Исследование возможности повышения адгезии минеральных фибр к цементному камню. Часть 2.

Страницы:   1   2   3

---

2. Исследование свойств мелкозернистых бетонов с различными видами дисперсного армирования

2.1 Введение

 

Бетон, являющийся самым распространенным строительным материалом, имеет ряд существенных недостатков. К ним в первую очередь относится невысокая прочность на растяжение, которая в 8 – 10 раз ниже прочности на сжатие. Арматура, устанавливаемая для улучшения работы бетона в растянутой зоне конструкции, требует устройства надлежащего защитного слоя во избежание ее корродирования. В тонкостенных конструкциях это становится довольно сложной задачей, решение которой требует особой тщательности и аккуратности при производстве работ. Повысить прочность бетона на растяжение можно путем введения в него различного рода фибр из стали, стекла, базальта или пластмасс. Как показывают исследования, прочность на растяжение цементного камня с фибровой арматурой (фиброцемент) повышается в 3 раза. Но если фибровая арматура вводится в бетонную смесь, то прочность на растяжение повышается всего на 20 – 30%, т.к. в бетоне, как в любом многокомпонентном материале, большое влияние на прочностные показатели оказывает монолитность системы. Фибровое армирование бетона представляет интерес не только с точки зрения улучшения работы материала на растяжение, но также и существенного повышения его сопротивляемости ударным нагрузкам, истиранию, трещинообразованию.

 

ЦЕЛЬ

 

Задачей научных исследований является разработка оптимального состава фибробетонной смеси с улучшенными физико – механическими свойствами, такими как прочность на сжатие и растяжение.

 

Основная часть

 

В ходе исследований изучалось влияние прочностные характеристики фибробетонов введения в состав смеси базальтовых фибр и стекловолокно, В качестве постоянных параметров принято соотношение цемента и песка равное 1:2. Проведено исследование зависимости прочности от вид – фибры. результаты приведены в сводной таблице(2:1), изгиба и сжатия .

Сводная таблица(2:1)

 

 

По результатам видно , что введение фибры повышает прочность при изгибе на 5 – 45% . более эффективно повышается прочность при использовании стеклянной фибры.

 

Выводы

 

Одним из известных эффективных способов повышения качественных свойств бетона является его дисперсное армирование различными видами волокнистых материалов. Дисперсное армирование формирует в бетоне трёхмерную силовую структуру, которая противодействует растягивающим усилиям, возникающих в бетоне как при механическом воздействии, так и при усадке бетона в процессе твердения. Фибробетон должен отвечать требованиям к обеспечению равномерности распределения волокон по объёму бетонной смеси: наличие сгустков нераспределённых волокон обеспечивают неоднородность свойств материала и, как следствие, снижение прочности. При проектировании состава фибробетоной смеси особое внимание следует уделить количеству вводимой в бетонную смесь фибры: недостаток волокон, как и его избыток, оказывают отрицательный эффект при достижении задаваемых при проектировании свойств фибробетона. Также важную роль играет эффективность выбора материала фибровых волокон для обеспечения его химической, физической и температурной совместимости с бетоном. Как показывают результаты Стеклянное волокно имеет высокий модуль упругости такое свойство добавляет бетону пластичности.

 

3. Основные факторы влияющие на адгезию минеральной фибры к цементному камню

 

Чаще всего разрушение фибробетона происходит за счет вытягивания волокон из бетона в результате нарушения связи на границе раздела волокно – матрица, и, таким образом, за счет повышения прочности сцепления фибры с матрицей можно добиться максимального использования прочностных свойств самого волокна, вплоть до его разрыва в момент разрушения композита. Сцепление фибры с бетонной матрицей композита является результатом комбинированного проявления адгезии, трения и механического зацепления в зоне их контакта с цементным камнем. Влияние каждого из этих факторов на анкеровку волокон в матрице может быть различным и зависит от состава, структуры и свойств цементного камня, а также от материала фибр, их формы и размеров [25, 26]. Таким образом, основным механизмом увеличения прочности дисперсно-армированного бетона является увеличение прочности сцепления армирующего волокна с бетонной матрицей композита.

