Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
БЕЛЕНЦОВ Юрий Алексеевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ
05.23.05 - Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Белгород - 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Научный консультант - доктор технических наук, профессор, академик РААСН Комохов Павел Григорьевич Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор, академик РААСН Соколова Юлия Андреевна - доктор технических наук, профессор, чл.-корр. РААСН Ерофеев Владимир Трофимович - доктор технических наук, профессор Латыпов Валерий Марказович Ведущая организация - Самарский государственный архитектурно-строительный университет (г. Самара).
Защита состоится л23 декабря 2010г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу:
308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, ауд.
242 ГК.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Белгородский государственный технологический университет им.
В.Г. Шухова.
Автореферат разослан л22 ноября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Г.А. Смоляго
Актуальность. Современный этап развития строительной индустрии связан с совершенствованием композиционных материалов, повышением их эффективности, увеличением объемов производства и сроков службы. В то же 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. Нерациональное использование сырьевых компонентов и структурных элементов в композиционном материале формирует дефектную структуру с низким качеством, что приводит к перерасходу сырьевых, энергетических и трудовых ресурсов, ухудшает экологическую обстановку.
Решение указанных проблем возможно путем направленного формирования структуры на всех иерархических уровнях в сложноструктурированных системах для получения композиционных материалов с заданной степенью анизотропии с учетом условий эксплуатации.
Работа выполнялась в рамках гранта РААСН Кирпичная кладка как альтернатива долговечному бетону; по заданию Федерального агентства по образованию на проведение по заданию Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований по тематическому плану г/б НИР № 1.1.07; МД-2906.2007.8 Методологические принципы проектирования композиционных вяжущих при использовании нанодисперсных модификаторов с учетом типоморфизма сырья; МК-3123.2008.8 Разработка теоретических принципов повышения эффективности мелкозернистого бетона с использованием техногенных песков для жилищного строительства; г/б НИР № 10-Б-(01201053997) Разработка теоретических основ получения высокопрочных бетонов нового поколения с учетом генетических особенностей нанодисперсных компонентов.
Цель работы. Повышение эффективности производства композиционных анизотропных строительных материалов за счет управления структурообразованием с учетом условий эксплуатации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Ц разработка классификации иерархических уровней и создание многоуровневой модели композиционных анизотропных материалов (КАМ);
Ц определение номенклатуры методов управления структурообразованием композитов с учетом заданных свойств КАМ при различных условиях эксплуатации;
- разработка принципов проектирования КАМ с учетом взаимодействия между структурными элементами различных иерархических уровней, морфологии и состава исходных компонентов;
Ц разработка методов прогнозирования эксплуатационных свойств композиционных материалов в различных условиях на всем жизненном цикле с учетом степени анизотропии;
Ц подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований и внедрение результатов исследований.
Научная новизна. Разработаны теоретические принципы повышения эффективности производства композиционных анизотропных материалов с учетом состава, морфологии и дефектов структурных элементов, заключающиеся в анализе и моделировании структурообразования и дефектности структуры; в направленном формировании структуры на всех иерархических уровнях; оптимизации баланса внешних и внутренних сил; прогнозировании трещиностойкости, надежности и долговечности композитов; в разработке и применении новых способов армирования на различных уровнях структуры; подборе оптимальных составов сырьевых компонентов, что позволяет создавать рациональную структуру КАМ с заданными свойствами.
Разработана многоуровневая модель структурообразования и взаимодействия структурных элементов композиционных материалов в иерархической соподчиненности всех уровней структуры от наиболее крупных к более мелким, которая учитывает многофакторные межфазные и межчастичные взаимодействия и позволяет установить причинно-следственные связи структуры и свойств КАМ на всем жизненном цикле. Создание структуры материала с учетом выявленных закономерностей позволяет добиться снижения дефектности структуры композиционных анизотропных материалов; повысить эффективность использования сырьевых компонентов на всех уровнях структуры; прогнозировать долговечность, трещиностойкость, надежность материалов с высокой степенью достоверности; расширить рациональные области применения композиционных материалов в строительной индустрии.
Предложены методы проектирования составов и управления структурообразованием, заключающиеся в регулировании баланса внутренних сил и оптимизации упаковки структурных элементов, позволяющие снижать дефектность структуры на различных иерархических уровнях композита на раннем этапе структурообразования. Предложены способы регулирования физико-химических и механических и технологических условий синтеза композиционных анизотропных материалов с различными коэффициентами анизотропии.
Предложены методы прогнозирования параметров деформирования и разрушения структуры на каждом иерархическом уровне, в том числе в суровых условиях эксплуатации, с учетом многообразия размера, состава, морфологии структурных элементов. Установлен характер механизма разрушения при различных условиях эксплуатации, заключающийся в совместной работе структурных элементов при воздействии различных внешних факторов. Предложенный численный показатель удельной работы разрушения позволяет прогнозировать долговечность, надежность материалов и момент разрушения.
Выявлены закономерности характера деформирования крупного заполнителя и стеновых камней, как макроэлементов композиционного материала, позволяющие управлять разрушением структуры и прогнозировать риск нарушения целостности композита. Определены причины, снижающие эффективность работы по сравнению с единичным образцом вне структуры КАМ за счет действия поперечных растягивающих, срезающих и изгибающих усилий. Предложен способ снижения влияния данного эффекта, заключающийся в изменении схемы перераспределения внутренних усилий введением дополнительных элементов структуры (армирования, демпфирования, армодемпфирования), позволяющий увеличить механические характеристики до 2,5 раз.
Установлен характер зависимости прочности при срезе контактной зоны между крупным заполнителем, стеновыми камнями и растворной составляющей от внешних условий, заключающийся в увеличении прочности при увеличении разницы коэффициентов поперечных деформаций взаимодействующих материалов. Увеличение степени адгезии вяжущего с поверхностью некондиционного заполнителя или стенового камня возможно за счет использования двухслойных Al-Siфиллосиликатов или технологических способов формирования контактной зоны.
Выявлена зависимость коэффициента раздвижки (Кр) зерен мелкого заполнителя от вида разрушения композита. Осуществлено ранжирование зон разрушения растворной составляющей и предложен обоснованный выбор коэффициента раздвижки зерен и фракционирования заполнителя. При использовании заполнителя (Rз), превышающего по прочности матрицу и контактный слой (Rз>Rм, Rк.с), целесообразна схема полифракционного заполнителя с Кр1; при сопоставимой прочности структурных элементов (RзRмRк.с) - монофракционная схема с коэффициентом раздвижки Кр1. При заполнителе менее прочном, чем зона контакта и матрица (Rз
Предложен способ интенсификации структурообразования в системе цементный клинкерЦцементное тестоЦцементный камень, заключающийся в изменении начального этапа гидратации минералов цементного клинкера введением мелкодисперсных элементов и использовании химического армирования цементного камня. Метод направленного формирования структуры цементного камня путем увеличения плотности сращивания новообразований, формирующихся в результате гидратации минералов клинкера, позволяет повысить прочность и снизить влияние сульфатной коррозии за счет формирования первичного эттрингита.
Практическое значение. Предложен метод сбалансированного управления формированием структуры КАМ на всех иерархических уровнях в совокупности, заключающийся в использовании дающих синергетический эффект конструктивных и технологических мероприятий и позволяющий снизить дефектность структуры каждого уровня. Эффективность использования метода доказана на примере кирпичной кладки, где достигнута прочность композита, сопоставимая с прочностью исходных материалов.
Разработана конструкция армодемпфирующих элементов, состав и технология их изготовления и применения, позволяющая увеличить прочность композиционных материалов до 50% по сравнению с неармированными. За счет механизма демпфирования трещин корректируется трещинообразование композита, за счет армирования повышается прочность. Это позволяет использовать предложенные решения для создания КАМ, эксплуатируемых в экстремальных условиях сейсмических, динамических воздействий (получен патент РФ). Установлено принципиальное отличие работы анизотропных материалов при действии экстремальных поперечных нагрузок за счет увеличения энергоемкости разрушения, заключающееся в увеличении энергии деформирования, по сравнению с изотропными, за счет бльших деформаций при изгибе при сопоставимых деформативных параметрах растяженияЦсжатия.
На основании результатов теоретических исследований и внедрения в опытное производство разработан метод подбора состава композиционных анизотропных материалов в зависимости от вида крупного заполнителя либо кладочных изделий. Для тяжелого бетона получен материал прочностью 60Ц65% прочности исходного заполнителя, для кирпичной кладки - 85% прочности кладочного материала.
Предложен метод оптимального фракционирования состава и расчет коэффициента раздвижки (Кр) зерен мелкого заполнителя в зави симости от характера разрушения КАМ, позволяющий снизить пустотность и проницаемость в 2Ц3 раза, повысить плотность и прочность.
Предложены составы растворов для производства анизотропных композиций самоуплотняющихся и самовыравнивающихся с повышенной адгезией к заполнителю и стеновым камням, с использованием 2-слойных Al-Si-филлосиликатов для кладочных и монтажных растворов; прочность сцепления с кирпичом на 25Ц40% превышает традиционные растворы сопоставимого состава. Разработаны составы теплоизоляционных растворов для предотвращения мостиков холода в ограждающих конструкциях с плотностью и теплопроводностью близкими к эффективному бетону. При этом плотность в 1,5Ц2 раза ниже по сравнению с традиционными составами сопоставимой прочности.
Предложен метод направленного формирования структуры в системе цементный клинкерЦцементное тестоЦцементный камень, ускоряющий гидратацию, повышающий прочность при сжатии цементного камня на 50% в возрасте 28 сут; после 1 года хранения в условиях сульфатной коррозии - на 15Ц25% при изгибе и 10Ц15% при сжатии.
Внедрение результатов исследований. Результаты проведенных исследований позволили внедрить в опытное производство методы и технологии армодемпфирующих конструктивных элементов и добавок; композиций с улучшенными параметрами трещинообразования и повышенной прочности для несущих конструкций и изделий; композиционных материалов, позволяющих повысить трещиностойкость, надежность и долговечность.
Для применения в производстве строительных материалов и строительстве разработаны следующие нормативные документы:
ЦТехнические условия на Сухие смеси штукатурные ТУ-5745001-96753069-2008;
Ц Технические условия на Смеси сухие шпаклевочные и декоративные ТУ-5745-002-96753069-2008;
Ц стандарт организации СТО 02066339Ц003Ц2010 Изготовление и применение армодемпфирующих конструктивных элементов для кирпичной кладки, работающей в суровых условиях;
Ц стандарт организации СТО 02066339Ц003Ц2009 Фракционирование заполнителя для растворов и бетонов с ограниченным расходом цемента;
Ц стандарт организации СТО 02066339Ц003Ц2009 Восстановление несущей способности кирпичной кладки инъектированием раствора;
Ц стандарт организации СТО 02066339Ц003Ц2010 Кладочные растворы с повышенными теплофизическими свойствами.
