Содержание к диссертации
Введение
1. Дисперсное армирование строительных композитов: состояние вопроса, проблемы и задачи развития исследований 11
2. Концепция и аналитические закономерности многоуровневого дисперсного армирования как средства повышения трещи-ностойкости 43
2.1. Масштабные уровни структуры композитов (на примере мелкозернистого бетона) 43
2.2. Анализ энергетических характеристик разрушения строительных материалов и разработка предложений по эффективному торможению трещин на масштабных уровнях их структуры 53
2.2.1. Анализ энергетических характеристик разрушения строительных материалов с многоуровневым дисперсным армированием и условие их трещиностойкости 57
2.2.2. Приведение объемно-произвольного (хаотического) дисперсного армирования к эквивалентному направленному 61
2.2.3. Аналитическая многопараметрическая оптимизация дисперсного армирования по критерию максимального напряжения трещинообразования 67
2.3 Выводы. Обоснование содержания экспериментальных исследований 73
3. Основные положения методологии и методики экспериментальных исследований 76
3.1. Общие положения системно-структурного подхода в исследованиях; характеристика объекта исследований 76
3.2. Характеристика сырьевых компонентов, условия изготовления образцов и методика оценки физико-механических свойств получаемых материалов 82
4. Экспериментальные исследования сопротивления разрушению цементных материалов с дисперсным армированием по отдельным их структурным уровням 87
4.1. Выбор «эталонного» мелкозернистого бетона для экспериментальных исследований на основе оптимизации его состава по критерию максимального сопротивления разрушению . 83
4.2. Экспериментальные исследования сопротивления разрушению при армировании материала на уровне цементирующего вещества (самомикроармирование) 92
4.3. Экспериментальные исследования сопротивления разрушению при армировании материала асбестовым волокном на уровне цементного микробетона (микроармирование) 106
4.4. Экспериментальные исследование сопротивления разрушению при армировании материала базальтовым волокном на уровне мелкозернистого бетона. 113
4.5 Выводы. 117
5. Экспериментальные исследования сопротивления разрушению цементных материалов с многоуровневым дисперсным армированием и разработка предложений по практической реализации результатов исследований . 119
5.1. Исследования сопротивления разрушению мелкозернистого бетона при армировании материала на двух масштабных уровнях структуры (мелкозернистого бетона - базальтовым, микробетона асбестовым волокном) 119
5.2. Исследования сопротивления разрушению при трехуровневом дисперсном армировании (на уровне структуры цементирующего вещества, цементного микробетона и мелкозернистого бетона) 125
5.3. Оценка эффективности работы армирующих элементов на масштабных уровнях структуры 131
5.4. Предложения по технологии повышения сопротивления строительных композитов разрушению многоуровневым дисперсным армированием и их практическая реализация 138
5.5. Оценка технико-экономической эффективности разработанных предложений 143 5.6 Выводы 145
Основные выводы 147
Список литературы
- Масштабные уровни структуры композитов (на примере мелкозернистого бетона)
- Общие положения системно-структурного подхода в исследованиях; характеристика объекта исследований
- Выбор «эталонного» мелкозернистого бетона для экспериментальных исследований на основе оптимизации его состава по критерию максимального сопротивления разрушению
- Исследования сопротивления разрушению мелкозернистого бетона при армировании материала на двух масштабных уровнях структуры (мелкозернистого бетона - базальтовым, микробетона асбестовым волокном)
Введение к работе
Актуальность проблемы. Сопротивление строительных конструкционных материалов разрушению определяется способностью их структуры препятствовать образованию и росту трещин. Обеспечение эффективной работы изделий при эксплуатации непосредственно связано с задачами создания и получения материалов не только с более высокой прочностью, но и с меньшей хрупкостью, то есть с высоким сопротивлением развитию и распространению трещин. Эти задачи определяют современные приоритеты строительного материаловедения.
В настоящее время можно говорить о новом этапе развития науки о бетоне - этапе управляемого структурообразования и получения материала с задаваемыми свойствами. Вхождение в этот этап является результатом достижений в научном строительном материаловедении, глубокого понимания процессов структурообразования и раскрытия закономерных взаимосвязей в системе «состав - структура - состояние - свойства» материала.
Управление структурой, модифицирование и совершенствование структуры материала, принципиальное улучшение на этой основе его свойств достигается комплексной системной химизацией состава, введением новых структурных элементов, и в том числе, блокирующих развитие трещин в бетоне - им-прегнирование вязкопластичных компонентов, дисперсное армирование и др.