В то же время некоторыми авторами [44] отмечается резкое снижение эффективности влияния дисперсного армирования на прочность бетона при диаметре фибр от 0,6 мм и выше. Причиной такого эффекта являются, адгезионные свойства цементного камня с материалом заполнителя, а также соотношение между пористостью бетона и конструктивными размерами фибр и их размещением.

При осуществлении в этой системе графических построений диаметров фибр выявлено следующее:

– фибры диаметром до 0,4 мм при размещении по объему практически не контактируют с порами или контактируют не более чем в рассматриваемом сечении;

– размещение фибр диаметром от 0,5 до 0,8 мм вызывает контакт с 3 – 5 порами диаметром до 0,3 мм и одной диаметром до 0,5 мм;

– при увеличении диаметра фибры свыше 1,0 мм контакт поверхности фибры осуществляется уже с 5 порами диаметром до 0,3 мм и 3 – 4 диаметром 0,5 мм.

Расчеты показывают, что в первом случае доля потерь контактной поверхности фибры составляе до 3 %, во втором – до 20 %, а далее не превышает 27 % при увеличении диаметра анкерного элемента (рис.3.1).

 

Эффективной принято считать длину анкерования (lа) при условии, когда прочность закрепления фибры равна пределу прочности материала самой фибры:

lа=lф rф  =  rф2 пр

lф  =rф пр

kэ=lф/rф= пр/

где lа – эффективная длина заделки фибры; lф – технологическая длина фибры;  – удельное сцепление материала фибры с цементным камнем; пр –предел прочности материала фибры; kэ – коэффициент эффективной заделки фибры.

Анализ проведенных исследований показывает, что повышение прочностных характеристик фибробетона с применением фибр малого диаметра с высоким процентом насыщения, создает трудности с технологией приготовления смеси (при большом количестве образуется так называемые «ежи») и увеличивает вредное влияние в связи с повышением площадей ослабления. Поэтому выбор показателей насыщения и упрочения необходимо определять с учетом характера размещения фибр.

Особенности формирования и усиления контактной зоны «цементный камень-волокно» рассмотрены в работах. Отмечено, что образование кристаллического сростка цементного камня в стесненных условиях на границе между матрицей и волокнами может привести к трансформации конфигурации этого сростка, в том числе к направленной геометрии распределения кристаллов в его структуре сростка, создавая «эффект самоармирования» бетонной матрицы. На рисунке 3.1 схематически показана контактная зона со сформированными слоями новообразований вокруг волокна.

 

На границе контактной зоны бетонной матрицы и фибры положительный эффект вносит микрокремнезем, сокращающий в бетоне водоотделение, вызывающее под частицами заполнителя образование водных прослоек. Микрокремнезем поглощает излишки воды и уплотняет структуру, снижая пористость и улучшая прочность контактной зоны. При интенсивном формировании новообразований вследствие более глубокой гидратации

вяжущего происходит упрочнение структуры модифицированного цементного камня и повышение анкеровки волокон. Однако, вследствие наличия на поверхности фибры замасливающих препаратов и различных загрязнений возможно неравномерное формирование новообразований, ослабление контактной зоны и появление микродефектов[27].

Прочность на растяжение при изгибе является одним из важных показателей фибробетона, который зависит от содержания фибры и её длины, прочности её сцепления с бетонной матрицей, класса бетонной матрицы и превышает прочность исходного бетона в 3,5 – 5 раз. Прочность на растяжение при изгибе цементного камня с цементно – водным отношением более 3,2 существенно возрастает до объемного содержания фибры, равного 1%. Дальнейшее увеличение содержания фибры с 1 % до 3 %, т.е. в три раза, увеличивает прочность на растяжение при изгибе лишь на 17 – 20 % [28]. показания прочности при изгибе и жесткость, когда направление приложения нагрузки перпендикулярно направлению распределения волокон, ниже получаемых при приложении нагрузки параллельно направлению распределения волокон. Эффективность волокон (т.е. сопротивление волокон выходу из цементной матрицы) возрастает с увеличением соотношения сторон. Кроме того, адгезия между ними также возрастает с увеличением прочности матрицы. В фибробетоне с правильно соблюденными пропорциями компонентов, разрушение возникает из – за выхода фибр, даже с деформированными фибрами. Таким образом, различная геометрия фибр и взаимодействие матрицы с волокном могут повлиять на поведение фибробетона при изгибе. Динамическая прочность при сжатии (призменная) возрастает с увеличением объемного содержания фибры и уменьшением их относительной длины (на 35 % выше прочности исходного бетона) [29].