Апробация полученных результатов осуществлена на следующих предприятиях: ООО Ажио-проект, ООО Стройхим, ООО Гардарика (Петербург и Ленинградской обл.), предприятиях Белгородской области и Удмуртии. Результаты работы использованы при обследовании, ремонте и реконструкции Государственного академического Мариинского театра, Государственного Эрмитажа, восстановлении Староладожского Свято-Успенского монастыря в д. Ст. Ладога, Никольского собора в с. Строжно Ленинградской обл.
Теоретические положения, результаты экспериментальных лабораторных исследований и практического внедрения реализованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности Строительство железных дорог, Мосты и тоннели, Стандартизация и сертификация; нашли отражение в справочнике Бетоноведение (2009 г. изд-во Профессионал) и 3-х монографиях.
Апробация работы. Результаты работы апробированы и получили положительную оценку на Научной конференции по вопросам строительства (Пенза, 1999 г.); III Международной научно-практической конференции Бетон и железобетон в третьем тысячелетии (Ростовна-Дону, 2004 г.); семинарах секции Транспортные сооружения Дома Ученых РАН (СПб, 2004, 2005 гг.); 54, 55, 56, 57, 58 Международных научно-технических конференциях молодых ученых Актуальные проблемы современного строительства (СПб, 2000, 2001, 2003, 2004, 2005 гг.); 57, 58, 61, 62, 64 Научной конференции преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета (СПб, СПбГАСУ, 2000, 2004, 2005, 2006, 2007 гг.); Научно-практической конференции Новые технологии в строительстве доступного жилья (СПб, 2005 г.); Международной научно-практической конференции Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии (Белгород, 2005 г.), Форуме стройиндустрии республики Башкортостан (Уфа, 2007 г.), Международной научнопрактической конференции Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии (Белгород, 2007, 2008, 2009,2010 гг.), VI Международная научно-практическая конференция Развитие керамической промышленности России Керамтэкс-2008.
На защиту выносятся.
- Принципы повышения эффективности композиционных анизотропных материалов за счет направленного формирования структуры на всех иерархических уровнях.
- Модель взаимодействия структурных элементов композиционных анизотропных материалов в иерархической соподчиненности.
- Методы проектирования составов и управления процессами структурообразования композиционных анизотропных материалов.
- Методы прогнозирования параметров деформирования и разрушения структуры на каждом иерархическом уровне, в том числе при работе в суровых условиях эксплуатации. Характер механизма разрушения при различных условиях эксплуатации.
- Закономерности деформирования крупного заполнителя и стеновых камней, как элементов композиционного материала.
- Зависимость прочности при срезе контактной зоны крупного заполнителя, стеновых камней и раствора от внешних условий.
- Закономерность изменения коэффициента раздвижки зерен мелкого заполнителя от вида разрушения композита.
- Способы интенсификации структурообразования в системе цементный клинкерЦцементное тестоЦцементный камень.
- Расчетный метод сбалансированного управления формированием структуры анизотропного композиционного материала на всех иерархических уровнях в совокупности.
- Конструкция армодемпфирующего элемента, составы армодемпфирующих добавок и технология их изготовления и применения.
- Методы подбора состава композиционных анизотропных материалов в зависимости от вида крупного заполнителя либо кладочных изделий и оптимального фракционирования мелкого заполнителя.
- Составы самоуплотняющихся, самовыравнивающихся и теплоизоляционных растворов для производства анизотропных композиций.
- Результаты производственных испытаний и внедрения.
Публикации. Результаты опубликованы в 63 статьях, в том числе в 17 статьях в научных журналах по списку ВАК РФ, 3 монографиях, патентах РФ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, восьми глав, общих выводов и приложений. Диссертация содержит 441 страниц основного текста, 51 таблицы, 168 рисунков и 16 страниц приложений, 507 наименований библиографического списка.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Разработка эффективных конструкций для строительства зданий и сооружений, в том числе для эксплуатации в экстремальных условиях, тормозится сложностью проектирования новых композиционных материалов с заданными эксплуатационными характеристиками, сопоставимыми с характеристиками исходных материалов. При этом большая часть материалов либо обладает анизотропией, которая используется в конструкциях, либо приближается по свойствам к анизотропным материалам благодаря проектируемым формам или армированию.
Причиной широкого использования композиционных анизотропных материалов (КАМ) является более эффективное использование свойств сырья.
Принципиально существует два основных направления получения композиционных анизотропных материалов: технологический - использованием анизотропного сырья или элементов структуры, например дисперсного армирования или крупного анизотропного заполнителя; конструктивный - использованием структурных элементов (армирование, демпфирование, армодемпфирование) целенаправленно вводимых в структуру определенным образом для улучшения свойств в заданном направлении.
Дальнейшее развитие направленного формирование структуры КАМ должно опираться на использование совместной работы структурных элементов и синтез структуры композиции с минимальным количеством дефектов каждого уровня, что позволит получить материалы с заданными свойствами. В качестве критерия оптимизации структуры примем эффективность использования сырья (вяжущего, заполнителей, добавок, наполнителей, кладочных материалов и т. д.), в частности доля используемой в КАМ прочности сырьевых материалов.
Проблемы направленного структурообразования композиционных материалов, оценки их свойств, развития дефектов и трещин различных уровней неоднократно рассматривались в строительном материаловедении. Однако к настоящему времени не в полной мере решена проблема направленного формирования структуры композиционных анизотропных материалов с целью снижения ее дефектности. Мало изучено взаимодействие структурных элементов различных геометрических форм, морфологии, размеров и уровня значимости; недостаточно полно используются свойства исходных материалов, что отражается на прочностных и деформативных свойствах композитов.
Для совершенствования структуры КАМ, были осуществлены:
Ц анализ работы отдельных структурных элементов, их взаимодействия;
Ц моделирование для получения синергетического эффекта при взаимодействии всех структурных элементов в композите.
Это позволило обоснованно выбрать мероприятия воздействия на структурообразование в материале и методы практической реализации для получения КАМ с заданным набором свойств.
Для реализации поставленной цели предложена концепция направленного формирования структуры композиционных анизотропных материалов на шести основных уровнях структуры (рис. 1). Многоуровневая система организации КАМ дает полное представление о структуре и физико-механических свойствах композиции, которые существенно зависят от времени и скорости структурообразования.
Анализ многообразия видов КАМ позволил разработать их классификацию по структуре (рис. 2) и принцип формирования многоуровневой структуры материалов с оптимальными свойствами (рис. 1).
Мегауровень - определяет работу КАМ в целом, ее взаимодействие с другими конструкциями или элементами здания Макроуровень - уровень взаимодействия основных элементов структуры КАМ (горизонтальных и вертикальных растворных швов с анизотропным заполнителем либо ламелями с характерными дефектами структуры Анизотропный заполнитель, ламель Горизонтальные и вертикальные растворные швы Мезоуровень - отвечает за формирование зоны контакта анизотропного заполнителя с вяжущим либо раствора со швом кладки Анизотропный заполнитель Зона контакта Раствор швов Микроуровень - уровень внутреннего строения анизотропного заполнителя и вяжущего (раствора).
Непосредственно в композите формируется только растворная составляющая, поэтому данный структурный элемент будет определяющим. Раствор включает структурное взаимодействие цементного камня и мелкого заполнителя, а также анизотропного заполнителя Анизотропный заполнитель Раствор Минералы, слагающие Технологические Цементный анизотропный Заполнитель Контактная зона и естественные камень заполнитель и пустоты морфология его поверхности Субмикроуровень - представлен сложным фазовым и минеральным составом цементного камня и входящего в его структуру цементного геля, аморфизированного и кристаллического сростка, системы пор и пустот, включая поры геля. Определяющей будет составляющая лцементный камень, поскольку его структура формируется непосредственно в композите. Этот уровень определяется также структурой и минеральным составом анизотропного заполнителя Минералы Раствор анизотропного заполнителя и зоны Заполнитель Цементный камень контакта Система Система Твердая Твердая Система пор Цементный Кристаллический пор и пор и фаза фаза и пустот гель сросток пустот пустот Наноуровень - представлен мелкоразмерными (<10-6 м) структурными элементами, формирующими структуру цементного камня и зоны контакта В данной работе формирование структуры наноуровня рассматривается только теоретически Рис. 1. Схема взаимного влияния структурных элементов КАМ на различных иерархических уровнях КАМ являются многофазной и гетерогенной системой, формирующейся в сложных условиях внутреннего энергетического взаимодействия структурных элементов друг с другом и с внешней средой.
Структурные элементы обладают развитой удельной поверхностью и большим количеством внутренних дефектов. К КАМ относятся: бетоны с демпфирующими и армодемпфирующими элементами, бетоны на анизотропном заполнителе, кирпичная кладка, асбестоцементные материалы и т.д.
Композиционные анизотропные материалы Технологическое Конструктивное формирование формирование структуры структуры Многослойные, в которых компоДисперсно-упрочненные, на анизозит слагается ламелями различных тропном заполнителе (бетоны с аниматериалов (бетоны, растворы с зотропным заполнителем, кладка послойным формированием струккирпичная и каменная) туры из слоев различной жесткости) Дисперсно-упрочненные с технолоКомплексные сечения (комбинагической анизотропией (бетоны и ции кладка и бетоны в одном сечерастворы послойным уплотнением) нии) С анизотропными конструктивными элементами (бетоны, растворы, Волокнистые, в которых матрица упрочняется волокнами, составляю- кладки армированные, демпфированные, армодемпфированные) щими основной объем композита (армоцемент, асбестоцемент) Дисперсно-армированные (бетоны и растворы с фиброарматурой) Рис. 2. Классификация КАМ по структуре Подбор оптимального состава исходных материалов, технология и выбор конструктивных приемов позволяют формировать структуру композитов с заданными свойствами и допустимым количеством дефектов на любом этапе жизненного цикла.
При определении прочности, трещиностойкости, морозостойкости, стойкости в агрессивной среде КАМ в конструкции оценим характер перераспределения и диссипации энергии между структурными элементами различных иерархических уровней. Для решения данной задачи необходимо учесть регулярность структуры КАМ каждого уровня и всей структуры в целом (будь то бетон, кладка и т. д.).
На любом временном интервале следует рассматривать фактическую структуру как результат двух протекающих параллельно взаимно противоположных процессов: формирования и разрушения структуры.
Рассмотрим взаимное влияние структурных элементов на различных иерархических уровнях на примере характерных представителей КАМ - тяжелого бетона и кирпичной кладки (мегауровень структуры), в которых основным по объему элементом является крупный заполнитель и кирпич соответственно (элемент макроуровня).
