Композиционные материалы в строительстве_уч.пособ. Композиционные материалы в строительстве
 Скачать 3.84 Mb.
|
|
ГЛАВА 2. КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА. ВЯЖУЩИЕ НИЗКОЙ ВОДОПОТРЕБНОСТИ Появление в 1980-х годах эффективных химических модификаторов, регулирующих свойства бетонных смесей, позволило существенно улучшить физико-механические свойства получаемых бетонных композитов. Использование таких добавок значительно повысило не только прочностные показатели бетонов до 100–120 МПа, но и способствовало развитию технологии бетонирования особо сложных конструкций, позволяющей применять обычные и высокопрочные бетоны. Отличительной особенностью вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) является по- вышенная дисперсность и низкая водопотребность. В составе присутствует органический модификатор, вводимый при совместном помоле клинкера или домоле промышленного це- мента. Он участвует в синтезе цементного камня для повышения прочности, плотности гид- ратированного вяжущего. Структура и свойства многокомпонентных вяжущих предопределяются выбором необхо- димых исходных материалов, а также их соотношением, дисперсностью и активностью. Так, не- обходимым условием создания ВНВ является обязательное присутствие в его составе органиче- ского модификатора, выполняющего роль интенсификатора помола. Целью совместного помола клинкера, органического компонента, вводимого в определенном количестве, и минеральных добавок в виде отходов производства (отходы горно-обогатительных комбинатов (ГОК), отсевов дробления заполнителей из твердых горных пород, активных минеральных добавок естествен- ного и искусственного происхождения), является не только получение вяжущего заданной дис- персности, но и в обеспечении физико-химического взаимодействия между активной поверхно- стью клинкерных частиц и органической добавки вплоть до полного связывания. В результате этого возникают и завершаются твердофазовые реакции между клинкерными полидисперсными минералами портландцемента (ПЦ) и пластификатором, образуются своеобразные специфичес- кие, достаточно надежно фиксированные органоминеральные оболочки вокруг зерен цемента. В технологии вяжущих материалов под механической активацией обычно подразумева- ется их домол в мельницах различных типов. При этом возникает эффект механохимической активации, связанной с состоянием поверхности частиц, в частности с деформацией кристал- лической структуры поверхностного слоя, приводящей к снижению статического электриче- ского поля и уменьшению теплоты смачивания поверхности. Цементный камень и бетон на основе активированного цемента отличаются меньшим содержанием крупных капилляр- ных пор и, как следствие, пониженной водопроницаемостью цементного камня и повышен- ной стойкостью к различным агрессивным воздействиям. По мере повышения дисперсности процесс измельчения материала приобретает обрати- мый характер. Одновременно с диспергированием происходит агломерация частиц, обуслов- ленная наличием свободных связей, возникающих при механическом воздействии на из- мельчаемый материал. Многочисленными исследованиями установлено, что при помоле це- мента в шаровой мельнице до очень высоких величин удельной поверхности, наступает момент, после которого она больше не увеличивается, несмотря на продолжающийся расход энергии на помол. Этот процесс сопровождается уменьшением удельной поверхности. Вводимый в больших количествах органический модификатор модифицирует значи- тельную часть активной поверхности зерен цемента, ослабляет электростатические силы взаимного притяжения отдельных частиц, что предотвращает их агломерацию. Органические модификаторы, вводимые при помоле, оказывают также значительное влияние на кинетику и характер реакции процессов гидратации. Отличительной особенно- стью цементного теста на основе ВНВ является существенное замедление процессов струк- турообразования и твердения в первые 4–6 ч с последующей интенсивной потерей тиксо- тропных свойств и преобладанием процессов кристаллизации. Установлено, что индукцион- ный период структурообразования цементного теста на основе исходного портландцемента составляет 2–2,5 ч с момента приготовления в то время, как для ВНВ он занимает 3–5 ч. 13 В табл. 2.1 приведены результаты исследований процесса гидратации ВНВ методом рент- генофлуоресцентного анализа (РФА) и кинетики набора прочности камня нормального твер- дения исходного портландцемента и ВНВ на его основе. Таблица 2.1 Основные свойства вяжущих низкой водопотребности П ро до лж ит ель но ст ь тв ер ден ия, с ут Предел прочности при сжатии, МПа Степень гидратации алита, % Содержание Са(ОН) 2 , % Исходный ПЦ с НГ = 26 % ВНВ-100 с НГ теста 16,5 % Исходный цементный камень ВНВ-100 Исходный цементный камень ВНВ-100 1 32,0 82,4 52,3 26,7 2,8 0,9 3 57,5 124,5 59,0 34,0 4,5 1,2 7 72,6 156,7 66,7 40,0 6,3 1,7 28 