Проблема повышения трещиностойкости бетонов дисперсным армированием нашла свое отражение во многих научных работах и это обеспечило значительное улучшение их качественных характеристик, однако практика предъявляет новый уровень требований к бетонам, и это объясняется применением их не только в обычных, но и, так сказать, в особых и экстремальных условиях, в конструкциях новых архитектурных форм.
Актуальным направлением решения проблемы повышения трещиностой кости бетонов, а в их числе и мелкозернистых, может являться не только одноуровневое (традиционное), но и многоуровневое дисперсное армирование их структуры, рассматриваемое как средство торможения трещин на соответствующих структурных уровнях различного масштаба. Применение многоуровневого дисперсного армирования структуры с целью повышения трещиностойко-сти может создать предпосылки для получения бетонов нового поколения с более широкими их функциональными возможностями. Бетоны с многоуровневым дисперсным армированием окажутся востребованными в тех областях, где необходимы повышенная трещиностойкость, прочность на растяжение, высокая ударная вязкость и износостойкость. В этом смысле речь может идти о тонких оболочках, тонкостенных панелях со сложным рельефом, пустотелых балках, трубах, резервуарах, покрытиях дорог, аэродромов, защитных элементах и т. п.
Необходимость решения задач повышения трещиностойкости требует развития и научной разработки теоретических и практических вопросов материаловедения бетонов с многоуровневым дисперсным армированием. С этим актуальным направлением и связаны цель, задачи и содержание представляемых в диссертации результатов исследований.
Целью работы является аналитическое рассмотрение закономерностей многоуровневого дисперсного армирования структуры материала как средства повышения его трещиностойкости, экспериментальное исследование закономерностей влияния многоуровневого дисперсного армирования структуры на сопротивление разрушению и трещиностойкость мелкозернистого бетона, обоснование на этой основе рекомендаций по повышению трещиностойкости мелкозернистого бетона посредством многоуровневого дисперсного армирования его структуры.
В соответствии с целью работы сформулированы задачи исследований:
1) рассмотреть с учетом полиструктурности строительных композитов модель их многоуровневого трещинообразования и дисперсного армирования;
2) на основе модели многоуровневого трещинообразования и соответствующего дисперсного армирования структуры композита предложить обобщенную зависимость для энергетического баланса торможения трещин в композите при введении армирующих элементов на различных масштабных уровнях структуры;
3) экспериментально изучить сопротивление разрушению материала при индивидуальном армировании на уровне новообразований цементного камня, на уровне микробетона, мелкозернистого бетона и при многоуровневом дисперсном его армировании;
4) разработать предложения по технологии эффективного повышения трещиностойкости мелкозернистых бетонов при многоуровневом дисперсном армировании их структуры.
Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области основ материаловедения, механики деформируемого твердого тела, механики разрушения композитов, статистической теории прочности, современного бетоноведения. Информационную базу составляют монографические работы, материалы научно-технических конференций, статьи в научных сборниках и периодических изданиях по исследуемой проблеме.
Работа выполнена в рамках системно-структурного подхода к рассмотрению свойств материала как функции его состава, структуры и состояния. При проведении исследований использовались физико-химические методы оценки характеристик структуры, методы активного планирования экспериментов, регрессионный, корреляционный методы анализа и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.
Исследования и разработки, обобщенные в диссертации, выполнены автором в 1998 - 2001 гг. в Проблемной научно-исследовательской лаборатории силикатных материалов и конструкций, на кафедре технологии вяжущих веществ и бетонов Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Диссертационные исследования проводились в рамках госбюджетных НИР Минобразования РФ: по единому заказ-наряду «Исследование закономерностей структурного материаловедения и разработка экологически чистых, ресурсоэкономичных строительных материалов и технологий их производства, в том числе на основе техногенного сырья» (1998 - 2000); по грантам в области актуальных проблем архитектуры и строительных наук «Развитие научно-прикладной проблемы конструирования строительных композитов с конгломератным типом строения на основе закономерностей механики разрушения» (1998) и «Развитие методологических основ и принципов компьютерного конструирования строительных композитов с конгломератным типом строения» (1999 - 2000); прикладные диссертационные исследования выполнялись в составе ряда хоздоговорных работ с промышленными предприятиями. Научная новизна работы:
- разработана модель многоуровневого дисперсного армирования структуры материала с учетом многоуровневого трещинообразования;
- выполнен анализ энергетических характеристик разрушения строительных композитов с многоуровневым дисперсным армированием и предложено аналитическое выражение для расчета напряжения в бетоне с многоуровневым дисперсным армированием при трещинообразовании в зависимости от параметров структуры материала и характеристик армирующих элементов;
- осуществлена аналитическая многопараметрическая оптимизация дисперсного армирования по критерию максимальной трещиностойкости материала;
- экспериментально выявлены зависимости в системе «рецептурно-тех-нологические факторы» - «параметры структуры» - «трещиностойкость» при армировании материала как индивидуально на отдельных структурных уровнях, так и в случае двух- и трехуровневого дисперсного армирования; поставлены и решены оптимизационные задачи управления структурой мелкозернистого бетона с многоуровневым дисперсным армированием с целью обеспечения задаваемой трещиностойкости материала.