Поскольку расход щебня и кирпича составляет соответственно 60Ц 70% и 80Ц85% общего объема КАМ, следовательно, идеальным будет материал близкий или более прочный, чем щебень или кирпич (при условии использования высококачественного сырья). Основой формирования структуры рассматриваемых материалов с заданными свойствами является снижение влияния дефектности на каждом уровне многоуровневой модели структуры.
Ранжировать структурные уровни материала по значимости не представляется возможным, поэтому предлагается проводить оценку структуры начиная с наиболее крупноразмерного, т.е. с мегауровня.
Важно учесть взаимодействие структурных элементов данного уровня и их влияние на механические свойства, надежность и долговечность КАМ.
При механической нагрузке необходима адекватная оценка деформативности КАМ. Недоучет характера деформирования материалов приводит к нерациональному использованию материала или риску его разрушения.
Материалы, проявляющие пластические и вязкие деформации, более полно вовлекаются в работу, в них развиваются сдвиговые и другие деформации структурных элементов, микротрещины, изменяющие объем и форму образца. При одинаковой прочности хрупкие материалы потенциально воспринимают меньше энергии внешних сил. Вязкопластическая составляющая деформации позволяет существенно увеличить потенциал энергоемкости материала, но при этом ограничить возможность его применения из-за снижения расчетного модуля деформации, т. е. повышения деформативности сооружения.
Композиционно анизотропные материалы за счет высокой энергоемкости могут эффективно использоваться в суровых условиях. Передача усилий между структурными элементами различных деформативности и размера, приводит к эффективному гашению и перераспределению внешних динамических и сейсмических воздействий по сравнению с изотропными материалами. Результаты сравнения показыва ют, что балки из анизотропных материалов имеют большие прогибы без разрушения, следовательно, обладают большей энергоемкостью.
Для подтверждения проведено компьютерное моделирование деформации консольного анизотропного и изотропного сжато-изогнутых элементов с одинаковым средним модулем деформации, высотой 1 м, сечением 4040 см (рис. 3).
0 0,15 2,42 4,98 7,48 9,97 12,5 15,0 0.099 1.65 3.31 4.96 6.61 8.27 9.Загружение Загружение анизотропного изотропного материала.
материала.
Мозаика Мозаика перемещения по перемещения по оси Х, мм оси Х, мм Рис. 3. Деформации образцов при вертикальной нагрузке 10 МПа и сопоставимой горизонтальной нагрузке:
а) изотропного бетона Е=27,5103 МПа; б) КАМ из 2 типов слоев:
I слой Е=10103 МПа; II слой Е=450103 МПа Поперечные деформации КАМ при сопоставимых нагрузках и одинаковых вертикальных выше в 1,5 раза, чем у изотропного материала. Это приводит к развороту на 1,5Ц2о элементов, подвергающихся наибольшему воздействию поперечных сил. Нагрузка, ранее действовавшая по наиболее невыгодному направлению и сдвигавшая элементы КАМ относительно друг друга, становится менее значимой из-за наклона плоскости стыкования элементов (в пределах 3,5%). При использовании КАМ снижаются собственные частоты колебания конструкции по сравнению с изотропным материалом с 3,9 до 2,9 Гц. Более жесткие элементы с меньшим коэффициентом поперечных деформаций выполняют функцию обжимающего, или армирующего для более деформативных элементов. При достижении предельного значения сдвиговых усилий формируется элемент сухого трения после образования трещины на участке сцепления соседних элементов композиционного материала. Чтобы избежать этого эффекта, необходимо обеспечить формирование монолитной структуры КАМ с высокой адгезией отдельных слоев.
Для моделирования свойств КАМ в соответствии с классификацией деформаций предлагается реологическая модель с несколькими основными элементами, комбинация которых позволяет описать свойст ва КАМ (рис. 4). Деформирование анизотропных материалов включает упругие, вязкие или пластические деформации. Предлагается ввести характеристику деформации КАМ - коэффициент сохранения объема КV, отражающий изменение объема при деформировании материала.
Если КV значительно отклоняется от 1, то деформации являются пластическими; при КV близком к 1 деформации - вязкие. Материал может проявлять упруго-пластичные, вязко-пластичные, упруго-вязкие и др. свойства.
При сопоставимой деформативности КАМ позволяет создавать конструкции с большим потенциалом восРастворный шов - приятия внешней энергии.
упругая и вязкая Разрушение КАМ происходит составляющая вследствие внешних воздействий, свяЗаполнитель - уп- занных с подводом избытка энергии:
ругая и пластичная механической нагрузки, циклического составляющие замораживанияЦоттаивания, протекания химических реакций и т. п. Для коСдвиг, трение и постепенное разруше- личественной оценки разрушения опние элементов ределим величину энергии, которую Рис. 4. Реологическая модель объем материала способен запасать и кирпичной кладки при сжатии расходовать на разрушение структуры.
После приложения критического количества энергии происходит разрушение внутренних связей структурных элементов материала. Чем меньше время воздействия, тем большую прочность и меньшую деформативность проявляет материал.
Полную энергию деформирования можно определить из графика напряжениеЦдеформация (Ц) по отклонению от упругой линии деформирования. При отсутствии развития трещин и внутреннего трения материал деформируется упруго до момента разрушения. Энергия, затрачиваемая на развитие трещин, вязких и пластичных деформаций, обусловливает отклонение графика - от прямой линии (рис. 5):
Wдеф =Wпласт+Wвязк +Wупр +Wполз, (1) где Wдеф - энергия деформирования; Wпласт, Wвязк, Wупр, Wполз - энергия, соответствующая пластической, вязкой, упругой деформации и деформации ползучести.
Удельную работу разрушения можно определить из известной величины удельной работы деформирования в единицу времени:
t разр ; Щ = t)dt, a = d (2) разр a(ф, 0 здесь a - удельная работа деформирования; , - напряжения и деформации в материале; , t - возраст материала и время воздействия на него; разр - удельная работа разрушения единицы объема материала, учитывающая время воздействия.
С учетом возраста композиционного материала на основе цемента используем упрощенную формулу для оценки удельной энергии разрушения:
ф lg t lg t разр = (3) е(у)dу lg ф= a lg ф.
t Начальные дефекты и трещины формируются в КАМ из-за несовершенства структуры, неоднородности полей напряжений и деформаций элементов. При внешних воздействиях в материале развиваются внутренние дефекты и трещины, независимо от возможности их обнаружения. Их развитие приводит к образованию магистральных трещин, место развития которых предсказать сложно в связи с протяженностью опасных зон. Величина продвижения трещины зависит от уровня действующих напряжений и характеристик материала, а также от скорости приложения нагрузки. В хрупких материалах трещина продвигается скачкообразно при достижении критического уровня действующих напряжений и деформаций.
Энергия упругой деформаци материала без нарушений сплошности материала Энергия диссипации по Райсу ЕРазр разрушение материала разр упр ЕФакт Упругая энергия ЕС Еупр пред Рис. 5. Диаграмма деформирования материала, поясняющая запасание, потерю или рассеивание энергии при деформировании материала за счет взаимодействия структурных элементов Принципиально знать, будет трещина развиваться или затухать.
Критическая величина трещины, допустимая для материала при дан ном уровне нагрузки, определяется одним из условий:
Uполн = А -Wтр - трещина развилась до критической длины;
Uполн < А -Wтр - трещина затухает;
Uполн > А -Wтр - трещина развивается, здесь А - работа, совершенная над материалом, или приложенная энергия; Uполн - полная энергия деформирования материала; Wтр - энергия, затраченная на продвижение и рост трещин.
P Направление развития характерных трещин в КАМ определяется действием растягивающих напряжений. При сжаLТ тии материала определяющее L 2a влияние поперечных растягивающих напряжений. Внутреннее трение структурных элеменh тов заставляет трещину продвиP гаться, отклоняясь от наиболее Сечение без трещины вероятной линии ее развития.
Предложена модель, учитыСечение с трещиной длиной 2а Т вающая развитие трещины в материале через равномерное увеРис. 6. Расчетная модель для оценки личение напряжений на оставтрещиностойкости шуюся часть сечения (рис. 6).
При развитии трещины длиной 2 модуль деформации снизится и:
I E l 4 ;, = (1- )h = (4) h (1+ ) E E - 2 h - 2 где , - длина и ширина раскрытия трещины соответственно.
Модель позволяет увязать параметры допустимой длины трещины и ширины ее раскрытия. При различных комбинациях напряженных состояний можно оценить величину развивающейся трещины как суммарную длину трещин в опасном сечении:
2=2(раст+ сдвиг+ круч). (5) Для подтверждения высказанной теории была проведена экспериментальная проверка трещинообразования КАМ на примере кирпичной кладки при механическом нагружении (рис. 7). Образцы изготавливали из силикатного кирпича и цементно-песчаного раствора марки 150 (состав раствора Ц:П = 1:3, В/Ц = 0,7). Отклонение расчетной длины трещины в кладке составило 17%, что можно объяснить неточностью измерения деформаций; отклонение расчетной ширины раскрытия трещины - 24%.
На основании предложенного упрощенного метода оценки трещинообразования КАМ при различных видах воздействия прогнозируется момент образования магистральных трещин и наступления разрушения структуры. В основу положена интегральная оценка изменения модуля деформаций, как процесса накопления внутренних дефектов и микротрещин в структуре КАМ. Показатель ширины раскрытия трещин позволяет оценить надежность конструкций и материалов с учетом внутренних дефектов и трещин структуры.
Повышение надежности конструкций достижимо двумя путями: первый - изучение структуры и свойств материалов для повышения стабильности свойств с испольфакт зованием вероятностных методов и применение их в про ектных работах; второй - по факт вышение качества системы осмотров и ремонтов, на осРис. 7. Схема развития трещин новании характера развития и разрушения КАМ на примере трещин в конкретном матекирпичной кладки риале при фактическом уровне нагрузки.
Использование метода определения прочности при испытании стандартных образцов позволяет добиться повышения эффективности и надежности КАМ в конструкциях. Коэффициент надежности конструкции по материалу (Кнадежн) при испытании зависит от требуемых параметров надежности КАМ и допустимой вероятности отказа конструкции. Для кирпичной кладки, прочность которой определяется эмпирической формулой при испытании стандартных образцов, расчеты показывают Кнадежн = 1,698 в зависимости от технологии кладки и исходных материалов при допустимой вероятности отказа 10Ц4 (коэффциент вариации экспериментальной прочности материала =0,5):
R Rрасч =, (6) Кнедежн R где Rрасч - расчетный предел прочности КАМ; - среднее временное сопротивление по результатам испытания серии образцов.