81,7 184,0 71,4 52,0 8,2 2,6 90 90,3 196,2 78,0 56,2 9,1 2,8 180 98,5 205,0 81,6 64,3 9,8 3,1 Примечание. НГ — нормальная густота цементного теста. Несмотря на относительно низкий уровень степени гидратации ВНВ, прочность камня на его основе значительно выше, чем контрольного цементного камня, что объясняется типом новообразований и характером структуры. Преимущества, которые устанавливает применение ВНВ в технологии тяжелого бетона по сравнению с традиционным портландцементом, в том числе высокопрочным: − снижение водопотребности бетонных смесей на 30–50 %; − повышение водоудерживающей способности бетонных смесей, их сохраняемости и стойкости к расслоению при транспортировке; − значительное увеличение прочности бетона; − повышение интенсивности твердения бетонов как в естественных условиях, так и при тепловлажностной обработке; − повышение эксплуатационных свойств изделий и конструкций, в том числе плотности, морозостойкости и сульфатостойкости. 14 ГЛАВА 3. ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 3.1. Общие положения В последние годы исследования и инновации в разработках высокоэффективных и мно- гофункциональных строительных материалов строительной отрасли достигли значительных объемов. Современные строительные материалы должны быть не только экологически безо- пасными, энергосберегающими с точки зрения защиты окружающей среды, но и обладать высокими прочностными показателями, повышенной долговечностью и износостойкостью. Наиболее полно этим требованиям соответствуют дисперсно-армированные волокнистые композиты, с равномерным, заданным или произвольно ориентированным во всем объеме матрицы волокном. К ним относятся фибробетоны, фиброкерамы, фибролаты и т.д. Присутствие высокопрочных волокон в фибробетонах на основе минеральных вяжущих способствует повышению физико-механических показателей, снижению расхода сырьевых материалов при их производстве, экономии времени на изготовление, уменьшению толщины конструкций с сохранением заданных прочностных характеристик по сравнению с традици- онными видами бетона и железобетона При воздействии внешних нагрузок на фибробетон высокопрочные волокна восприни- мают основные напряжения и обеспечивают жесткость и прочность композита. При этом не- обходимо обеспечить равномерное распределение волокна по всему объему пластичной матрицы, доля которого в объеме может достигать 75 % и более. В соответствии с составом, происхождением и основными свойствами различают сле- дующие виды волокон: − высокомодульные (стальные, углеродные, стеклянные и др.) и низкомодульные (поли- пропиленовые, вискозные и др.); − природные (асбестовые, базальтовые, шерстяные и др.) и искусственные (вискозные, полиамидные и др.); − металлические (стальные) и неметаллические (синтетические, минеральные). Армирующие волокна композитов должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований: − модуль упругости больше, чем у матрицы композита; − химическая стойкость в щелочной среде бетонов, обеспечивающая отсутствие разру- шения; − объем выпуска волокон должен соответствовать обеспечению объемов производства изделий из фибробетонов; − минимальная стоимость. Существует гипотеза, основанная на том, что в дисперсно-армированых бетонах при ис- пользовании волокнистых наполнителей матрица композита передает приложенную нагрузку за счет касательных сил равномерно распределенным в ней волокнам, действующим по по- верхности раздела фаз. Основную долю напряжений будет воспринимать волокнистый напол- нитель если его модуль упругости больше модуля упругости цементной матрицы. При этом общая прочность композита прямо пропорциональна объемному содержанию волокон. Для армирования композиционных слоистых материалов применяются непрерывные во- локна с отношением длины волокна к диаметру 𝑙/𝑑 = ∞ и дискретные короткие волокна с хаотичным расположением в матрице с отношением длины к диаметру 𝑙/𝑑 = 10 1 − 10 3 В качестве армирующего компонента в волокнистых композитах могут применяться во- локна органического происхождения, стеклянные, металлические, углеродные, борные, а так- же кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и других соединений в виде волокон и ни- тей. В свою очередь основой волокнистых наполнителей являются непрерывные или дис- кретные (прерывные) элементарные волокна, которые могут использоваться самостоятельно или для производства других форм волокнистых материалов: нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов и т.п. 15 3.2. Упругие и прочностные свойства волокнистых композитов В волокнистых композитах наполнитель воспринимает механические нагрузки, опреде- ляя его основные свойства: прочность, деформативность, жесткость. Необходимым условием синтеза композита является совместимость армирующего волокни- стого наполнителя с материалом матрицы, достижение прочной связи между волокном и матри- цей с сохранением исходных значений механических свойств исходных компонентов. Волокна композита должны соответствовать требованиям по прочности, плотности, же- сткости, химической стойкости в определенном температурном интервале и т.