации на первом этапе является повышение прочности КАМ до прочности исходного заполнителя, используя научно обоснованный подход к выбору комплекса конструктивных и технологических решений на каждом уровне структуры. Результаты испытаний (рис. 17) показали следующее. Временное сопротивление составило оразр=16,8 МПа. Фактическая величина прочности превышает расчетную (в соответствии с требованиями нормативных до-

кументов) в 5,6 раза. С учетом коэффициента запаса, обеспечивающего надежность с вероятностью отказа 10-4, расчетный предел прочности кладки составил (или составил?) Rmax=6,8-0,8/1,698=7,9 МПа, что превышает соответствующую расчетную величину по степени армирования в 2,65 раза.

Установлены закономерности, связывающие физико-механические и эксплуатационные свойства с количеством, составом, качеством поверхности анизотропного заполнителя, над-матричных элементов структуры, матрицы каждого уровня структуры.

Определены границы эффективного использования сырья для КАМ на основе анизотропных горных пород, искусственного камня и заполнителя для получения материалов обладающих комплексом свойств необходимых для работы в суровых условиях сейсмических и динамических воздействий.

Получены данные, графические зависимости и модели, позволяющие классифицировать внутренние дефекты структуры и текстуры КАМ, которые положены в основу разработки комплексной системы снижения их влияния с учетом времени и характера развития.