Второе направление повышения надежности КАМ связано с повышением качества системы осмотров, позволяющих выявить опасные трещины и дефекты на начальном этапе их образования. Величина критической длины и скорости продвижения трещины определяет срок между осмотрами и ремонтами. Важным является величина трещины, которая позволяет обнаружить ее при визуальном или инструментальном осмотре КАМ: ширина раскрытия = 0,2 мм и соответствующая расчетная длина min = 2,2 см. При сжатии относительная величина допустимой трещины составит = 0,54Ц0,67h в зависимости от вида анизотропного заполнителя. Подобный метод позволяет сократить затраты на эксплуатацию с учетом обеспечения требуемой надежности.
Принципиально формирование структуры на макроуровне, определяющем прочностные свойства, обусловленные взаимодействием структурных элементов: анизотропного заполнителя, раствора швов заполняющего межзерновые пустоты анизотропного заполнителя.
Следует учитывать кратковременные и длительные деформации, что вызывает ухудшение условий работы для одних структурных элементов и улучшение для других. Например, неполное заполнение горизонтальных швов приводит к сложному напряженно-деформированному состоянию анизотропного заполнителя и раствора, подвергающихся сжатию, изгибу, растяжению и срезу. Для упрощения анизотропный заполнитель моделируем объектом прямоугольной формы.
Влияние анизотропного заполнителя в КАМ определяется его прочностью при сжатии и изгибе, а также при растяжении в поперечном направлении:
усж = ;, (7) RКАМ раст уан.запI = мусж = 0,05 - 0,1R ан.запII ан.запII КАМ где - прочность КАМ при сжатии вдоль основного направления RКАМ анизотропии; усж - напряжения в анизотропном заполнителе ан.запII раст вдоль линии приложения нагрузки; - растягивающие напряжеу ан.зап I ния в анизотропном заполнителе перпендикулярно линии приложения нагрузки; - коэффициент поперечных деформаций анизотропного заполнителя. Вклад растягивающих поперечных напряжений в главные напряжения в анизотропном заполнителе составляет 1Ц2%.
Неполное заполнение швов предполагает несколько основных схем работы анизотропного заполнителя на изгиб: балочную и консольно-балочную с пролетом в половину и в максимальный размер заполнителя. Наиболее вероятной представляется балочная схема. При этом напряжения в анизотропном заполнителе:
4RКАМh3RКАМl ан.зап ;, (8) уизг = фан.зап = ан.зап 3l2 4hан.зап где - касательные напряжения на границе анизотропном заполфан.зап нителе; lан.зап, hан.зап - длина и высота анизотропного заполнителя соответственно.
Из анализа наиболее вероятной схемы работы анизотропного заполнителя на изгиб можно определить допустимую длину незаполненной части горизонтального растворного шва:
4RКАМhан.зап (9) lан.зап =.
3уизг ан.зап Расчетная прочность КАМ при сжатии составляет 20Ц30% прочности анизотропного заполнителя. Увеличение прочности анизотропного заполнителя снижает эффективность его использования в КАМ. Поэтому путь повышения прочности КАМ за счет простого повышения прочности структурных элементов не приведет к повышению эффективности композиции.
Прочность и деформативные свойства растворной составляющей в горизонтальных растворных швах существенно влияют на качество КАМ. Это влияние учитывают приведенными ниже зависимостями:
ураст = мусж (10) усж RКАМ ;
= раств.горII раств.гор I раств.горII сж где у, - напряжения сжатия и поперечные растягиураст раств.горI I раств.горI вающие напряжения в горизонтальных растворных швах Вклад поперечных растягивающих напряжений в главные напряжения в горизонтальных растворных швах составляет ~6%.
Различие поперечных деформаций анизотропного заполнителя и раствора 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 9Ц10%.
Необходимо учитывать влияние вертикальных растворных швов и их неполное заполнение раствором. Особое внимание следует обратить на зону контакта вертикального шва на основном участке и в углах анизотропного заполнителя, где картина деформирования кардинально меняется. При полном заполнении вертикальных растворных швов уменьшаются действующие сжимающие напряжения в анизотропном заполнителе в прилегающей к вертикальному шву зоне. В основной зоне вертикального растворного шва на анизотропный заполнитель действуют растягивающие усилия вдоль линии приложения нагрузки, равные 0,5RКАМ; в зоне угла анизотропного заполнителя дейст вуют пониженные напряжения, равные 0,78RКАМ. При неполном заполнении вертикальных растворных швов эффект действия снижающих напряжений в анизотропном заполнителе исчезает, соответственно снижается прочность КАМ на 22 %, что подтверждено экспериментально.
Динамика развития деформаций структурных элементов КАМ экспериментально оценивали на образцах кирпичной кладки из силикатного и керамического кирпича и цементно-песчаного раствора М150 (рис. 8).
64Сжатие Разрушение 2Деформации анизотропного заполнителя вдоль линии приложения нагрузки, % 0 Деформации анизотропного заполнителя поперек линии приложения нагрузки, % -2Деформ. горизонт. швов вдоль линии приложения нагрузки, 0 16,5 33 49,5 66 1Деформ. горизонт. швов поперек -4линии приложения нагрузки, % Растяжение Деформ. верт. швов поперек линии приложения нагрузки, % -6Шаг нагружения в % от разрушающих напряжений Рис. 8. Схема деформаций структурных элементов КАМ по отношению к соответствующим деформациям композита вдоль линии приложения нагрузки (для кирпичной кладки) Продольные деформации анизотропного заполнителя в 5Ц10 раз выше деформаций единичного образца при равных напряжениях. Относительные деформации горизонтальных растворных швов в 7Ц10 раз превышают деформации раствора в стандартных образцах, что подтверждает влияние зоны контакта анизотропного заполнителя и раствора. Коэффициент поперечных деформаций КАМ с учетом определенных деформаций анизотропного заполнителя и раствора вдоль и перпендикулярно линии приложения нагрузки при расчетных напряжениях составит величину =0,2Ц0,3. В момент, предшествующий разрушению, =0,4Ц0,5, что подтверждает наличие дилатометрического эффекта.
Влияние вертикальных швов проявляется в начальный момент нагружения. В них возникают существенные растягивающие напряжения в поперечном направлении, превышающие в 3Ц7 раз деформации осдеформациям кладки, % Деформации по отношению к соотвествующим тальных элементов, что приводит к выходу шва из работы. Качественное и полное заполнение вертикальных швов увеличивает на 8Ц15% прочность композита за счет обжатия анизотропного заполнителя и раствора швов.
Изучение структуры КАМ на данном уровне позволили предложить новые виды армирования для снижения влияния выявленных факторов, приводящих к разрушению. Один из способов решения - использование дисперсной арматуры (фибры), вводимой в растворную смесь, которая после набора прочности раствором повышает прочность КАМ и обеспечивает снижение величины поперечных растягивающих деформаций. Кроме того, повышается прочность и трещиностойкость растворной составляющей за счет препятствия зарождению и развитию трещин. Повышение прочности КАМ достигает 2,5 раз при оптимальном подборе состава фибры и раствора (табл. 1).
Таблица Повышение прочности КАМ на примере кладки с фиброармированием Предел прочности Модуль Измепри сжатии, МПа Состав КАМ деформации, нение расчет факт 103 МПа Rсж, % Кладка из пустотного силикатного кирпича М150 (h=88 мм), 20 48,4 1,45 1на растворе цементнопесчаном М1Кладка из силикатного кирпича М150 (h=88 мм), на растворе цементно-песчаном М150, с - 80,8 2,58 1введенной фиброарматурой (А=2,5% массы цемента) 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. Армодемпферы не нарушают монолитности и сплошности структуры и препятствуют развитию трещин.
Экспериментальная проверка эффективности конструктивных мероприятий на образце кладки из кирпича и цементно-песчаного раствора М150 выявила, что прочность кладки, армированной поперечными сетками (=0,1%), составляет 148% прочности неармированной.
Кладка с армированием фиброй показала на 12,5% более высокую прочность, чем армированная сеткой. При этом коэффициент армирования был снижен с 0,1 до 0,01%. Армодемпфирующий элемент обеспечивает более высокую прочность кладки, чем поперечно армирован ный образец на 33% при том же коэффициенте армирования.
Мезоуровень определяет взаимодействие 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 оценить прочность сцепления при срезе анизотропного заполнителя и раствора в горизонтальных швах, а также величину адгезии и когезии раствора вертикальных швов.
Определим требуемую величину скалывающих напряжений горизонтальных швов для предотвращения саморазрушения КАМ из-за накопления деформаций в зоне контакта:
ус ус ус ус фсц ураств - уан.зап. = Ераствераств - Еан.запеан.зап.
(11) Для предотвращения саморазрушения КАМ необходимо обеспечить величину сцепления больше 0,08 МПа. При механических нагрузках для предотвращения нарушения сплошности КАМ и раннего выхода из работы необходимо обеспечить величину сцепления на срез, определяемую в зависимости от уровня действующих напряжений:
раст раст фгор.шва = у - уан..запI = (мраств - ман..зап )усж.
(12) сц растI КАМ При расчетной прочности композита 2,4 МПа, величина сцепления должна составлять сц = 0,24Ц0,36 МПа, при 10 МПа требуемое сцепление сц = 1,0Ц1,5 МПа.
Величина прочности зоны контакта будет во многом определяться ее структурой (рис. 9). Фактическая высота зоны контакта составляет на подвижных растворах 1 мм и менее, на жестких растворах - до мм. Полная поверхность касания в зоне контакта анизотропного заполнителя и раствора составляет 42Ц45% общей площади.
Установлено существенное отличие взаимодействия раствора с поверхностью анизотропного заполнителя на примере кладки на силикатном и керамическом кирпиче (рис. 10). В зоне контакта раствор вступает в реакцию с поверхностью керамического кирпича и образует 3Ц5% портландита, гидросиликатов кальция и 20Ц30% соединений, содержащих оксиды калия, натрия и алюминия в различных комбинациях. Кроме того, в силу быстрого водоотбора остается непрореагировавшими с водой около 5% трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината, что позволяет формировать резерв набора прочности при залечивании трещин и дефектов в более поздние сроки. Поверхность силикатного кирпича более свободно пропускает воздух и менее активно взаимодействует с минералами цементного клинкера.
Наиболее часто на практике используют высокопрочные цементно-песчаные растворы. В связи с этим необходимо выдержать оптимальную подвижность и пластичность раствора с ОК=12Ц13 см и обеспечить высокую водоудерживающую способность цементного раствора, поскольку заполнитель быстро абсорбирует несвязанную (свободную) воду по всей поверхности растворных швов КАМ. Можно добиться изменения свойств зоны контакта, меняя состав раствора введением суперпластификаторов (СП) или минеральных добавок (извести, глины). Использование СП при одинаковой подвижности раствора снижает прочность сцепления в ~5 раз (с 0,41 до 0,19 МПа) по сравнению с обычным цементно-песчаным раствором. Прочность КАМ на примере кирпичной кладки при этом снизится с 4,5 до 2,МПа. Введение 10% массы цемента двухслойных Al-Siфиллосиликатов повышает величину сцепления раствора до 0,55 МПа, прочность композита повышается до 9,4 МПа. Повышения качества также можно добиваться технологическими приемами, например вибрированием или формированием шва с помощью шаблона.