Практическое значение работы определяется обоснованием условий существенного (в несколько раз) повышения трещиностойкости мелкозернистых бетонов при многоуровневом дисперсном армировании его структуры.
Указанные составляющие научной новизны и практической значимости работы являются положениями, выносимыми на защиту диссертации.
Практическая реализация работы. По результатам исследований разработаны и переданы на производство «Рекомендации по изготовлению мелкозернистого бетона повышенной трещиностойкости с многоуровневым дисперсным армированием»; ряд положений используется в учебном процессе Воронежского государственного архитектурно-строительного университета при изучении студентами специальности 2906.00 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» дисциплин «Проблемы материаловедения», «Основы и методы научных исследований», «Основы технического творчества и патентоведения».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (1998 - 2001 гг.), на Пятых (г. Воронеж, 1999 г.), Шестых (г. Иваново, 2000 г.) и Седьмых (г. Белгород, 2001 г.) академических чтениях «Современные проблемы строительного материаловедения» отделения строительных наук РААСН.
Публикации: по результатам исследований опубликовано 10 статей, подготовлены разделы 3-х научно-технических отчетов по тематике госбюджетной НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, содержит 188 страниц машинописного текста, включая рисунков, 24 таблицы, список литературы из 148 наименований, 5 приложений. Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук, доценту Е.И. Дьяченко за консультации при выполнении экспериментальных исследований по диссертации.
Масштабные уровни структуры композитов (на примере мелкозернистого бетона)
В данной главе рассматриваются вопросы иерархии трещин по масштабным уровням структуры, проводится анализ энергетических характеристик разрушения и выдвигается условие трещиностоикости строительных материалов с многоуровневым дисперсным армированием. Осуществлена аналитическая многопараметрическая оптимизация дисперсного армирования по критерию максимального макроскопического напряжения трещинообразования - величины, при превышении которой рост трещин в бетоне становится энергетически возможным процессом. Разработаны предложения по эффективному торможению трещин при многоуровневом дисперсном армировании, касающиеся вопросов рационального назначения размеров и объемной доли армирующих элементов.
Реализация закономерностей в повышении эффективности композитов возможна на основе знаний об управлении сопротивлением разрушению получаемых материалов путем многоуровневого дисперсного армирования на технологических этапах выбора исходных компонентов, проектирования составов сырьевых смесей, оптимизации условий их перемешивания, формования, твердения и т. д.
Структура бетонов состоит из нескольких масштабных уровней (в порядке увеличения масштаба): отдельного кристалла, кристаллического сростка, цементирующего вещества, цементого микробетона, мелкозернистого бетона, крупнозернистого бетона. Каждому из уровней соответствует свой структурный элемент (включение), выступающий в роли концентратора напряжений: дефекты кристаллической решетки, поры кристаллического сростка, капиллярные поры, остаточные частицы цемента, макропоры или зерна заполнителя.
На масштабном уровне крупнозернистого бетона роль матрицы исполнят мелкозернистый бетон, в роли включений могут быть зерна заполнителя, макропоры.
На масштабном уровне мелкозернистого бетона матрицей является цементный микробетон, в роли включений в зависимости от вида и назначения бетона выступают зерна заполнителя, поры воздухововлечения, ячеистые поры (ячеистый силикатный бетон).
На масштабном уровне цементного микробетона роль матрицы играет цементирующее вещество, роль включений - непрореагировавшие зерна цемента.
Уровень цементирующего вещества представляется состоящим из матрицы (кристаллического сростка) и включений - пор цементирующего вещества.
