Введение к работе
з
Актуальность работы. Перспективность применения металлобетонов, сочетающих пластичную металлическую матрицу и твердые и прочные неметаллические армирующие компоненты, определяется совокупностью физико-механических и эксплуатационных свойств, так как с одной стороны пластичная матрица позволяет изделию работать в условиях растягивающих и изгибающих напряжений, ударных нагрузок, повышенных температур, а с другой стороны жесткий каркас из гранул обеспечивает высокую прочность при сжатии. Удешевление металлобетонных изделий, по сравнению с металлическими, обеспечивается за счет замены части металла менее дорогим неметаллическим заполнителем. А по сравнению с традиционными металлокомпозитами - за счет замены дорогостоящих армирующих элементов (высокопрочных волокон, тугоплавких мелкодисперсных частиц и др.) отходами различных производств (металлургических шлаков, керамического и стеклянного боя, отходов абразивов и камнепиления, стекловат-ного производства, отсева щебня и т.п.). При этом решаются вопросы утилизации отходов и снижения техногенной нагрузки на окружающую среду.
Наиболее рационально применение металлобетонов в конструкциях, испытывающих ударные, динамические, сжимающие нагрузки с одновременным воздействием агрессивных сред, температуры, радиации. Это могут быть несущие конструкции подземных сооружений, плиты, хранилища радиоактивных отходов и защитные сооружения, аэродромные покрытия, плиты полов в "горячих" цехах и т.д.
При создании металлобетонов из-за недостаточной разработки теоретических положений возникают проблемы, связанные с выбором компонентов, для обеспечения изделий необходимым комплексом свойств. Отсюда вытекает цель исследования.
Цель работы - создание новых металлобетонных композиций на основе изучения природы и закономерностей образования соединений между металлической матрицей и неметаллическим заполнителем.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
сформулировать критерии выбора матриц и заполнителей в металлобе-тонах;
определить природу связи и механизмы образования адгезионных соединений между компонентами;
разработать методы оценки технологической прочности и условия сохранения сплошности композита в процессе изготовления;
разработать методику оптимизации геометрических параметров заполнителей и матриц для прогнозирования прочности металлобетонов;
создать новые композиции и разработать методы их изготовления.
Научная новизна работы. На основе разработанной классификации типов адгезии в металлобетонных композициях установлено, что в пределах одного соединения между металлическими матрицами и многокомпо-
і
нентными заполнителями связь носит смешанный характер и характеризуется разными механизмами (от механической до физико-химической адгезии). Реализуемые механизмы связи будут определяться фазами, выходящими на поверхность заполнителя. Раскрыты закономерности изменения механических свойств металлобетонных композитов в зависимости от диаметра заполнителя, толщины прослойки и масштабного фактора (абсолютного размера гранул). Установлено, что для типичных металлобе-тонов зависимость носит экстремальный характер: чем больше прочность заполнителя, тем сильнее упрочняется матрица, и увеличение размера гранул способствует возрастанию прочности композиции в целом до определенного уровня, определяемого максимальным контактным упрочнением металлической прослойки и влиянием абсолютных размеров гранул. При дальнейшем возрастании размеров гранул, прочность композиции начинает снижаться из-за подавления эффекта контактного упрочнения усилением действия масштабного фактора.
Практическая ценность работы.
-
Определены принципы выбора компонентов в металлобетонных композициях с учетом их теплофизических, механических свойств, а также их кристаллографических особенностей.
-
Разработана методика оценки оптимальной температуры заливки металла, обеспечивающей минимальные напряжения и отсутствие трещин в матрице при кристаллизации.
-
Разработана методика оптимизации прочностных свойств металлобетонных композиций.
-
Создан новый экономичный металлобетон с пониженной радиационной проницаемостью на основе свинцовой матрицы и стекол, содержащих оксиды свинца и бора.
-
Разработаны новые способы изготовления металлобетонных изделий с применением металлургических и сварочных технологий, защищенные двумя патентами РФ.
Достоверность полученных результатов и выводов по.работе обеспечена обоснованным комплексом теоретических исследований с использованием компьютерного моделирования и физико-механических методов исследований (рентгеноструктурного, металлографического и радиографического), применением методов статистической обработки результатов, а также опытными испытаниями и их положительным практическим эффектом. Результаты работы нашли применение в учебном процессе.
Работа проводилась в соответствии с межвузовской научно-технической программой "Архитектура и строительство", грантов по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 8 научно-технических конференциях ВГАСА, международных конференциях "Сварка и родственные технологии в строительстве и стройиндустрии" в 1994 г. в Москве, "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" в 1995 г. в Белго-
роде, Международном симпозиуме памяти Одинга "Синергетика. Структура и свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии" в 1996 г. в Москве, "Повышение эффективности сварочного производства" в 1996 г. в Липецке, "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений" в 1997 г. в Белгороде; российской конференции с международным участием "Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-97" в 1997 г. в Воронеже, "Петровских чтениях" - "Металлургия сварки и сварочные материалы" в 1998 г. в Санкт-Петербурге, международной научно-практической конференции-школа-семинаре "Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века" в 1998 г. в Белгороде, Пятых академических чтениях РААСН в 1999 г. в г. Воронеже.
Публикации. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 17 печатных работах, в том числе - 2 патента РФ.
На защиту выносится:
-
Основы методики выбора компонентов в металлобетонах.
-
Классификация адгезионных соединений по механизмам взаимодействия между компонентами в металлобетонах.
-
Методика оценки технологической прочности металлической матрицы при кристаллизации в условиях стеснения усадки заполнителями.
-
Методы расчета напряжений в компонентах металлобетона при изготовлении (оценка сплошности компонентов и границы раздела между ними).
-
Расчетный метод оптимизации геометрических размеров компонентов для получения композитов с заранее заданными свойствами.
-
Новый экономичный металлобетонный композит системы свинец-стекло, содержащее оксиды свинца, для защиты от радиоактивного излучения.
-
Способы изготовления металлобетонов, основанные на индукционной и электрошлаковой технологиях.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, общие выводы, список использованных источников и приложения. Вся работа изложена на 220 страницах машинописного текста, включает 18 таблиц, 64 рисунка, список литературы из 122 наименования, 10 приложений.