Зона контакта с керамическим кирпичом Зона контакта с силикатным кирпичом Рис. 9. Общий вид зоны контакта раствора с керамическим и силикатным кирпичом Структура КАМ на микроуровне определяется взаимодействием матрицы искусственного камня и мелкого заполнителя в растворе с минералами, слагающими поверхность анизотропного заполнителя.
Поскольку анизотропный заполнитель, кладочное изделие либо крупный заполнитель, формируется заранее, основные переходные процессы формирования структуры закончены. Поэтому Рис. 10. Рентенограммы раствора зоны контакта определяющей с керамическим (1) и силикатным кирпичом (2) на данном уровне будет структура растворной составляющей, включающая:
Ц каркас, формируемый заполнителем;
Ц матрицу, формируемую цементным или иным искусственным камнем, которая связывает каркас из заполнителя и обеспечивает монолитность и целостность композита после твердения;
Ц контактную зону матрицы и заполнителя.
Основные параметры структуры закладываются на стадии начального периода формирования в процессах, протекающих в системе заполнительЦводаЦвяжущее.
Вид заполнителя влияет на свойства раствора и КАМ: прочность, деформативность, морозостойкость, водопоглощение и усадку. Заполнитель связывает часть воды и воздействует на реологические и технические свойства растворной смеси. Кроме того, при твердении вода, смачивая зерна заполнителя, участвует в формировании структуры раствора. Можно использовать эффект самоуплотнения растворной смеси для ее максимального самоуплотнения и рекомендовать водотвердое (В/Т) отношение (табл. 2).
Свойства раствора определяются характером взаимодействия отдельных зерен заполнителя и матрицы. Поскольку размер и морфология поверхности отдельных зерен носят случайный характер, можно пренебречь данными факторами и оперировать показателями среднего размера зерна и размера пустот. Для упрощения зерна заполнителя моделируются сферами. Схема упаковки зерен заполнителя определяет характер разрушения материала. Можно выделить несколько основных схем разрушения: по заполнителю, по матрице, по контактной зоне (рис. 11).
Таблица Рекомендуемое водотвердое отношение для самоуплотнения раствора Водоцементное отношение 0,1 0,2 0,3 0,38 0,4 0,5 0,6 0,7 0,75 0,8 0,9 1:2 0,05 0,1 0,15 0,19 0,2 0,25 0,3 0,35 0,377 0,4 0,45 0,1:3 0,033 0,067 0,1 0,127 0,133 0,167 0,2 0,233 0,251 0,267 0,3 0,31:4 0,025 0,05 0,075 0,095 0,1 0,125 0,15 0,175 0,188 0,2 0,225 0,1:10 0,01 0,02 0,03 0,038 0,04 0,05 0,06 0,07 0,075 0,08 0,09 0, Недопустимое В/Т Нерекомендуемое В/Т Рекомендуемое В/Т а) в) б) Краздв Краздв1 < 1, Краздв = Краздв > д) г) Краздв Краздв< 1, Краздв = Краздв > разрушение по слабому заполнителю;
разрушение по слабому цементному камню;
разрушение по слабой зоне контакта.
Рис. 11. Схемы разрушения растворной составляющей при разнофракционном составе: а) однофракционный; б) двухфракционный, Краздв 1;
в) двухфракционный, Краздв > 1; г) трех или более фракционный, Краздв 1;
д) трех или более фракционном при Краздв > 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:
Ц:П Состав раствора 1) при прочности заполнителя много меньше прочности матрицы (Rз
2) при прочности заполнителя (Rз), близкой к прочности матрицы, (RзRмRк.с), наиболее выгодна схема упаковки одно- двухфракционной смеси с Краздв 1;
3) при прочности заполнителя (Rз) много больше прочности матрицы (Rз>Rм, Rк.с), эффективна схема упаковки полифракционного состава с Краздв 1;
4) при низкой адгезии матрицы к заполнителю (Rк.с
В соответствии с вышеизложенным, предложена схема фракционирования мелкого заполнителя для получения непрерывного гранулометрического состава с Краздв 1. Наиболее предпочтительным будет использование фракций песка из условия минимизации затрат на оборудование - 5Ц2,5; 2,5Ц0,5; 0,5Ц0,16 мм (схема I); из условия идеализации плотности упаковки - 4,3Ц1,6; 1,6Ц0,8; 0,8Ц0,16 (схема II). Повышение плотности упаковки позволяет получить прочный и долговечный композит. Экспериментальную проверку проводили на растворах с схемой I фракционирования как более технологичной (табл. 3). Для увеличения плотности и экономии цемента в раствор вводили наполнитель со средним размером зерен 0,15 мм для стандартной и I схемы и 0,2 мм для II схемы фракционирования. Применяли цемент М400, раствор 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 50Ц100%, что является эффективным способом повышения качества растворов.
Структура матрицы раствора - важнейшего компонента раствора и КАМ в целом, которая объединяет остальные структурные элементы для совместной работы, во многом определяет свойства композиционного материала. Направленное формирование структуры матрицы возможно на этапе набора прочности за счет оптимизации состава вяжущего, тонкости помола, соотношения вяжущего и воды, качества перемешивания и т. п. В цементной суспензии формируется гидратная оболочка вокруг зерен цемента, толщина которой зависит от удельной поверхности цемента и В/Ц. Для формирования оптимальной структуры цементного камня целесообразно использовать цемент с тонкостью помола не менее 500 м2/кг. Нужно учитывать, что в образовавшихся гидратных пленках из-за действия осмотических сил возникает расклинивающее давление.
Таблица Влияние гранулометрического состава песка на характеристики раствора Плотность, ВодонепроницаеПрочность, МПа кг/м3 мость, с/смСостав раствора Состав 1:Стандартный грану1880 1 2,75 (W2) 1 10,6 лометрический состав Трехфракционный 2070 1,1 7,7 (W6) 1,8 21,3 2,Состав 1:Стандартный грану1709 1 - 1,42 лометрический состав - Трехфракционный 1850 1,08 - 3,55 1,Прочность композита определяется параметрами формирующейся контактной зоны заполнителя и цементного камня. Ее высота достигает 20Ц50 мкм (рис. 12). Пустотность зоны контакта составляет 45%. В начальный момент формирования структуры происходит обезвоживание цементно-водной суспензии в зоне контакта за счет поверхностного поглощения воды заполнителем и смачивания его поверхности.
В связи с различной скоростью растворения минералов клинкера в воде быстро растворимые минералы С3А, С3S и гипс перемещаются к поверхности зерна. Результатом является формирование на поверхности зерна кристаллов СН и эттрингита с характерным размером ~мкм и с последующим прорастанием до 30 мкм. Это подтверждается исследованиями микроструктуры и данными о наличии перпендикулярно ориентированных к поверхности кристаллов СН. Следующий слой - это сложная смесь, образующаяся в результате твердения С2S и C4AF и непрореагировавших минералов клинкера. В результате отбора воды поверхностью заполнителя в суспензии образуется высокая концентрация ионов Са2+, формирующих высокоосновные гидросиликаты кальция. Увеличение прочности сцепления происходит за счет образования химических связей на поверхности заполнителя и матрицы, рационального подбора вида заполнителя, формы и шероховатости поверхности, взаимодействия поверхностных минералов с вяжущим.
Доля от Доля от Доля от Величина Величина Величина стандарта стандарта стандарта Заполнитель 20-50мкм 5-10мкм 1мкм Рис. 12. Микрофотография зоны контакта цементного камня и кварцевого песка Для формирования качественной структуры материала и с целью снижения влияния неравномерности полей напряжений и деформаций в КАМ определены свойства структурных элементов. Для цементных растворов соотношение прочностей должно быть следующим:
зап цем.к зап конт.з ;. (13) Rцем.к = Rсж = Rконт.з1,54 Rраст = Rраст = Rраст 1,сж сж Прочность цементного камня при сжатии должна быть сопоставима с прочностью заполнителя, прочность контактной зоны может быть меньше в 1,5 раза прочности остальных элементов, а соотношение прочности при растяжении и сжатии структурных элементов должно быть:
0,46Rсж = Rраст. (14) На практике прочность цементных растворов при сжатии больше прочности при растяжении в 8Ц10 раз, что приводит к неполному выбору прочности композита. При несоответствии прочности и деформативности затвердевшего цементного камня и заполнителя, в них будут образовываться дефекты и трещины, что приводит к повышению дефектности структуры КАМ.
Для снижения влияния различия деформативности структурных элементов мелкозернистого бетона либо раствора целесообразно вводить часть вязкого заполнителя, например дробленый керамзит для демпфирования и стальную или полимерную фибру для армирования, что положительно отразится на 28 сут прочности (табл. 4).
Разработан состав 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. Использование армодемпфирующих добавок позволяет повысить прочность при растяжении и изгибе (табл. 4).
Таблица Влияние вида добавок на свойства цементных композитов Вид добавки Растяжение, МПа Изгиб, МПа Сжатие, МПа Без добавки 2,45 4,15 15,Демпфирующая (дробленый ке3,09 4,37 15,рамзит 5%) Дисперсно-армирующая (сталь2,97 4,16 15,ная фибра 0,25Ц1%) Армодемпфирующия (керамзит 2,82 5,32 16,5% и стальная фибра 2,5%) Совершенствование растворов целесообразно вести в направлении повышения прочности и снижения трещиностойкости, повышения адгезии к анизотропному заполнителю. Перспективным является использование самоуплотняющихся и самонивелирующихся растворов. Необходимо, чтобы раствор самоуплотнялся под воздействием массы вышележащих слоев материала и формировал шов требуемой толщины, равномерно заполняя межзерновые пустоты. Важно использовать вяжущее с низкой водоотдачей, чтобы избежать обезвоживания цементно-водной суспензии в зоне контакта с заполнителем, и наполнитель, обеспечивающий отсутствие непосредственного контакта зерен заполнителя (плавающий заполнитель).
Принцип повышения эффективности КАМ на микроуровне приведен на примере разработки составов самонивелирующихся растворов.
Полученные смеси меньше расслаиваются и показывают большую прочность при сжатии (в 2 раза) и изгибе (на 20%) при сохранении расхода цемента и подвижности (ОК=12Ц13 см) (табл. 5).
Предложен метод расчета требуемой подвижности раствора в зависимости от основных показателей анизотропного заполнителя и угла естественного откоса для получения шва требуемой толщины, на примере кирпича массой 4 кг (табл. 6).