Кристаллический сросток цементирующего вещества также может быть представлен как масштабный уровень структуры. Кристаллический сросток (по классификации А.Ф.Щурова - кристаллит) можно рассматривать как композит особого типа [84, 85], в котором неоднородность создается контактами кристаллов.
На уровне отдельного кристалла роль матрицы играет кристаллическая решетка из анионов и катионов, а роль включений (неоднородностей) - вакансии, замещения, дислокации, поверхностные трещины кристалла.
Включения в бетонах выполняют двоякую роль. С одной стороны, как структурные элементы они играют структурообразующую роль, с другой стороны, они являются своеобразными дефектами и при действии механических нагрузок становятся концентраторами напряжений. В силу гетерогенного строения бетонов концентрация напряжений в них носит локальный характер [146]. Локальный, то есть местный характер концентрации напряжений, обуславливает объективное формирование неоднородного в объеме материала поля напряжений.
Естественно предположить, что концентрация напряжений в материале проявляется вблизи включений на всех его масштабных уровнях структуры. Величина напряжения, возникающего на каждом последующем уровне структуры материала, будет усиливаться от действия включений каждого предыдущего уровня структуры. Причем максимальные напряжения на каждом последующем уровне структуры будут создаваться в зонах максимальной концентрации напряжений каждого предыдущего уровня структуры. Результатом такого последовательного усиления будет являться то, что напряжение, "ответственное" за процесс образования, развития трещины и разрушение материала, становится много больше средней величины макроскопического напряжения, определяемого в расчете на все рабочее сечение материала. В общем виде усиление напряжений в материале может быть отражено зависимостью [53, 86]:
Умах=/(кьк2,...,кп)ао, (2.1) где - амах максимальное локальное напряжение, ответственное за процесс образования, развития трещины и разрушение материала; а0 - среднее макроскопическое напряжение от действия нагрузки Р в расчете на все сечение материала F, т0 = P/F; к - коэффициент усиления напряжений по "я" масштабным уровням от действия соответствующих им концентраторов напряжений.
Общие положения системно-структурного подхода в исследованиях; характеристика объекта исследований
В системно-структурном материаловедении, к области которого относятся проводимые теоретические и экспериментальные исследования, работоспособность, безотказность работы конструкции в условиях эксплуатационных воздействий рассматривается как функция заложенного в процессе формирования структуры материала его потенциала сопротивления разрушению.
Необходимо указать, что осуществляемые исследования являются развитием одного из трех концептов сопротивления разрушению, предложенных Е.М. Чернышовым (третьего концепта) [53].
Создание дополнительных связей в композите соотносится с первым из трех концептов управления сопротивлением разрушению: обеспечение системы физических и физико-химических связей. Распределение связей в материале -со вторым: равномерное размещение их в объеме композита. Повышение сопротивления композита росту трещин - с третьим концептом: создание условий торможения развития процесса трещинообразования.
Согласно системно-структурному подходу, свойства строительных материалов находятся в непосредственной взаимосвязи с их строением и предназначением конструкции, как это указано на рис. 3.1.
В материаловедении системно-структурный подход изучает объекты в качестве систем элементов под углом зрения их структуры и характеризуется совместным рассмотрением строения и функционирования этих систем [108, 109]. В рамках структурной механики композитов, базирующейся на системно-структурном подходе, получили развитие теория искусственных строительных конгломератов [ПО] и полиструктурная теория [111, 112] с привлечением понятий кластеров и перколяции [113, 114].
В последние десятилетия формируется фрактальная механика разрушения (термин B.C. Ивановой [115]).
Базисом перечисленных теорий являются философские, гносеологические и логико-методологические принципы системно-структурного подхода. Родоначальниками общей теории систем, пришедшей на смену механистического мировоззрения, являются А. А. Богданов, А.Б. Новиков, Н.А. Белов, Е.С. Федоров, Г.Ч. Браун, Р.В. Селларс, Л. фон Берталанфи, У. Росс Эшби. Можно выделить некий инвариант термина «система» [116]: - система представляет собой целостный комплекс взаимосвязанных элементов; - она образует целое единство со средой; - как правило, любая исследуемая система является элементом системы более высокого порядка; - элементы любой исследуемой системы, в свою очередь, выступают как системы более низкого порядка.
Определение структуры в общей теории систем звучит как «совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающая сохранение его основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях» [117]. Структура есть способ функционирования системы, ее бытия, форма поддержания системы. Это понятие однопорядково с понятием «закон». Закон отражает существенное в явлении, а структура - существенное в системе [118].