 

3.1 Влияние упругости фибры по адгезии к цементному камню

 

Материалы на основе портландцемента широко применяются в строительстве. Несмотря на неоспоримые достоинства они характеризуются низкой ударной прочностью, низким сопротивлением на разрыв и образованием усадочных трещин. Наряду с традиционным подходом, основанным на использовании стальной арматуры и металлических сеток, в последнее время находит все большее применение дисперсное армирование цементной матрицы с помощью волокон (фибр). Фибру производят из различных материалов, в различных конфигурациях, длинах и поперечных сечениях. [30]. Сцепление фибры с бетоном и повышение технологичности операций, в первую очередь, зависит от отношения длины фибры к ее диаметру (l/d), которое может изменяться в широких пределах и влиять на степень анкеровки волокна в бетонной матрице, а также на технологические свойства фиброармированных бетонных смесей [45]. В механике композитов с дисперсным армированием при оценке влияния длины волокна (фибры) используется относительный параметр l/d, при этом считается, что наибольший армирующий эффект достигается при l/d≈ 60…100. При больших значениях этого параметра (больших длинах волокон) армирующий эффект ухудшается ввиду комкования волокон и ухудшении однородности структуры. Влияние объемной концентрации фибры реализуется, начиная от некоторого уровня, обусловливающего достижение начальной объемно – пространственной связности фиброструктуры. Только после достижения «непрерывности» фиброармирования начинает ощущаться его позитивное влияние на характеристики исходного бетона – матрицы. Согласно В.В. Бабкову, такие условия для игл при l/d = 100 наступают при объемной концентрации около 0,3 % [46].

Технологический процесс изготовления фибробетона должен обеспечить равномерное распределение фибры в объеме, при этом расположение элементов фибры получается хаотичным и в полной мере упругие и прочностные свойства фибры не используются. Совместность работы бетона и фибры обеспечивается,

главным образом, сцеплением по их поверхности. Для некоторых видов фибры, в частности стальной, дополнительное сцепление получается за счет устройства анкеров в виде утолщений или загибов на концах фиброэлементов. Материалы, применяемые в качестве фибры, были поделены на три класса по величине собственного модуля упругости в сравнении с модулем продольной упругости бетона (Еc = (0,2…0,25) ·105 МПа):

высокомодульную, среднемодульную и низкомодульную фибру.

К высокомодульной фибре (Еf > Еc) относятся волокна углерода

(Е = (2…3,5) ·105 МПа) , волокна бора (Е = 4,22 ·105 МПа), стальная фибра (Е = 2 ·105 МПа) и т. п. Наибольшее распространение получила сравнительно недорогая стальная фибра, которая имеет различную конфигурацию и изготавливается штамповкой из листа, резкой из тонкой проволоки, фрезерованием специальных слябов и т. д. Имея прочность на растяжение от 400 до 1100 МПа и высокую по сравнению с бетоном жесткость , при достаточной анкеровке в бетоне стальная фибра может давать максимальный вклад в работу композита при статической нагрузке в стадиях до и после образования трещин. К среднем одульной фибре, упругие свойства которой соизмеримы со свойствами бетона, относятся стекловолокно (Е = 0,7 ·105 МПа), минеральные волокна.

Для дисперсного армирования бетона используется специальное щелочестойкое стекловолокно, например марки СЦ–6, имеющее нормативное сопротивление растяжению до 1100 МПа. Обычное алюмоборосиликатное стекловолокно растворяется в щелочной средтвердеющего бетона и требует специальной защиты.

К низкомодульной фибре (Еf < Еc) относятся натуральные волокна (хлопок, дерево и др.), полимерные волокна.

Представляет интерес полипропиленовая фибра (Е = (0,04…0,08) ·10^5 МПа), которая сочетает высокую химическую стойкость, легкость, широкий температурный диапазон применения, неэлектропроводность, радиопрозрачность и довольно высокую механическую прочность – до 500 МПа.

В работе использовалась методика расчета модуля упругости бетона в зависимости от свойств заполнителя и цементного камня [31]. В нашем случае заполнителем служат фиброэлементы, а матричным материалом – мелкозернистый бетон с известными упругими свойствами. Учитывая существенную схематизацию материала, расчет ограничивается наиболее простыми зависимостями, присущими упругой деформации.