п. В случае упрочнения композита волокнами конечной длины нагрузка на них передается посредством матрицы с помощью касательных напряжений. При условии прочного соедине- ния матрицы с волокном, нагрузка на волокна при растяжении определяется формулой 𝑃 В = τπ𝑑𝑙, где τ — касательное напряжение, возникающее в матрице в области контакта с волокном; 𝑙 — длина волокна; 𝑑 — диаметр волокна. Увеличение длины волокна способствует возникновению в нем напряжений. При дости- жении волокном критической длины 𝑙 кр , напряжение достигает максимальных значений и сохраняется даже при дальнейшем увеличении длины волокна. Критическая длина 𝑙 кр рассчитывается из равенства усилий в матрице на границе с во- локном и в самом волокне с учетом симметричного распределения напряжений в нем: τπ𝑑𝑙 кр /2 = σ В π𝑑 2 /4; 𝑙 кр = σ В 𝑑/(2τ) или 𝑙 кр /𝑑 = σ В /(2τ). Теоретически и практически установлено, что степень упрочнения (σ В КМ /σ В В ) композици- онного материала тем выше, чем больше отношение длины волокна к его диаметру (тоньше и длиннее волокно) (рис. 3.1). Рис. 3.1. График теоретической зависимости эффективности упрочнения композиционного материала от значения соотношения 𝑙/𝑑 упрочнителя При увеличении модуля упругости 𝐸 и поверхностной энергии вещества γ теоретическая прочность материалов σ M возрастает, а при увеличении расстояния 𝑎 O между соседними атомными плоскостями — снижается: σ M = ( γE 𝑎 O ) 1/2 16 Высокопрочные твердые тела, имеющие высокий модуль упругости и поверхностной энергии, характеризуются большим число атомов в единице объема. Материалы с наиболь- шей прочностью всегда не только содержат один из таких химических элементов, как азот, кремний, алюминий, бериллий, бор, кислород и углерод, но могут состоять только из них. При растяжении материала вдоль волокон основную нагрузку воспринимают высоко- прочные волокна, а матрица выступает средой для передачи усилий. Исходя из принципа ад- дитивности можно рассчитать упругие свойства волокнистых композитов при условии не- разрывности упругой деформации на границе раздела «волокно — матрица». Модуль упругости 𝐸 К композиционного материала вдоль волокон вычисляется из выра- жения 𝐸 К = 𝐸 В 𝑉 В + 𝐸 М (1 − 𝑉 В ), где 𝐸 К , 𝐸 В , 𝐸 М — модули упругости композита, волокнистого наполнителя и матрицы. Модуль упругости композита поперек волокон соответственно равен 𝐸 К = 𝐸 М 𝐸 В 𝐸 М 𝑉 В +𝐸 В (1−𝑉 В ) При растяжении композита вдоль волокон коэффициент Пуассона определяется свойст- вами исходных компонентов из уравнения: ν К = ν В 𝑉 В + ν М (1 − 𝑉 В ). Прочность волокнистых композитов определяется исходя из закона аддитивности: σ К = σ В 𝑉 В + σ М (1 − 𝑉 В ), где σ К и σ В — пределы прочности композита и волокнистого наполнителя соответственно; σ М — напряжение при разрыве волокна в матрице. Согласно закону Гука в случае упругой деформации волокна ε В и матрицы ε М без прояв- ления пластичности вплоть до разрушения справедливо следующее выражение: ε В = σ В 𝐸 В = σ М 𝐸 М Соответственно, σ М = σ В 𝐸 М 𝐸 В При достаточно высокой пластичности матрицы ее предел прочности σ М соответствует ее пределу текучести. Прилагаемая внешняя нагрузка распределяется на матрицу и волокнистый наполнитель пропорционально их объемному содержанию, увеличение их содержания приводит к повы- шению прочности композита. Условие совместной деформации волокна и матрицы ε К = ε М = ε В в момент приложения нагрузки обеспечивается прочностью адгезионного взаимодействия на границе раздела меж- ду ними. 3.3. Материалы матрицы Для качественного соединения волокон с матрицей необходимо прежде всего обеспечить хороший контакт по всей поверхности взаимодействующих компонентов. Композиты отно- сятся в основном к термодинамически неравновесным системам. Это является главной при- чиной диффузионных процессов и химических реакций, происходящих на границе раздела между волокном и матрицей не только при изготовлении композитов, но и при их использо- вании. Взаимодействие между компонентами необходимо как для обеспечения прочной свя- зи между ними, так и для передачи напряжений. 