В материаловедении структурой оцениваются особенности строения материала. Под строением здесь подразумевается взаимное сочетание и распределения в материале фаз (компонентов), их физико-химическая природа и количественное соотношение [119]. Точная структура любого твердого тела заранее неизвестна. Описание структуры заключается в определении функций распределения компонентов по величине, форме, расположению, ориентации и т. д. [98]. В зависимости от этого распределения структуры твердых тел можно разделить на организованные и неорганизованные. Для организованных структур свойственно правильное, регулярное чередование структурных частиц в пространстве [120]. Структура большинства материалов имеет ту или иную степень организованности (детерминизма) и неорганизованности (стохастичности).
К настоящему времени накоплен большой объем научной информации об определяющем влиянии структуры материалов на проявление ими свойств. Системно-структурное материаловедение основывается на представлениях о детерминированно-стохастическом характере структуры реальных материалов. Прочность материала определяется его наиболее слабыми местами, которые распределены по объему тела согласно определенному статистическому закону [121]. С этим и связан разброс упругих, пластических и прочностных свойств материалов, вызывающий применение статистических методов [122].
Дисперсно-армированные бетоны, как часть класса композиционных материалов, можно классифицировать по нескольким признакам: по виду вяжущего и армирующих элементов, по ориентации волокон, по методам изготовления и др. Наиболее общая классификация дисперсно-армированных бетонов предложена Ф.Н. Рабиновичем [2] (рис. 3.2). Эта классификация определяет место материалам с сочетаниями дисперсных армирующих элементов разной длины и диаметров.
Выбор «эталонного» мелкозернистого бетона для экспериментальных исследований на основе оптимизации его состава по критерию максимального сопротивления разрушению
При выполнении экспериментальных исследований для изготовления образцов бетона были использованы сырьевые материалы, удовлетворяющие требованиям соответствующих стандартов: цемент ПЦ-500Д0 ОАО «Осколцемент» (ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия»); песок кварцевый с модулем крупности равным 1,3 Евстратовского месторождения г. Россошь Воронежской области (ГОСТ 8735 - 88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний»); гипс строительный Новомосковского комбината Г6 с удельной площадью поверхности частиц 200 м /кг по ПСХ-2 (ГОСТ 125-79 «Вяжущие гипсовые. Технические условия»); хризотил-асбест Баженовского месторождения марки П-6; грубое базальтовое волокно производства Института проблем материаловедения АН Украины.
Плотность асбеста составляет 2550 кг/м, модуль упругости -170000.. .195000 МПа, прочность при растяжении до 3200 МПа.
Плотность грубого базальтового волокна составляет 2850 кг/м3, модуль упругости - 9575 МПа, прочность при растяжении 400 МПа [27].
Асбестовое волокно предварительно подвергалось распушке и вводилось в смесь в виде водной суспензии с массовой концентрацией равной 0,19.
Компоненты получаемого материала для получения однородной формовочной смеси перемешивались в лабораторном смесителе с вертикальным валом.
Для уменьшения повреждения базальтового волокна в процессе перемешивания приготовление бетонной смеси осуществлялось в три стадии: на первой стадии перемешивались цемент и песок, на второй стадии перемешивались цемент, песок, асбестовая суспензия и вода затворения, на третьей стадии вводилось грубое базальтовое волокно.
Смешивание цемента и гипса осуществлялось в лабораторной шаровой мельнице МБЛ-2.
Удельная поверхность цемента и гипса оценивалась приборами ПСХ-2 и ПСХ-8 методом воздухопроницаемости.
Гранулометрический состав и удельная поверхность, средняя и насыпная плотность, пустотность и модуль крупности включений в структуре плотного бетона определялись согласно (ГОСТ 8735 - 88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний»).
Оценка средней плотности и влажности бетонов проводилась в соответствии с ГОСТ 12730 - 78 «Бетоны. Общие требования к методам определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости».
Начальный модуль упругости полученных материалов оценивался с помощью ультразвукового импульсного метода, основанного на измерении времени прохождения через материал ультразвука частотой 53 кГц, прибор УК-МП.
Уровень сопротивления материала разрушению оценивался по показателям вязкости разрушения и предела прочности на сжатие. Вязкость разрушения оценивалась по методике, разработанной Е.М. Чернышовым и Е.И.
Дьяченко [123]. Образцы-призмы размером 4x8x34 см с искусственной трещиной испытывались на прессе «Plastics bending tester AS-102» (рис. 3.3 -3.4).