Выделим элементарный объем материала вокруг одного фиброэлемента (рис. 3.1.1). Тогда объемное содержание фибры можно выразить так:

 

Рассмотрим два крайних расположения фиброволокна в бетонной матрице по отношению к растягивающей (сжимающей) нагрузке: вдоль и поперек. Сцепление между бетоном и фиброй будем считать идеальным. Определим модуль упругости слоя I, в котором фибра расположена вдоль приложенной нагрузки (рис. 3.1.2).

 

 

Допуская сохранение целостности выделенного слоя, можно утверждать, что упругие продольные деформации ε матрицы и фиброэлемента одинаковы и по закону Гука равны:

где σc и σf – напряжения в бетоне и

фиброэлементе соответственно; σ – усредненные напряжения по поперечному сечению выделенного элемента;

ЕI, Ес, Еf – модули продольной упругости слоя I, бетона и фиброэлемента соответственно.

Поверхностное содержание фибры по поперечному сечению выделенного слоя равно

На границе между бетонной матрицей и фиброй напряжение будет меняться скачкообразно. Определим усредненное напряжение в слое I по формуле

Выразим напряжения σc и σf через модули упругости и подставим результат в формулу (3:4):

Откуда модуль упругости слоя I Равен

Определим модуль упругости слоя II, в котором фибра расположена поперек приложенной нагрузки (рис. 3.1.3).

 

Погонное содержание фибры по высоте выделенного объема равно

Продольная деформация всего выделенного слоя будет складываться из деформаций входящих материалов:

Выразим деформации через результирующее напряжение по закону Гука:

После преобразований получаем модуль упругости слоя II:

Введем в дальнейший расчет модули упругости ЕI и ЕII как упругие характеристики слоев, входящих в выделенный объемный элемент, в котором бетонная матрица окружает фиброэлемент со всех сторон.

Для варианта с продольным расположением фиброэлемента относительно приложенной нагрузки (рис. 4, а) определим модуль упругости фибробетона по формуле (3:10), подставляя вместо Ef модуль упругости слоя EI (формула (3:6)):

Для варианта с поперечным расположением фиброэлемента относительно приложенной нагрузки (рис. 3.1.4, б) определим модуль упругости фибробетона по формуле (3:6), подставляя вместо Ef модуль упругости слоя EII (формула (3:10)):

 

 

По формулам (3:11) и (3:12) были сделаны расчеты начального модуля упругости фибробетона при наиболее распространенном объемном содержании фибры: от 0,008 до 0,03 (от 0,8 до 3 %). Фибра в расчетах представлена материалами из разных групп модульности: сталь, стекло и полипропилен.

В качестве исходных модулей упругости материалов выбраны следующие усредненные значения: для бетонной матрицы – Ес = 0,2 ·105 МПа; для стальной фибры – Еf = 2 ·105 МПа; для стеклянной фибры – Еf = 0,7 ·105 МПа; для полипропиленовой фибры – Еf = 0,05 ·105 МПа.

Результаты расчета начального модуля упругости фибробетона в зависимости от объемного содержания фибры разной модульности при ее продольном и поперечном расположениях сведены в табл. 3.1.1

Табл.3.1.1. Результаты расчета начального модуля упругости фибробетона

Схемы (см. рис.3.1. 4) представляют собой полярные случаи расположения фиброэлементов в бетонной матрице по отношению к действующей нагрузке. Влияние на упругие свойства фибробетона промежуточных (наклонных) положений фиброэлемента будет находиться между результатом по формуле (3:11) и результатом по формуле (3:12). Окончательное значение начального модуля упругости фибробетона было получено усреднением величин, представленных в табл. 1. Возможна корректировка свойств фибробетона в зависимости от длины фиброволокна и количества фиброэлементов, попавших в плоскость разрушения [32].

Величина начального модуля упругости фибробетона в зависимости от вида и объемного содержания фибры показана на графике (рис. 3.1.5). Выбор оптимального содержания фибры позволит моделировать заданные упругие свойства фибробетона с одновременным увеличением прочности, так как большинство фиброматериалов обладают по сравнению с бетоном более высокими прочностными свойствами, особенно на растяжение. Предел прочности на растяжение для фибробетона может достигать 26 МПа, тогда как для обычного бетона он не превышает 5,5 МПа.

