Введение к работе
Актуальность темы. Композиционные материалы (КМ), благодаря наличию комплекса уникальных физических свойств, стали объектом активного исследования учёных-физиков, технологов, механиков, и материаловедов. Наряду с улучшенными, по сравнению с однородными материалами, свойствами композиты обладают рядом преимуществ. В композитах повышение прочности не приводит к снижению вязкости, что часто наблюдается в однородных материалах. В КМ возможно конструировать структуру и, вследствие этого, проектировать анизотропию его физико-механических свойств. Это позволяет создавать материалы с заранее заданными свойствами с учётом анизотропии поля механической нагрузки, в котором в будущем предстоит им работать.
Сочетание высокой прочности и низкой плотности армирующих элементов открывает возможность значительного повышения удельной прочности материала, что важно с точки зрения энергоёмкости конструкций и машин. При имеющихся успехах в создании КМ, на начальных этапах развития, наука о композитах в большей степени относилась к технологам. За относительно короткий срок было получено большое число композитов на основе металлов, полимеров и керамики, были сформулированы основы механики их разрушения. Значительный вклад в создание механики деформирования и разрушения композитов внесли Розен, Цвебен, Келли, Ливщиц, Милейко, Тамуж и ряд других исследователей. В исследовании физических аспектов проблемы прочности и разрушения КМ большой вклад внесли В.Р. Регель, A.M. Лексовский, Б.Н. Нарзуллаев, А.С. Овчинский, Т. Б. Бобоев и др.
Результаты систематических исследований механизмов разрушения однонаправленных композитов позволяют прогнозировать прочность и долговечность волокнистых композитов различного строения с разным объёмным содержанием компонентов. Однако до настоящего времени работы, посвященные исследованию влияния внешних факторов на структуру, прочность и разрушение неоднородных композитов, по-видимому, из-за сложности экспериментального исполнения, не были выполнены.
Композиционные материалы на основе цементного камня, относящиеся к структурно-нерегулярным материалам, достаточно широко применяются в строительстве объектов различного назначения. Среди таких композитов керамзитобетон отличается хорошими теплофизическими и акустическими характеристиками, которые являются важнейшими при строительстве жилых и административных зданий. Несмотря на имеющиеся многочисленные работы по прочностным характеристикам цементного камня и композитов на его основе, влияние внешних факторов на образование структуры и их роль в процессе разрушения керамзитобетона, систематически не исследовались. Практически не исследовано влияние структуры на вязкость разрушения керамзитобетона.
Помимо отсутствия систематических данных по влиянию внешних факторов на такие интегральные характеристики, как прочность и долговечность керамзитобетона, до сих пор не раскрыт вклад структурных элементов, в том числе микро- и мезотрещин, которые образуются в теле композита при его эксплуатации, в вязкость разрушения материала.
В связи с этим представлялось важным и своевременным провести исследование влияния механического напряжения, температуры, влажности и их циклических изменений на структуру и разрушение композитов на основе цементного камня.
Можно полагать, что решение этих вопросов внесёт свой вклад в разработку теории создания материалов с заданными свойствами, необходимость, которой диктуется требованиями развития науки и техники.
Цель и задачи исследования. Целью работы является изучение влияния внешних факторов (время, температура, влажность, механическое напряжение и их циклические изменения) на структуру, прочность и вязкость разрушения композитов на основе цементного камня.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Исследование влияния температуры и времени отвердения на прочность цементного камня и керамзитобетона.
Исследование температурно-временной зависимости прочности композитов на основе цементного камня.
Исследование влияния термо- и влагоциклов на размеростабильность, прочность и вязкость разрушения композитов на основе цементного камня.
Исследование влияния фракционного размера керамзитного наполнителя на размеростабильность, прочность и разрушение композита.
Исследование влияния циклического нагружения на стабильность структуры и прочность керамзитобетона.
Акустоэмиссионное исследование кинетики разрушения цементного камня и композитов на его основе.
Научная новизна работы.
-Установлено стабилизирующее действие циклической механической нагрузки на структуру и прочность керамзитобетона.
-Установлено, что величина и знак изменения размеров керамзитобетона под действием термоциклов зависит от размеров фракций жёсткого наполнителя; композит с меньшими фракционными размерами наполнителя обладает большей размеро-механостабильностью, чем композит с большими размерами наполнителя.
-Показано, что термо- и механоциклирование не влияет на энергию активации разрушения керамзитобетона, но действие этих факторов сказывается на структурно-чувствительном параметре.
-Показано, что с уменьшением скорости нагружения происходит увеличение разрывной прочности керамзитобетона, что связано с активизацией гидратационных и релаксационных процессов под действием механической нагрузки.
-На основе анализа АЭ-сигналов при деформировании композитов установлено, что структурные микроповреждения становятся дополнительными каналами диссипации энергии при разрушении композита.
Основные защищаемые положения:
1.Способ эффективного управления процессами разрушения и стабилизации структуры композита путем регулирования гидратационных и деструкционных процессов, а также воздействием циклического механического нагружения.
2.Эффект влияния размера фракционного наполнителя на прочность и размеро-механостабильность композита при термо-влагоциклировании.
З.Способ стабилизации структуры композита путем воздействия температурно-временных факторов и циклического механического воздействия.
4.Эффект влияния термо-механоциклирования на величину структурно-чувствительного коэффициента у в уравнении Журкова.
5.Механизм термоциклического регулирования вязкости разрушения композитов на основе цементного камня и модель разветвления магистральной трещины на границе раздела фаз компонентов.
Практическая значимость результатов.
Обнаруженные в работе корреляция размеростабильности и прочности керамзитобетона от фракционного размера жёсткого наполнителя, вариации структуры и условий воздействия внешних факторов с целью управления работоспособностью и долговечностью композитов на основе цементного камня могут быть применены в производстве размеростабильных композитов и материалов с заданными прочностными свойствами. Кроме того, полученные экспериментальные результаты могут быть применены при чтении специальных курсов по физике прочности и пластичности твёрдых тел, в частности композиционных материалов.
Надёжность и достоверность полученных в работе результатов обеспечивается использованием современных методов физического эксперимента, большим количеством взаимодополняющих экспериментальных результатов, согласованностью с общефизическими представлениями о процессах деформирования и разрушения твёрдых тел.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: Международной конференции по современным проблемам физико-механических свойств конденсированных сред (Худжанд, 2002 г.); международной конференции «Современные проблемы физики конденсированных сред и астрофизики» (Душанбе, 2010 г.); конференциях молодых учёных ХГУ им. Б.Гафурова (Худжанд с 2002 по 2010гг.).
Публикации. По результатам работы опубликовано 10 статей, в том числе 4 в журналах из Перечня ВАК РФ, получен 1 малый патент Республики Таджикистан.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Содержание диссертации изложено на 128
страницах компьютерного текста. Количество иллюстраций-73, список литературы содержит 158 наименований.
