О свойствах цементного камня, армированного ориентированными стекловолокнами
Применение стеклянных волокон в качестве дисперсной арматуры позволяет увеличить прочность цементной матрицы на растяжение, ее трещиностойкость, ударную вязкость, сопротивление огневым воздействиям [1-5].Одной из основных проблем является получение стабильного во времени уровня прочности в стеклоармированном материале, обеспечение его надежной эксплуатации.
Исследования, проведенные в ЦНИИ-Промзданий, показали, что длительная прочность композиции с матрицей на основе минерального вяжущего, армированной стекловолокном, зависит в значительной мере от свойств вяжущего и вида волокон. Механические характеристики армированного материала - временное сопротивление, деформативность, трещиностойкость обусловливаются во многом компоновкой структуры композиции и соответственно теми неизбежными дефектами в структуре, качество и количество которых определяется технологическими методами изготовления образцов.
В связи с этим уместно отметить различия между <идеальной> моделью композиции и реальным материалом. Дисперсное и направленное армирование предполагает равномерное рассредоточение волокон в объеме матрицы и их принудительную ориентацию в направлении действующих усилий. Расстояние между волокнами устанавливается исходя из размеров эффективной зоны матрицы, способной передать усилия при действии нагрузки на волокна.
В реальных композициях распределение волокон в матрице не всегда оказывается равномерным. Не все волокна удается одинаково выпрямить (или с одинаковой степенью натянуть) в нужном направлении. Следует учитывать, что волокна не обладают равнозначной прочностью, поскольку неравнозначно количество и качество микродефектов на их поверхности. Наконец, нельзя не отметить трудности обеспечения совершенных и непрерывных контактов на границе раздела между волокном и матрицей.
Для изготовления опытных образцов использовали глиноземистый цемент марки М 400, а для части образцов- гипс (в качестве эталона) и гипсоцементно-пуццолановое вяжущее. Армирование осуществляли стекловолокном алюмоборосиликатного состава и базальтовыми волокнами диаметром 10 мкм. Ориентация волокон осуществлялась в направлении продольной оси образца. Водовяжущее отношение принимали равным 0,45 для образцов с цементной матрицей и 0,35- с гипсовой.
Образцы, предназначенные для испытаний на осевое растяжение, выполнялись в виде призм с поперечным сечением 10X15 мм и длиной 360 мм, концы которых имели клиновидную форму. На сжатие испытывались призмы длиной 80 мм с поперечным сечением 20Х Х20 мм. Деформации измеряли с помощью спаренных рычажных тензометров с ценой деления 0,001 мм на базе 20 мм.
Диаграмма зависимости между напряжениями итносительными деформациями при растяжении образцов цементного камня с различным содержанием дисперсной арматуры. При растяжении образцов цементного камня с дисперсной арматурой из ориентированных волокон наблюдаются четыре характерные стадии работы материала.
В первой стадии, вплоть до предела пропорциональности, соответствующего моменту образования трещин в образцах (точка А), напряжения в композиции возрастают с увеличением нагрузки. В работе принимают участие волокна и матрица.
С образованием трещин происходит переход во вторую стадию напряженного состояния композиции. Ширина раскрытия трещин в пределах второй стадии чрезвычайно мала и не превышает тысячных долей миллиметра.
После образования трещин в армированном материале можно условно рассчитать значения его модуля деформации без учета площади поперечного сечения матрицы, т. е- практически модуль деформации армирующих волокон.
Прямая деформации волокон в сечении с трещинами дана в предположении, что трещины имелись с начала загружения (деформация свободных волокон). После образования трещин в дисперсно-армированном материале матрица не выключается полностью из работы, однако ее участие по мере возрастания нагрузки к концу второй стадии существенно уменьшается. Имеются все основания считать, что к этому моменту (участок Б-С) напряжения, в отдельных, наиболее выпрямленных (натянутых) волокнах с наиболее серьезными дефектами на их поверхности достигают предельных значений, в результате чего часть из них разрывается. При этом напряжения на концах волокон падают и одновременно существенно возрастают касательные напряжения в зоне контакта волокон и матрицы.
Увеличение касательных напряжений при данном уровне загружения материала, как показывают расчеты, способно привести к нарушению сцепления между волокном и матрицей в зоне разрыва волокон. Нарушение адгезионной связи в последующем распространяется по длине волокна и, таким образом, эффективность его работы на участке большой протяженности может оказаться практически исчерпанной. При такой ситуации суммарная площадь рабочих волокон по мере увеличения нагрузки уменьшается по сравнению с начальной, а уровень напряжений в волокнах (при прочих равных условиях) увеличивается. Это, в свою очередь, может привести к последующему накоплению разрывов волокон.
Такой характер работы композиции при действии нагрузки подтверждается соответствующим изменением наклона линии графика <о-е> и последующим увеличением интенсивности роста деформации образцов. Композиция переходит в третью стадию напряженного состояния (участок С - Д). Шнрнна раскрытия трещин при этом возрастает до 0,01-0,05 мм, их можно обнаружить невооруженным глазом.
В четвертой стадии работы композиции (линия Е-Н) интенсивность роста деформаций с увеличением нагрузки несколько снижается. Наблюдается <упрочнение> композиции, которое также можно объяснить неравномерностью участия волокон в работе материала.