По показателю работы разрушения фибробетон может в 15 – 20 раз превосходить бетон [33]. Область применения фибробетона в значительной степени зависит от его упругих свойств. Стальная высокомодульная фибра повышает прочность и пластичность бетона, сравнительно недорога, но существенной проблемой является комкование фибры при замесе. Более жесткие фиброэлементы воспринимают большую долю нагрузки, разгружая бетонную матрицу, поэтому такой материал хорошо себя проявляет при строительстве зданий повышенной взрыво и взломоустойчивости, например здание Центрального Банка России в г. Москва. Для дорожного покрытия применение сталефибробетона ограничено из – за возможной коррозии стали от действия атмосферных осадков, а более высокие упругие свойства в стесненных условиях будут создавать дополнительные температурные напряжения при перепаде температур. Сопротивление ударным нагрузкам нельзя прогнозировать однозначно, так как рост прочностных свойств материала может быть нивелирован уменьшением его деформативной способности.

 

Среднемодульная стеклофибра кроме того, что имеет хорошую жаростойкость, не комкуется при смешивании. Она должна уменьшить трещинообразование, скрепляя цементный камень огромным количеством тонких нитей. По исследуемым показателям она больше подходит для объектов дорожного строительства, чем стальная фибра, так как меньше реагирует на перепады температур, не корродирует во влажной среде, более устойчива к ударным нагрузкам благодаря увеличению прочности при незначительном увеличении жесткости. Стеклянная фибра более близка по упругим свойствам к бетонной матрице, что должно дать наибольший эффект при атмосферном воздействии: уменьшить развитие внутриструктурных усадочных напряжений от циклического замачивания-высушивания и нагревания – охлаждения.

Использование низкомодульной полипропиленовой фибры препятствует образованию усадочных трещин на этапе изготовления, повышает морозостойкость при эксплуатации. Понижение модуля упругости фибробетона способствует его лучшей деформативности, что гасит энергию удара и уменьшает напряжения при перепаде температур для конструкций, работающих в стесненных условиях. Полипропилен обладает еще одним ценным качеством: обладая прочностью, как сталь и выше, почти в 9 раз легче стали, что важно при больших объемах бетонных работ. Высокая технико-экономическая эффективность использования фибробетона может быть достигнута при учете максимального снижения материалоемкости и собственного веса конструкции за счет использования тонкостенных элементов повышенной прочности. Простая замена бетона на фибробетон не позволит полностью реализовать его ценные свойства и получить ощутимый экономический эффект. Для ведения проектировочных расчетов необходимо знать характеристики упругости и прочности материала, в частности модуль продольной упругости, известные данные по которому для фибробетона недостаточны или противоречивы [34].

 

3.2 Влияние вида поверхности фибры на адгезию к цементному камню.

 

С физико – химической точки зрения адсорбция зернистых дисперсных частиц на поверхности волокна включает следующие этапы:

– перемещение ионов и мельчайших зернистых дисперсных частиц к поверхности волокна;

– формирование упругого контакта между зернистой частицей и наружной поверхностью волокна;

– диффузию мельчайших дисперсных частиц из поверхностного слоя в толщу волокон;

– закрепление новообразований цементного камня в толще и на

Поверхности.