Использование самонивелирующихся и самоуплотняющихся растворов позволит повысить однородность КАМ при сокращении трудоемкости возведения конструкций за счет формирования швов одинаковой толщины под весом вышележащих слоев.
Таблица Зависимость свойств самонивелирующихся растворов от состава Состав Прочность, МПа Цемент:Наполнитель*:Песок на сжатие при изгибе Ц:Н:П = 1:1,55:1,6 (В/Ц=0,7) 20,5 4,Ц:Н:П = 1:0,95:1,05 (В/Ц=0,9) 31,8 5,Контрольный Ц:П = 1:2,9 (В/Ц=0,7) 15,3 4,Примечание. *Наполнитель - мраморная мука фракции 0,1 мм.
Таблица Параметры смеси для формирования растворного шва требуемой толщины для КАМ Требуемая подвижность* (ОК), см, Требуемая при плотности раствора, кг/мтолщина шва, см 1800 1500 1000 50,5 10,38/24,18 9,72/24,14 8,11/24,04 4,91/23,1 10,07/24,17 9,44/24,13 7,90/24,03 4,78/23,1,5 9,73/24,15 9,14/24,11 7,67/24,02 4,64/23,Примечание. *При угле естественного откоса растворной смеси 60/15.
Экспериментальная проверка на составах самоуплотняющихся и самонивелирующихся растворов показала, что при сопоставимых составах (рис. 13 и 14, табл. 7) их прочность выше в 1,5 раза, адгезия к анизотропному заполнителю выше на 20Ц30%; подвижность выше на 20%.
Рис. 13. Влияние направленного изменения структуры на прочность раствора С технологической точки зрения, наиболее эффективны самоуплотняющиеся и самонивелирующиеся растворы (табл. 7), следовательно они будут менее энерго- и трудоемкие при формировании структуры КАМ.
Долговечность КАМ во многом определяется системой пор и пустот структурных элементов различных уровней, включая замерзание воды в порах, разрастание кристаллов и накопление продуктов химических реакций в порах и дефектах, а также различие температурных деформаций элементов КАМ. Это приводит к разрушению растворной составляющей за счет нарушения целостности структуры.
Рис. 14. Влияние направленного изменения структуры раствора на адгезию к анизотропному заполнителю (кирпичу) На основании оценки изменения поля объемных деформаций КАМ от температуры окружающей среды предложен расчетный метод оценки морозостойкости материала.
При оценке в расчетной модели необходимо учитывать структуру материала, поскольку основной объем пор в КАМ - открытые поры, доступные для проникания воды. При моделировании рассматривали цилиндрические поры, в которых увеличение объема льда стремится сдвинуть границу поры, а часть льда будет вытесняться в распложенные рядом поры. Величина фактического смещения границы поры зависит от соотношения модуля деформации льда и цементного камня.
При несквозных порах дополнительное давление определяется увеличением в объеме льда на величину 4,9%, при сквозных порах - на 2,8%. Тогда дополнительные напряжения и деформации стенок поры составят:
Таблица Составы и свойства при направленном изменении структуры растворов Расход песка по фракциям, Смесь Раствор в возрасте 28 сут % общего количества № Вид раствора п/п фр. фр. фр.
Стандарт.
5Ц 2,5Ц 0,5Ц Мкр=1,2,5 0,5 0,Кол Вид -во 1 2 0,4 100 50 90 1600Ц1700 31 0,2 2 0,7 100 110 30 1600Ц1700 23 0,3 5 0,4 100 50 90 1600Ц1700 7 0,С обычной схемой подбора состава 5 0,7 100 55 0 1600Ц1700 6 0,5 10 0,4 100 50 90 1600Ц1700 2 0,6 10 0,7 100 50 85 1600Ц1700 2 0,7 4,8 0,6 0 69 23 8 26 50 90 1800Ц1900 22 0,Самоуплотняющийся 4,8 0,8 0 69 23 8 26 50 95 1800Ц1900 34 0,9 С повышенной 2 0,4 глина 12 100 50 90 1550 41 0,10 адгезией 2 0,7 глина 0 100 50 15 1550 21 0,11 2 0,5 ПВА 6 100 50 85 1050Ц1650 20,5 0,2 0,8 ПВА 6 100 115 40 1050Ц1650 20 0,Самовыравнивающийся 13 5 0,4 ПВА 9 100 50 90 1050Ц1650 6 0,14 5 0,7 ПВА 9 100 75 80 1050Ц1650 4 0,15 3,3 0,7 ПВА 10 100 26 50 90 1650 25 0,Самовыравнивающийся и самоуплотняющийся 3,3 0,9 ПВА 10 100 26 85 45 1650 30 0,17 2,9 0,4 0 69 23 8 50 90 1800Ц1900 30 0,18 2,9 0,7 0 69 23 8 70 55 1800Ц1900 21 0,С жестким каркасом 19 7,3 0,9 0 69 23 8 50 90 1800Ц1900 3 0,заполнителя 7,3 1,4 0 69 23 8 70 40 1800Ц1900 4 0,% массы - Модификатор, мм), % П Угол Наполнитель откоса отношение В/Ц Водоцементное (мраморная мука 0,Адгезионная сжатие, МПа Подвижность Прочность на естественного Составы растворов 1:N прочность, МПа Плотность, кг/м умороз = Eцем.камемороз = 9,4 МПа, (17) цем.кам цем.кам где умороз, Eцем.кам, емороз - дополнительные напряжения в цементцем.кам цем.кам ном камне при замерзании воды в порах, модуль деформаций и дополнительные деформации цементного камня.
Величина возникающих растягивающих напряжений существенно меньше величины прочности при растяжении и сжатии кристаллического сростка цементного камня, что объясняет отсутствие разрушения материала при однократном замораживании воды в порах. Это позволяет оценить количественно энергию необходимую для разрушения материала при многократном замораживании и оттаивании.
Количество энергии необходимой для разрушения единицы объема материала, или удельная энергия разрушения материала при замерзании воды в системе пор определяется структурой и составом композита, его пористостью и т.д. Материал разрушится, когда внешняя подведенная к материалу энергия превысит величину, соответствующую удельной работе разрушения цем.раств. Количество циклов замозамор раживания и оттаивания nцем.кам можно определить как:
Щцем.кам замор, (16) nцем.кам = Щмороз цем.кам где Щцем.кам - удельная работа разрушения цементного камня;
зороз Щцем.кам - удельная работа при однократном замерзании воды в порах.
n (Vцем.кам - Vцем.камПцпем.кам) раст, (17) Щмороз = уцем.камецем.кам цем.кам Кзамор раст Vраств i=где Кзамор - коэффициент замораживания, который равен 1/2 при медленном замораживании, 1 при быстром замораживании; n - количество циклов замораживания, при котором происходит разрушение.
Проведена теоретическая оценка параметров развивающейся трещины при замерзании воды в порах. Длина трещины при замерзании воды в порах составит величину 0,7dпор. Поэтому для повышения морозостойкости материала необходимо увеличить расстояние между порами или уменьшить их размеры. Этого можно добиться введением в состав демпфирующих или армодемпфирующих добавок.
Дополнительные напряжения вдоль линии приложения нагрузки улучшают условия работы цементного камня и ухудшают для заполнителя при сжатии. Отмечено снижение морозостойкости КАМ на основе вяжущих при действии растягивающих напряжений и увеличение при действии сжимающих.
Долговечность материала определяется его морозостойкостью и стойкостью к воздействию агрессивной среды. Высолы на поверхности КАМ есть результат нарушения структуры под воздействием агрессивной среды. Влияние изменения структуры при высолообразование на поверхности КАМ экспериментально оценивали 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 помещали в среду хранения в возрасте 28 сут. После набора прочности контрольные образцы хранили в воде.
Капиллярный подсос заставляет диффундировать через поры материалов растворимые соли на поверхность, и в течение 1 года высота высолов достигает 5Ц7 мм (рис. 14) (изменение массы образцов замеряли в течение 30 недель). В виду нарушения структуры композита, вызванного высолообразованием, прочность снижается на 20% (табл. 8).
Таблица Прочность цементного камня в сульфатной среде в течение 1 года Прочность, МПа Условия хранения при изгибе при сжатии В воде (контрольный) 45,9 1В сульфатной среде (5 % Н2SO4) 44,1 При хранении образцов раствора в условиях капиллярного подсоса в сульфатной среде (табл. 9) снижается количество портландита, а на поверхности образуется гипс. Высолообразование на поверхности КАМ сопровождается нарушением структуры и снижением прочности на 20% в течение года. Это подтверждается фотографиями структуры цементных композитов (рис. 14).
а) б) Рис. 14. Микроструктура цементно-песчаного раствора в возрасте 1 год при хранении: а) в воде; б) в растворе SOФормирование структуры субмикро- и наноуровня включает из менение внутреннего строения элементов и взаимодействия различных фаз структурных элементов, минерального состава и качества поверхности анизотропного заполнителя, цементного или иного искусственного камня матрицы. Определяющей структурой данного уровня КАМ будет структура матрицы, поскольку она формируется непосредственно в композите и включает:
Ц кристаллический сросток и гелевую составляющую;
Ц жидкую и газообразную фазу - включающую воду (связанную и несвязанную), воздух и пары в системе пор и пустот;
Ц границу раздела фаз.
Таблица 9 Важно учитывать Состав высолов по данным РФА изменение КАМ струкМинералы Содерж., % туры во времени. Существующие теории тверСульфат натрия (Na2SO4) дения цемента отмечают Мирабилит (Na2SO410H2O) одну общую черту:
Гипс (CaSO42H2O) твердение идет неравномерно во времени и в объеме, формируется структура цементного камня с нерегулярной упаковкой структурных элементов и большим количеством внутренних дефектов. Это одна из основных причин, по которой цементный камень не достигает прочности слагающих его минералов (так прочность эттрингита при растяжении составляет ~МПа, портландита при сжатии - 320Ц700 МПа).
На формирование структуры цементного камня с определенной системой пор и пустот воздействует множество факторов, одним из которых можно назвать упаковку зерен цемента до момента взаимодействия с водой и после, которая определяет плотность формирующегося цементного камня и его однородность.
Для оценки степени взаимосвязи структуры и свойств цементного камня во времени при гидратации и после набора прочности предложена характеристика среднее расстояние и количество в единице объема микроцентров активности. Это расстояние между условными геометрическими точками на поверхности частицы цемента, в которых при гидратации будет наиболее вероятно нарушение экранирующей оболочки, образующейся на поверхности цементного зерна при затворении водой. Их наличие обусловливается неоднородностью минерального состава цементного зерна, неравномерным гранулометрическим составом цементных зерен, что не может не отразиться на скорости и качестве взаимодействия зерен цемента и воды. Чем больше количество таких точек и меньше расстояние между ними, тем выше скорость протекания гидратации и твердения цемента. В результате образуется более равномерная структура цементного камня и выше его механические характеристики.