Исследования сопротивления разрушению мелкозернистого бетона при армировании материала на двух масштабных уровнях структуры (мелкозернистого бетона - базальтовым, микробетона асбестовым волокном)
Приведенные ранее результаты экспериментальных исследований сопротивления разрушению материала с индивидуальным (на одном из структурных уровней) армированием дали информацию об эффективности такого дисперсного армирования, что позволило рационально назначить факторы и диапазон их варьирования в экспериментах по двухуровневому дисперсному армированию мелкозернистого бетона (табл. 5.1).
При постановке экспериментальных исследований трещиностойкости мелкозернистого бетона, дисперсно-армированного на двух масштабных уровнях структуры применен ортогональный композиционный план второго порядка для двух факторов. В качестве варьируемых факторов приняты: объемная доля асбестовых волокон в цементном камне (армирование на уровне цементного микробе тона) и объемная доля базальтовых волокон (армирование на уровне мелкозернистого бетона). В предположении, что асбестовые волокна будут сдерживать рост микротрещин на масштабном уровне цементного микробетона, расчет количества асбестовых волокон производился исходя из объема цементного камня в бетоне, который в излагаемых исследованиях был постоянным и составлял 0,55 от объема композита в целом.
Уровни варьирования для объемной доли асбестовых и базальтовых волокон приняты на основании результатов экспериментов по индивидуальному (по каждому масштабному уровню структуры) дисперсному армированию: для объемной доли асбестовых волокон от 0 до 4 % от объема цементного камня в бетоне; для объемной доли базальтовых волокон от 0 до 4 % от объема композита в целом. Во всех точках плана сумма объемных долей включений (кварцевого песка и базальтовых волокон) на уровне мелкозернистого бетона в композите фиксировалась на уровне 0,45.
Компоненты получаемого материала для получения однородной формовочной смеси перемешивались в течение 5 минут в лабораторном смесителе с вертикальным валом. Для каждой из девяти точек ортогонального композиционного плана из приготовленной смеси формовались шесть образцов-призм (40x80x340) мм с искусственной трещиной. Образцы испытывались для опреде ления вязкости разрушения, предела прочности при сжатии. В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии второго порядка, адекватно описывающие изменение показателей выхода в пределах факторного пространства. Для вязкости разрушения установлена зависимость: К1с =350 + 45,45-УА+75-УБ+22,73-УА-УБ (5Л) где VA - объемная доли асбестовых, VB - базальтовых волокон. Используя это уравнение, для анализа и решения оптимизационных задач построен геометрический образы поверхности отклика вязкости разрушения при изменении объемных долей асбестового и базальтового волокна. Она представляет собой проекции эллиптических параболоидов на плоскость (VA, VE) (рис. 5.1).
С использованием модели (5.1) поставлены и решены оптимизационные задачи поиска объемных долей асбестового и базальтового волокон для варианта двукратного увеличения вязкости разрушения мелкозернистого бетона (Кіс=2Кісмб=700 кН/м3/2), а также для варианта обеспечения максимального значения вязкости разрушения (KIc=max) [147]. Решением первой задачи является множество точек плоскости, граничные координаты которой: VA =0,3 %, VE=4,0 %HVA =2,1 %, КЙ=2,0 % (см. рис. 5.1). Максимум К1с мелкозернистого бетона может со-ставлять 950 кН/м , то есть быть более чем в 2,7 раза выше эталонного показателя, и для обеспечения Kic=max должна быть принята дозировка армирующих элементов VA=Z,1%, Vjf=4,0%.
Показательно, что в отличие от значительного роста вязкости разрушения при увеличении объемных долей армирующих элементов, изменение предела прочности при сжатии практически не происходит - величина предела прочности при сжатии для всех точек плана близка к (35±4) МПа.
Для изучения изменения структуры материала при одновременном введении на разных масштабных уровнях структуры различных армирующих элементов (асбеста и базальта) выполнены исследования строения мелкозернистого бетона при помощи растрового электронного микроскопа.
Установлено: - что в базальтовых волокнах присутствуют дефекты (например, в виде микротрещин (рис. 5.2)). - при разрушении бетона происходит скольжение матрицы по волокнам, выдергивание волокон, разрыв волокон (рис. 5.3). - волокна базальта и асбеста разномасштабны и могут сдерживать трещины только определенного размера (рис. 5.5, 5.6).
Похожие диссертации на Многоуровневое дисперсное армирование структуры мелкозернистого бетона и повышение его трещиностойкости