На поверхности волокон потенциальный барьер достигает такой величины, что в воздушно – сухих условиях возможность приближения отрицательно заряженных ионов практически исключается. При погружении волокрн в жидкую фазу пеносмеси в результате первичной адсорбции молекул воды на границе раздела фаз возникает двойной электрический слой (ДЭС) ионов, в котором протекают процессы вторичной или обменной адсорбции ионов. ДЭС объясняется диссоциацией поверхностных электрически активных групп, входящих в состав макромолекул волокнообразующего полимера и ориентацией дипольных молекул воды. Так образуется дипольный ДЭС на поверхности волокнистой твердой фазы. Изучение электрокинетических свойств синтетических волокон показало, что после образования ДЭС взаимодействие волокон с ионами зернистой твердой фазы, находящимися в растворе представляет собой вторичную адсорбцию или ионообмен, приводящий к изменениям в ДЭС, Повышение концентрации ионов электролитов Са(0Н)2 и др., приводит к сжатию диффузной части ДЭС, благодаря чему ионы вяжущего могут приближаться на такие близкие расстояния к поверхности волокна, когда начинает проявляться действие сил специфической адсорбции ионов или частиц, в том числе заряженных одноименно с поверхностью волокна. И в том и в другом случае адсорбция изменяет состав адсорбционной части ДЭС, что отражается на изменении величины и знака потенциала и дальнейшем ходе процесса адсорбции на волокне. Многочисленными исследованиями установлено, что изменение потенциала волокон при изменении температуры жидкой фазы носит сложный характер. Однако в интервале температур от +20°С до +100°С существенного изменения значений потенциала не обнаружено. Детальное исследование электрокинетических свойств поверхности волокон в жидких фазах различного вещественного состава с целью установления корреляции между электрокинетическим потенциалом и поведением волокон при адсорбции и других процессах показало, что величина потенциала оказывает существенное влияние на характер адсорбции твердой фазы волокнами. Способность набухать, поглощать и сорбировать влагу и твердую фазу существенно зависит от особенностей надмолекулярной структуры волокна. Диффузия частиц твердой фазы ограничивается аморфными областями, не затрагивая кристаллических. Надмолекулярная структура волокна предопределяет такие свойства как величина внутренней поверхности, пористость, способность к набуханию, поглощению влаги и термические свойства, которые, в свою очередь, играют важную роль в сорбции и фиксации твердой фазы на поверхности волокна. Средством управления растворимостью зернистых частиц твердой дисперсной фазы является введение в раствор поверхностно – активным веществом. По современным представлениям цементное тесто состоит из твёрдых дисперсных частиц, находящихся внутри коллоидного раствора. Между твердой фазой и коллоидно растворимой существует подвижное равновесие. Когда в цементно – водную суспензию добавляются поверхностно – активным веществом, то, в связи с уменьшением вязкости, растет мера гидрофильности воды по отношению к частицам твердой фазы. Подвод внешней энергии для перемешивания компонентов смеси, создает условия для вовлечения газовой дисперсной фазы. По мере вовлечения газовой фазы содержание поверхностно-активным веществом в воде уменьшается и происходит обратный процесс – повышение поверхностного натяжения воды и её вязкости. Этот процесс осуществляется параллельно с диспергациеи вяжущего, что ведет к интенсивному уменьшению количества свободной межчастичной воды и повышению сил сцепления между всеми видами частиц твердой дисперсной фазы [35].

В ходе многолетних исследований в лабораторных и промышленных

условиях было установлено, что изделия, армированные полипропиленовыми волокнами, характеризуются значительными деформациями даже при небольших нагрузках растяжения, что объясняется низкой адгезией полипропилена в цементной матрице. Кроме того, такие изделия с течением времени теряют свои прочностные свойства, имеют высокую истираемость поверхности и горючесть при воздействии на волокно открытого пламени. Основными недостатками металлических волокон является катодный эффект и нестойкость к агрессивной среде цементных растворов. В свою очередь, базальтовая фибра по своим характеристикам лишена данных недостатков. В связи с этим возникает необходимость исследования бетонных изделий армированных базальтовой фиброй. Исследованиями, проведенными совместно с Научно – исследовательским институтом строительных материалов и изделий (г. Киев) и Киевским Национальным транспортным университетом, установлено, что бетонные изделия, армированные базальтовой фиброй, характеризуются повышенной долговечностью, значительной прочностью на сжатие, морозостойкостью и др. Все это объясняется тем, что структура бетона, армированного базальтовой фиброй (БАБФ), близка к структуре, армоцемента с арматурой из стальной сетки. Однако БАБФ обладает более высокой прочностью и стойкий к деформациям, т.к. армирующая его фибра обеспечивает более высокую степень дисперсности армирования бетонного камня и сам базальтовый материал обладает более высокой, чем стальная сетка, прочностью. Кроме того, БАБФ может переносить большие упругие деформации потому, что базальтовое волокно при растяжении не подвергается пластической деформации, а по упругости превосходит сталь. [36], показали, что область контакта между фиброй и матрицей характеризуется плотным соприкосновением поверхностей и отсутствием трещин и зазоров. (Рис. 3.2.1)

---

Страницы:   1   2   3