Расчетным методом установлено расстояние между микроцентрами активности по гранулометрическому составу и удельной поверхности цемента. Расстояние между центрами активности будет равно среднему размеру зерен с учетом раздвижки. Так для цемента с удельной поверхностью 300 м2/кг расстояние составляет 34,810Ц3 мкм, для цемента с удельной поверхностью 450 м2/кг - 24,810Ц3 мкм; разница - 1,4 раза. Скорость гидратации по Шейкину для цементов с удельной поверхностью 300 и 500 м2/кг различается в 1,8 раза в возрасте 1 сут (степень гидратации =54 и 39% соответственно) и в 1,2 раза в возрасте 28 сут (степень гидратации =72 и 86% соответственно), что подтверждает взаимосвязь структуры со скоростью твердения цемента.
Регулирование расстояния между микроцентрами активности осуществляется как гранулометрическим составом цемента, так и введением тонкодисперсных минеральных добавок, которые взаимодействуют с зернами цемента и в местах соприкосновения нарушают целостность экранирующей оболочки.
Работа под нагрузкой цементного камня будет зависеть от совместного действия кристаллического сростка и гелевой составляющей.
Прочность при сжатии раствора при мгновенном приложении нагрузки будет выше, а деформации меньше за счет увеличения внутреннего трения, что не позволит развиться вязкому течению гелевой составляющей и воды и приведет к хрупкому разрушению. При длительном приложении нагрузки с низкой скоростью гелевая составляющая будет перемещаться в объеме материала, что приведет к снижению прочности и увеличению деформативности.
Изменение количества и качества продуктов гидратации цементных минералов позволяет повышать долговечность и коррозионную стойкость КАМ к агрессивной среде. Одним из направлений повышения качества структуры цементного камня является химическое армирование. Сущность данного метода заключается в формировании жесткого кристаллического сростка с заданными свойствами с определенным взаимным расположением, прочностными и деформативными свойствами кристаллов, а также прочного сцепления в коагуляционных 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 вглубь гелевой фазы, а при длительной гидратации - к зарастанию трещин, дефектов и пор структуры цементного камня.
Для повышения количества первичного эттрингита в цементном камне до момента набора прочности, что позволяет снизить количество новообразований при эксплуатации, предложено введение H2SO4 в цементное тесто при затворении водой. Первичный эттрингит формируется в виде крупных игольчатых кристаллов с характерными размерами с=0,002Ц0,01 и а=0,1Ц1 мкм и прочностью при растяжении 70 МПа. Происходит микроармирование цементного камня. Рентгенофазовый анализ показывает существенное изменение количества эттрингита в образцах с различными условиями хранения (табл. 10).
Таблица Содержание эттрингита при химическом армировании цементного камня при хранении в различных условиях Содержание эттрингита, % Вид образцов 1 год в воде 1 год в р-ре Н2SOЦементный камень 5 Цементный камень + NаOH 5 Цементный камень + Н2SO4 15 При использовании химического армирования снижается скорость набора массы в агрессивной среде, что косвенно свидетельствует о снижении скорости деструкции цементного композита (рис. 15). При использовании химического армирования происходит увеличение прочности цементного камня в возрасте 1 год при хранении в условиях сульфатной среды (табл. 11).
5% в растворе H2SO4 ОЦК в растворе H2SO4 ОЦК+ NaOH 4% в растворе H2SO4 ОЦК+ H2SOв воде ОЦК 3% в воде ОЦК+ NaOH в воде ОЦК+ H2SO2% 1% 0% 0 1 2 4 8 10 12 17 23 27 Рис. 15. Кинетика набора массы образцов цементного камня при хранении в условиях сульфатной среды: обычного цементного камня(ОЦК), цементного камня с добавкой NaOH и Н2SOизменение массы, % Разработана схема направленного формирования структуры КАМ с минимальным количеством дефектов, так называемой идеальной структуры, сопоставимой по прочности, трещиностойкости и долговечности с основными компонентами исходных материалов. С учетом научно обоснованного подхода к выбору комплекса конструктивных и технологических решений на каждом из уровней структуры, критерием оптимизации является повышение прочности КАМ до прочности исходного заполнителя (рис. 16).
Таблица Прочность цементного камня при химическом армировании при хранении в различных условиях Прочность в возрасте 1 год, МПа Вид образцов при изгибе при сжатии при изгибе при сжатии Хранение в воде Хранение в растворе Н2SOБез добавок 45,9 112 44,1 Цем. кам. + 45,9 168 45,9 2% Н2SOЦем. кам. + 25,8 116 53,4 97,2% NаOH Климатические факторы, Расчетные характеристики:
действующие на конструкцию - плотность;
Агрессивное воздействие среды - прочность;
- деформативность;
Уровень действующих механических нагрузок Требуемая надежность и класс ответственности конструкции:
Структура КАМ - резерв прочности;
- трещиностойкость Мероприятия направленного формирования структуры на мегауровне Требуемая долговечность конструкции:
- стойкость к агрессии;
Мероприятия направленного формирования - морозостойкость;
структуры на макроуровне: самого крупного - водонепроницаемость;
элемента КАМ и раствора - паро-, газопроницаемость;
Мероприятия направленного формирования структуры на мезоуровне:
технология получения КАМ Мероприятия направленного формирования структуры на микроуровне: подбор состава раствора; выбор состава заполнителя и технологии приготовления Мероприятия направленного формирования структуры на субмикроуровне: выбор вида вяжущего и В/Ц, выбор добавок, вид заполнителя Мероприятия направленного формирования структуры на нанокроуровне: использование наномодификаторов Рис. 16. Схема направленного формирования структуры КАМ с заданными свойствами Приведенная схема формирования идеальной структуры КАМ была апробирована экспериментально на образцах кирпичной кладки, изготовленных из керамического полнотелого кирпича М200 и цементно-песчаного раствора. Использовали меры, повышающие прочность кладки и легко выполнимые на практике. Полученные данные сравнивали с пределом прочности кладки, приведенным в нормативных документах. Временное сопротивление составило разр=16,8 МПа. Фактическая величина прочности превышает рассчитанную в соответствии с требованиями нормативных документов в 5,6 раза. С учетом коэффициента запаса, обеспечивающего надежность с вероятностью отказа 10Ц4, расчетный предел прочности кладки составил Rmax=7,9 МПа, что превышает соответствующую расчетную величину по степени армирования в 2,65 раза.
Технико-экономическая эффективность использования идеальной структуры КАМ обусловлена повышением его прочности, трещиностойкости и долговечности, уменьшением геометрических параметров и массы конструкций. При одинаковой несущей способности стеновых конструкций, стоимость материалов для возведения 1 м2 стены снижается на 14%. Полные приведенные затраты в течение эксплуатации снизятся на 22,5%, что означает соответствующее увеличение эффективности КАМ. Реализация результатов работы позволила получить значительный экономический, экологический и социальный эффект.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Разработаны теоретические принципы повышения эффективности производства композиционных анизотропных материалов с учетом состава, морфологии и дефектов структурных элементов, заключающиеся в анализе и моделировании 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, что позволяет создавать рациональную структуру композиционного анизотропного материала с заданными свойствами.
2. Разработана многоуровневая модель структурообразования и взаимодействия структурных элементов композиционного анизотропного материала 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; повысить эффективность использования сырьевых компонентов на всех уровнях структуры; прогнозировать долговечность, трещиностойкость, надежность материала с высокой степенью достоверности; расширить рациональные области применения композиционного материала в строительной индустрии.
Предложен метод сбалансированного управления формированием структуры композиционного анизотропного материала на всех иерархических уровнях в совокупности, заключающийся в использовании конструктивных и технологических мероприятий, дающих синергетический эффект, и позволяющий добиваться снижения дефектности структуры каждого уровня.
3. Предложены методы проектирования состава и управления структурообразованием композиционного анизотропного материала, заключающиеся в регулировании баланса внутренних сил и оптимизации упаковки структурных элементов, позволяющие снижать дефектность структуры на различных иерархических уровнях композита на раннем этапе структурообразования. Предложены способы регулирования физико-химических, механических и технологических условий синтеза композиционного анизотропного материала с различными коэффициентами анизотропии.
4. Предложены методы прогнозирования параметров деформирования и разрушения структуры на каждом иерархическом уровне, в том числе при работе в суровых условиях эксплуатации, с учетом многообразия размеров, составов, морфологии структурных элементов.
Установлен характер механизма разрушения при различных условиях эксплуатации, заключающийся в совместной работе структурных элементов при воздействии различных внешних факторов. Предложенный численный показатель удельной работы разрушения позволяет прогнозировать долговечность, надежность материалов и момент разрушения.
5. Выявлены закономерности деформирования крупного заполнителя и стеновых камней, как макроэлементов композиционного материала, позволяющие управлять разрушением структуры и прогнозировать риск нарушения целостности материала. Определены причины, снижающие эффективность работы композиционного анизотропного материала по сравнению с единичным образцом вне структуры за счет действия поперечных растягивающих, срезающих и изгибающих усилий. Предложен способ снижения влияния данного эффекта, заключающийся в изменении схемы перераспределения внутренних усилий с помощью введения дополнительных элементов структуры (армирования, демпфирования, армодемпфирования), позволяющий увеличить механические характеристики в 2,5 раза. Разработана конструкция армодемпфирующего элемента, состав армодемпфирующих добавок и технология их изготовления и применения, позволяющие увеличить прочность на 50 % по сравнению с неармированными композиционными анизотропными материалами. За счет механизма демпфирования корректируется трещинообразование композита, за счет армирования - повышается прочность.
6. Установлена зависимость прочности контактной зоны крупного заполнителя, стеновых камней и раствора на срез от внешних условий, заключающаяся в увеличении прочности при увеличении разницы коэффициента поперечных деформаций у взаимодействующих материалов. Увеличение степени адгезии вяжущего с поверхностью некондиционного заполнителя или стенового камня возможно за счет использования двухслойных Al-Si-филлосиликатов или технологических способов формирования контактной зоны.