17 Высокая прочность сцепления волокнистого наполнителя с матрицей будет способство- вать обеспечению заданных прочностных и эксплуатационных характеристик композитов. При этом между матрицей и наполнителем могут возникать различные типы связи, которые представлены в табл. 3.1. Таблица 3.1 Типы связей, возникающих в композитах Тип связи Описание взаимодействия Механическая связь Возникает благодаря зацеплению неровностей поверхностей матрицы и наполнителя, а также действию трения между ними. Композиты с та- ким типом связи обладают низкой прочностью при продольном сжатии и поперечном растяжении Связь, возникающая за счет сил поверхностного натя- жения Появляется за счет действия сил поверхностного натяжения при про- питке волокон жидкой матрицей вследствие смачивания и небольшого растворения компонентов Реакционная связь Вызвана химическим взаимодействием компонентов на границе разде- ла, в результате чего образуются новые химические соединения Обменно-реакционная связь Возникает при протекании двух и более стадийных химических реакций. Оксидная связь Появляется на границе раздела металлической матрицы и оксидного наполнителя (Ni − Al 2 O 3 ) благодаря образованию сложных оксидов типа шпинели и др. Смешанная связь Обнаруживается при разрушении оксидных пленок и возникновении химического и диффузионного взаимодействий компонентов. В волокнистых композиционных материалах важная роль отводится матрице, которая выполняет следующие функции: − обеспечивает целостность композиционного материала; − фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон; − обеспечивая равномерную нагрузку вдоль волокон и её перераспределение при разру- шении части волокон, перераспределяет действующие напряжения по всему объему материала. От материала матрицы зависит метод производства изделий, габариты, методы обработ- ки и т.д. Таким образом, при выборе материала матрицы важную роль играют эксплуатаци- онные (физико-химические и механические свойства) и технологические (размещение воло- кон в матрице без касания между ними, высокая адгезия) факторы. 3.4. Фибробетоны Одним из наиболее перспективных конструкционных материалов для многоцелевого применения в строительстве является дисперсно-армированный бетон, или фибробетон. Прочность обычных бетонов при растяжении значительно уступает прочности при сжатии. Многообещающим направлением в технологии бетона является использование волокнистых наполнителей в качестве армирующих компонентов для получения бетонов нового типа с повышенными эксплуатационными и прочностными показателями. Исходными армирующими элементами таких бетонов могут выступать металлические, минеральные и органические волокна в виде непрерывных нитей или дискретных (коротких отрезков) волокон — фибры, которые равномерно распределяются по всему объему цемент- ной матрицы. Такой вид армирования носит название дисперсного. На рис. 3.2 приведена классификация дисперсно-армированных бетонов. Введение волокон (или фибры) в состав бетона с произвольной или направленной ори- ентацией способствует повышению прочности цементных бетонов при сжатии и растяжении, увеличению трещиностойкости, ударной вязкости и износостойкости. 18 Рис. 3.2. Классификация дисперсно-армированных бетонов 19 При дисперсном армировании можно получать направленную и произвольную (свобод- ную) ориентацию. В случае направленной ориентации армирование по всему объему бетона осуществляется непрерывными волокнами, нитями, ткаными и неткаными сетками и другими материалами. Формование изделий в магнитном поле короткими стальными фибрами также способствует получению дисперсно-армированного бетона с направленной ориентацией. В свою очередь произвольная ориентация подразделяется на плоско-произвольную, объ- емно-произвольную и стесненно-произвольную. В случае дисперсного армирования при произвольном ориентировании применяются ко- роткие волокна или рулонные материалы с хаотичным переплетением нитей. Дисперсное армирование листовых и плитных тонкостенных изделий малой толщины и большой длины осуществляется посредством плоско-произвольного ориентирования с хао- тичным и свободным распределением волокна в двумерном пространстве. Свободное и хаотичное распределение коротких армирующих волокон в трехмерном пространстве по всему объему бетона с углом наклона волокна по отношению к поверхности изделий в пределах от 0 до 90° носит название объемно-произвольной ориентации. При этом во всех направлениях размеры изделия значительно превосходят длину волокна. При дисперсном армировании таких конструкций, как балки, ребра плит и перемычек, имеющих ограниченную высоту и ширину, наблюдается стесненно-произвольная ориента- ция, при которой расположение волокна имеет ограниченную свободу в объеме бетона. С уменьшением размеров поперечного сечения изделий вероятность свободной ориента- ции армирующих волокон снижается, особенно в тех случаях, когда размеры изделия пре- вышают длину волокна не более чем в 5 раз. И, наоборот, с увеличением размеров попереч- ного сечения ориентация волокна в бетоне становится приближена к плоско- или объемно- произвольному расположению с сокращением эффекта стеснения. В случае дисперсного армирования бетонов возможно применение не только фибр одно- го вида, но и смеси разных видов, составов и длин. Применение армирующих волокон в цементных бетонах способствует повышению проч- ностных показателей цементного камня при растяжении и изгибе в 1,5–3,5 раза. |