Испытания показали, что предел прочности армированных образцов при осевом растяжении возрастает линейно (независимо от вида вяжущего и волокон) по мере увеличения содержания волокон в образцах. Ппоказаны границы прочности стеклоармированных образцов с цементной и гипсовой матрицами при осевом растяжении в зависимости от процента армирования. Абсолютные значения прочности и их отклонения при растяжении зависят в основном от процента содержания в образцах армирующих волокон.
Предел пропорциональности, соответствующей моменту образования трещин в композиции, при растяжении повышается с гораздо меньшей интенсивностью по сравнению с ростом предельных значений прочности армированного материала. При содержании в образцах менее 1% волокон (от площади поперечного сечения) разрушение происходит практически одновременно с разрушением цементного (гипсового) камня, т. е. в момент образования в матрице первой трещины. С увеличением волокон в материале до 10% разница между напряжениями, при которых образуются трещины, и прочностью неармированного материала увеличивается более чем в 2 раза. Визуально фиксируемые трещины с шириной раскрытия 0,01-0,05 мм обнаруживаются при напряжениях, составляющих примерно 45-55% предела прочности композиции.
Прочность армированного материала на сжатие определяется главным образом прочностью матрицы. Повышение содержания волокон в матрице может привести к снижению ее сопротивления сжатию. При содержании в образцах 10% волокон прочность на сжатие композиции уменьшилась на 30с/о. Как известно, аналогичная картина наблюдалась также в ряде случаев при испытаниях армоцемента. Это объяснялось тем, что прн достаточно большой дисперсности тонкая и весьма гибкая арматура может ослабить сечение цементной матрицы, что в свою очередь приведет к снижению ее прочности на сжатие.
Влияние времени и окружающей среды на прочность образцов цементного камня с различными видами дисперсной арматуры. Начальная прочность образцов принята за 100%. Как видно из графика, прочность на растяжение цементного камня, армированного алюмоборосиликатными волокнами, при повышенной влажности воздуха снижается во времени даже в том случае, когда матрица выполняется на глиноземистом цементе. Влияние нормальных температурно-влажностных условий на прочность подобной композиции менее ощутимо.
Наиболее благоприятные результаты получены на образцах из глиноземистого цемента, армированных базальтовыми волокнами, а также в гипсовых отливках с дисперсной арматурой из алюмоборосиликатных волокон. Прочность композиционных материалов при растяжении в этом случае существенно превышает прочность неармированной матрицы и незначительно отличается от исходной прочности материала, даже спустя 10 лет после изготовления. Влияние среды твердения портландских цементов, как и непосредственное воздействие раствора Са(ОН)2 на аналогичную арматуру, более существенное: прочность армированных образцов в данном случае практически постоянно снижается [5]. Характерно, что щелочестойкие
В настоящее время существуют различные точки зрения в вопросах практического применения стеклоармированных материалов в строительстве. По нашему мнению, не следует преувеличивать возможности этого направления. Однако нельзя игнорировать тот факт, что в ряде случаев волокна могут значительно улучшить физико-механические свойства цементного камня.
Определенный интерес представляет применение волокон для армирования, прежде всего внутренних ограждающих конструкций - подвесных потолков, перегородок, воздуховодов, которые эксплуатируются, как правило, в сравнительно благоприятных условиях. Расчеты показывают, что тонкостенные стеклоармированные конструкции (с небольшим расходом волокон и цемента), изготавливаемые совместно с другими легкими и эффективными материалами: пенобетоном, пенопластами, фибролитом и т. п., при незначительной разнице их стоимости по сравнению с железобетонными могут обеспечить существенное (в 4 раза и более) снижение массы. По сравнению с аналогичными конструкциями из алюминия и стали может быть достигнута ощутимая экономия стоимости (в 2 и более раза). Представляет интерес использование волокон для армирования покрытий, облегченных навесных панелей, опалубочных изделий применительно к монолитным конструкциям, для упрочнения легких ячеистых бетонов, а также для конструкций, армирование которых назначается главным образом исходя из условий их транспортирования и монтажа.
Выводы
Решение вопросов, связанных с выбором минеральных волокон и вида вяжущего для армированных конструкций, следует осуществлять с учетом их функционального назначения и условий последующей эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Glass fibre reinforced high alumina cement. .Precast Concrete". 1972. 3, №12,
2. G r I m e r F. G., All M. A. The strength of cement reinforced with glass fibres. Magazine of Concrete Research". 1969, 21, № 66.
3. Majumdar A. J. Properties oi {|bre cement composites. .Fibre reinforced Cement and Concrete", Rilem Slmposlum, 1975, London.
4. Go h e п E. В., Diamonds. Vllldlty of flexural strength reduction as an indication of alkali attack on glass In fibre reinforced cement composites.
5. Пащенко А. А.. Сербии В. П. Армирование цементного камня минеральным волокном. УкрНИИТИ. Киев. 1970.
6. 3 а к А. Ф. Физико-химические свойства стеклянного волокна. М., Ростехнздат, 1962.
7. Андреевская Г.Д., Плнско Т. А. Некоторые физические свойства непрерывных базальтовых волокон.- <Стекло и керамика>. 1969, № 8.