7. Выявлены закономерности изменения коэффициента раздвижки зерен мелкого заполнителя от вида разрушения композита. Осуществлено ранжирование зон разрушения растворной составляющей и предложен обоснованный выбор коэффициента раздвижки зерен и фракционирования заполнителя в зависимости от соотношения прочности составляющих. При использовании заполнителя (Rз), превышающего по прочности матрицу и контактный слой (Rз>Rм, Rк.с), целесообразна схема полифракционного заполнителя с Кр1; при сопоставимых прочностях структурных элементов (RзRмRк.с), однофракционная схема с коэффициентом раздвижки Кр1. При заполнителе менее прочном, чем зона контакта и матрица (Rз
8. Предложены способы интенсификации структурообразования в системе цементный клинкерЦцементное тестоЦцементный камень, заключающиеся в изменении начального этапа гидратации минералов цементного клинкера, путем введения мелкодисперсных элементов и использовании химического армирования цементного камня. Направленное формирование структуры цементного камня за счет увеличения плотности сращивания новообразований, формирующихся в результате гидратации минералов клинкера, позволяет повысить прочность и снизить влияние сульфатной коррозии, за счет формирования первичного эттрингита. Направленное формирование структуры в системе лцементный клинкер - цементное тесто - цементный камень, позво ляет ускорить гидратацию, повысить прочность цементного камня в возрасте 28 сут. на 50% при сжатии. При эксплуатации в условиях сульфатной коррозии после 1 года хранения в Н2SO4 прочность повышается на 15Ц25% при изгибе и 10Ц15% при сжатии по сравнению портландцементом.
9. На основании результатов теоретических исследований и внедрения в опытное производство разработаны: методы подбора состава композиционных анизотропных материалов, в зависимости от вида крупного заполнителя либо кладочных изделий; оптимального фракционирования состава и расчета коэффициента раздвижки зерен (Кр) зерен мелкого заполнителя в зависимости от характера разрушения композита, позволяющие снизить пустотность и повысить плотность до 10 %, повышая прочность и снижая проницаемость до 2Ц3 раз. Для мелкозернистого бетона получен материал с прочностью 60Ц65% прочности исходного заполнителя, для кирпичной кладки - 85 % от прочности кладочного материала.
10. Для производственного внедрения разработан ряд нормативно-технических документов. Внедрение полученных результатов осуществлено при восстановлении и реконструкции уникальных объектов - памятников истории и архитектуры: Никольского собора 16 века в с.
Сторожно, Староладожского Свято-Успенского монастыря в д. Ст. Ладога, Государственного академического Мариинского театра и Государственного Эрмитажа. С использованием результатов построены и отремонтированы жилые дома в Ленинградской и Белгородской области, Удмуртии и др. регионах. Экономический эффект за счет реализации диссертационной работы составил свыше сотни миллионов рублей. Выпушено свыше 12 тыс. тонн сухих строительных смесей и тыс.шт. штучных стеновых блоков и других материалов.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Беленцов Ю.А. Прогнозирование процесса накопления физического и морального износа жилых зданий: Сб. статей Научной конференции по вопросам строительства. Пенза:, 1999. - С. 33Ц34.
2. Беленцов Ю.А., Комохов П.Г. Совершенствование методов армирования кирпичной кладки // Строительные материалы. - № 1. - 2004. - С. 33Ц34.
3. Беленцов Ю.А. Комохов П.Г. Структурная механика кирпичной кладки. Совершенствование методов армирования кирпичной кладки // Строительные материалы. - № 10. - 2004. - С. 46Ц48.
4. Беленцов Ю.А., Комохов П.Г. Структура, трещиностойкость и надежность кирпичной кладки как композиционного материала // Вестник отделения строительных наук РААСН. - № 9. - 2005. - С. 255Ц260.
5. Беленцов Ю.А. Пути повышения эффективности несущих кирпичных конструкций // Вестник Российской инженерной академии.
Труды секции Строительство. - № 6. - 2005. - С. 196Ц199.
6. Беленцов Ю.А. Использование эффект самоуплотнения песчаной смеси при подборе состава строительных растворов // Строительство и реконструкция. - №3. - 2005. - С. 14Ц15.
7. Комохов П.Г., Беленцов Ю.А. Высолы на поверхности сооружений из цементных материалов, как явление внутреннего осмоса // Цемент и его применение. - № 3. - 2005. - С. 68Ц69.
8. Беленцов Ю.А. Формирование оптимального гранулометрического состава заполнителя растворов // Строительные материалы, технологии, оборудование XXI век. - №9. - 2005. - С. 36Ц38.
9. Беленцов Ю.А. Энергия и время разрушения // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - № 9. - 2005. - С. 29Ц32.
10. Беленцов Ю.А. Повышение прочности кирпичной кладки: от смены представлений к реальным результатам // Строительные материалы, технологии, оборудование XXI век. - № 11. - 2005. - С. 26Ц28.
11. Беленцов Ю.А. Кирпичная кладка от древности до сегодняшнего дня. СПб: ОМ-Пресс, 2005. - 42 с.
12. Беленцов Ю.А., Комов В.М. Причины разрушения кирпичной кладки // Строительные материалы, технологии и оборудование XXI век. - № 1. - 2006. - С. 33Ц34.
13. Беленцов Ю.А. Долговечность кирпичных конструкций. // Строительные материалы. - № 2. - 2006. - С. 24Ц25.
14. Беленцов Ю.А. Повышение качества кладочных растворов. // Строительство и городское хозяйство. - № 9. - 2005. - С. 44Ц45.
15. Комохов П.Г, Беленцов Ю.А. Структурная механика кирпичной кладки. СПб: СПбГАСУ, 2006. - 82 с.
16. Беленцов Ю.А., Комохов П.Г. Волновой характер деформирования материалов // Строительные материалы. - № 3. - 2006. - С. 66Ц 68.
17. Комохов П.Г., Комов В.М., Беленцов Ю.А. Структура, деформативность, трещинообразование и надежность кирпичной кладки. СПб:
ОМ-пресс, 2005. - 82 с.
18. Беленцов Ю.А. Связь структуры цементного камня с его основными конструкционными свойствами // Цемент и его применение. - 2007 - № 1. - С. 86Ц87.
19. Беленцов Ю.А. Разойдется ли стена по швам. // Строительство.
Ц 2006. - № 1. - С. 78Ц79.
20. Комохов П.Г., Комов В.М., Беленцов Ю.А. Деформации структурных элементов кирпичной кладки: Тр. общего собрания РААСН.
Проект и реализация - гаранты безопасности жизнедеятельности. - М.ЦСПб:, 2006. - С. 193Ц196.
21. Комохов П.Г., Беленцов Ю.А. Связь долговечности композиционных материалов со структурой на начальном этапе их формирования // Строительный вестник РИА. - 2006. - Вып.7. - С. 7Ц9.
22. Беленцов Ю.А. Влияние контактного слоя заполнителя и цементного камня в кладочных растворах: Десятые академические чтения РААСН Достижения, проблемы и направления развития теории и практики строительного материаловедения. Пенза-Казань:, 2006. - С. 107Ц110.
23. Заявка на изобретение РФ RU № (2005125840 ) Армированный демпфирующий конструктивный элемент (армодемпфер) / Ю.А. Беленцов // 20.02.2007.
24. Патент RU 52038 U1 Клеедеревянная фиброармированная балка/ Ю.А. Беленцов // Заявл. 18.12.2007. Опубл. 10.03.2006. Бюлл. № 7.
25. Комохов П.Г Беленцов Ю.А., Харитонов А.М. Демпфирование и трещиностойкость самоуплотняющихся тонкослойных отделочных композиционных покрытий: Тр. общего собрания РААСН. М.:, 2007. - С. 348Ц354.
26. Комохов П.Г., Беленцов Ю.А. Полифункциональные конструктивные элементы кирпичных и бетонных конструкций жилых зданий и инженерных сооружений / Вестник Центрального отделения строительных наук РААСН. 2007. - № 11. - С. 314Ц320.
27. Комохов П.Г., Беленцов Ю.А. Влияние растворной составляющей на качество кирпичной кладки // Строительные материалы. - 2007.
Ц №. 2. - С. 81Ц82.
28. Комохов П.Г.,Беленцов Ю.А. Армодемпфирующие элементы, повышающие прочность и трещиностойкость кирпичной кладки бетона // Аcademia Архитектура и строительство. 2007. - № 1. - С. 79Ц81.
29. Беленцов Ю.А. Синергетическая модель формирования структуры каменной кладки как композиционного материала: XVIII научные чтения Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии. Белгород: БГТУ им. Шухова, 2007. - С. 24Ц29.
30. Беленцов Ю.А. Армодемпфирующие добавки в бетоны и растворы // Строительные материалы. 2007. - № 10. - С. 16Ц18.
31. Беленцов Ю.А. Самоуплотняющиеся растворы для кирпичной кладки // Строительные материалы. 2007. - № 7. - С. 18Ц21.
32. Беленцов Ю.А. Кирпичная кладка - конкурентоспособный материал для современного строительства // Жилищное строительство.
2007. - № 11. - С. 28Ц30.
33. Комохов П.Г., Пухаренко Ю.В., Беленцов Ю.А., Харитонов А.М.
Повышение трещиностойкости бетонных и железобетонных конструкций за счет армодемпфирования // Промышленное и гражданское строительство. 2008. - №4. - С.42Ц44.
34. Беленцов Ю.А. Высолы на поверхности растворных швов кирпичной кладки //Строительные материалы. 2008. - № 4. - С. 60Ц61.
35. Патент RU 2355659 C1 Строительный раствор / П.Г. Комохов, А.М. Харитонов, Ю.А. Беленцов // Заявл. 18.12.2007. Опубл.
20.05.2009. Бюлл. № 14.
36. Бетон. Цементы, бетоны и строительные растворы и сухие смеси / Ю.А. Беленцов, В.Н. Вернигорова, В.С. Демьянова и др. под общ.
Ред. П.Г. Комохова. СПб: Профессионал, 2009. Ч. 2. - 610 с.
37. Комохов П.Г., Беленцов Ю.А., Харитонов A.M. Демпфирование и трещиностойкость самоуплотняющихся тонкослойных отделочных цементных композиционных покрытий // Строительные материалы и технологии ХХ1 века. 2008. - № 5. - С. 57Ц58.
38. Беленцов Ю.А. Направленное формирование контактной зоны в системе каркасЦматрица анизотропных композиционных материалов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2008. - №. 4. - С. 37Ц42.
39. Беленцов Ю.А. Направленное формирование структуры композиционных анизотропных материалов на основе вяжущих для работы в суровых условиях // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2009. - № 3. - С.109-115.
40. Беленцов Ю.А. Гравитационно-инерционное воздействие на здания и сооружения при землетрясениях // Жилищное строительство.
2010. - № 4. - С. 27Ц32.
41. Беленцов Ю.А. Моделирование работы композиционных анизотропных материалов в условиях сейсмических воздействий // Строительные материалы. 2010. - № 6. - С. 66Ц БЕЛЕНЦОВ Юрий Алексеевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ 05.23.05 - Строительные материалы и изделия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Подписано в печать 20.09.2010 г. Формат 60х84 1/16.
Усл.-печ.л. - 2,94. Уч.-изд.л- 2,73. Тираж 150 экз. Заказ № 396.
Отпечатано в типографии.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям