ИССЛЕДОВАНИЕ  ПРОЧНОСТНЫХ  СВОЙСТВ  ЦЕМЕНТНЫХ  КОМПОЗИТОВ,  НАПОЛНЕННЫХ  ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫМИ  ВОЛОКНАМИ

Ахмеднабиев  Расул  Магомедович

канд.  техн.  наук,  доцент,  Полтавский  национальный  технический  университет  имени  Юрия  Кондратюка,  г.  Полтава

E-mail: 

Гутак  Ольга  Игоревна

студентка  5-го  курса,  Полтавский  национальный  технический  университет  имени  Юрия  Кондратюка,  г.  Полтава

E-mail: 

STUDY  OF  STRENGTH  PROPERTIES  OF  CEMENT  COMPOSITES  FILLED  POLIPROPYLENE  FIBERS

Akhmednabiev  Rasul  Magomedovich

Ph.D.,  associate  professor  Poltava  National  Technical  University  named  after  Yuri  Kondratyuk,  Poltava

Gutak  Olga  I.

Student  5-th  year  Poltava  National  Technical  University  named  after  Yuri  Kondratyuk,  Poltava

АННОТАЦИЯ

В  статье  приведены  результаты  исследования  свойств  прочности  дисперсно-армированных  композитов,  наполненных  полипропиленовыми  волокнами  диаметром  0,2  мм.  Приведены  графики  зависимости  предела  прочности  при  сжатии  и  изгибе  от  объемного  содержания  и  длины  волокон.

ABSTRACT

The  results  of  studies  of  the  properties  of  strength  of  dispersion-reinforced  composites  filled  polypropylene  fibers  with  a  diameter  of  0.2  mm.  The  graphic  dependence  of  the  strength  in  compression  and  bending  the  volume  content  and  fiber  length

Ключевые  слова:  фиброармированный  бетон;  композиты;  полипропиленовые  волокна;  предел  прочности  при  сжатии  и  изгибе.

Keywords:  fiber  reinforced  concrete;  composites;  polypropylene  fibers;  compressive  strength  and  bending.

Бетон,  заслуженно,  является  наиболее  распространенным  строительным  материалом  практически  на  всех  стройплощадках  мира.  Поэтому  улучшение  физико-механических  свойств  бетонов  является  актуальной  задачей  на  данном  этапе  развития.  Одним  из  путей  регулирования  свойств  бетонов  является  дисперсное  армирование,  которое  нашло  широкое  применение  в  настоящее  время.

В  мире  накоплен  достаточный  опыт  по  применению  дисперсноармированных  бетонов.  При  этом  для  дисперсного  армирования  применяют  самые  разнообразные  волокна:  минеральные,  металлические,  органические.  В  зависимости  от  происхождения  волокна  меняется  его  взаимодействие  с  матрицей.  Если  при  использовании  минеральных  и  металлически  волокон  можно  сказать  о  возникновении  контактного  слоя  между  поверхностью  волокна  и  матрицы,  то  при  использовании  органических  волокон  о  возникновении  такого  контакта,  рассчитывать  не  приходится.

В  данной  работе  исследованы  свойства  прочности  фиброармированных  цементных  композитов,  матрица  которых  состояла  из  цементного  камня  ПЦ  500  Н.  В  качестве  дисперсноармирующего  материала  были  приняты  полипропиленовые  волокна  диаметром  0,2  мм.  Длина  волокна,  из  технологических  соображений,  менялась  от  14  до  30  мм,  содержание  —  2,4,6,8  %  от  объема.  Испытанию  подвергались  образцы  —  призмы  размерами  4  х4  х  16  см  ,  в  возрасте  28  суток.

Учитывая  важное  значение  характера  взаимодействия  между  волокнами  и  матрицей,  определены  касательные  напряжения  на  поверхности  раздела  волокно-матрица.  Для  испытаний  изготавливались  образцы  цилиндрической  формы  диаметром  100  мм  и  высотой  h  =  30  мм.  Перед  формированием  образцов  через  отверстия,  имеющиеся  на  дне  формы,  пропускали  волокно  и  фиксировали  его  строго  вертикально.  При  формировании  вертикальность  волокна  сохранилась.  Таким  образом,  изгибы  волокна  в  объеме  образца  исключались.  Испытания  проводились  через  28  суток  путем  выдергивания  волокна  до  начала  его  страгивания.  Касательные  напряжения  определяли  как  отношение  силы  выдергивания  к  площади  поверхности  волокна,  находящейся  в  бетоне.

Испытания  показали,  что  на  поверхности  контакта  между  матрицей  и  поверхностью  волокна  физико-химические  процессы  не  происходят,  взаимодействия  носит  чисто  механический  характер.

На  рис.  1  и  2  приведены  графики  зависимости  предела  прочности  при  сжатии  соответственно  от  объемного  содержания  и  длины  волокна.  Из  графиков  видно,  что  введение  волокна  в  количестве  8  %  от  объема  образцов  приводит  к  снижению  предела  прочности  при  сжатии  на  8—10  МПа  при  всех  длинах  волокон  в  пределах  данного  эксперимента.  Увеличение  длины  волокна  от  14  до  30  мм  приводит  к  снижению  предела  прочности  при  сжатии  на  4—5  МПа.  Таким  образом,  увеличение  объемного  содержания  и  длины  волокна  приводит  к  снижению  предела  прочности  при  сжатии.

Рисунок  1  Изменение  предела  прочности  при  сжатии  в  зависимости  от  объемного  содержания  волокна:  1,2,3  —  длина  волокна  соответственно  14,  22,  30  мм

Рисунок  2  Изменение  предела  прочности  при  сжатии  композитов  в  зависимости  от  длины  волокна:  1,2,3,4  —  объемное  содержание  соответственно  2,  4,  6,  8  %

Снижение  прочности  при  сжатии  компенсируется  повышением  прочности  при  статическом  изгибе.  Увеличение  тех  же  параметров,  которые  приводят  к  снижению  прочности  при  сжатии,  способствует  повышению  предела  прочности  при  изгибе.  На  рис.  3  представлена  зависимость  предела  прочности  при  изгибе  от  объемного  содержания  волокна.  Из  графиков  видно,  что  с  увеличением  содержания  волокна  предел  прочности  при  изгибе  повышается.  Так,  например,  увеличение  объемного  содержания  волокна  длиной  14  мм  от  2  до  8  %  приводит  к  повышению  Ru  на  1,5  МПа,  что  составляет  33  %.  Подобная  картина  наблюдается  и  при  длине  волокна  22  мм.  При  длине  волокна  30  мм  интенсивность  роста  прочности  при  изгибе  снижается  с  увеличением  объемного  содержания.

Изменение  предела  прочности  при  изгибе  в  зависимости  от  длины  волокна  (рис.  4)  показывает,  что  с  увеличением  длины  волокна  появляется  тенденция  к  повышению  предела  прочности  при  изгибе.  Однако  при  содержании  волокна  4  %  при  увеличении  длины  волокна  до  30  мм  наблюдается  спад  интенсивности  повышения  Ru,  который  усиливается  с  увеличением  содержания  волокна.

Рисунок  3  Изменение  предела  прочности  при  изгибе  композитов  в  зависимости  от  объемного  содержания  волокна:  1,2,3  —  длина  волокна  соответственно  14,  22,  30  мм

Рисунок  4  Изменение  предела  прочности  при  изгибе  в  зависимости  от  длины  волокна:  1,2,3,4  —  объемное  содержание  соответственно  2,  4,  6,  8  %

При  испытании  на  сжатие  исследуемый  композиционный  материал  представляет  собой  цементный  камень  с  равномерно  распределенными  по  объему  дефектами,  учитывая  характер  взаимодействия  волокна  с  матрицей,  то  есть  целостность  объема  разрушается  волокнами.  Напряжения  сжатия  воспринимаются  перегородками  цементного  камня  между  волокнами.  С  ростом  сжимающего  напряжения  перегородки  начинают  деформироваться,  и  в  них  образуются  микротрещины,  росту  которых  препятствуют  волокна.  Очевидно,  предел  прочности  такой  структуры  зависит  от  концентрации  дефектов  в  объеме  образца,  в  данном  случае  —  содержания  волокна.  С  ростом  содержания  волокна  расстояние  между  центрами  волокон  уменьшается,  и  как  следствие  снижается  прочность  при  сжатии.

Разрушение  композитов  носит  своеобразный  характер.  Если  цементный  камень  при  предельных  напряжениях  разрушается  взрывоподобно,  что  свидетельствует  о  мгновенном  высвобождении  упругой  энергии,  то  композиционные  материалы,  как  указывалось  в  работах  [1,  2],  разрушаются  медленно  и  при  этом  сохраняют  свою  форму.  Это  свойство  композиционных  материалов  автором  работы  [3]  названа  формоустойчивостью.  Очевидно,  волокна  не  только  поглощают  упругую  энергию,  но  и  препятствуют  разбросу  кусков  и  сдерживают  поперечные  деформации  образца.

При  растягивающих  напряжениях  волокна  выступают  как  несущий  элемент.  Напряжение  растяжения  с  помощью  касательных  напряжений  на  поверхности  раздела  передаются  волокнам.  При  образовании  микротрещины  в  матрице  растягивающие  напряжения  в  волокне  концентрируются  в  зоне  трещины  [4,  5].  С  увеличением  напряжения  в  зависимости  от  длины,  волокна  начинают  выдергиваться  или  деформироваться.  При  растягивающих  напряжениях  в  зоне  трещины,  в  волокне  возникают  радиальные  напряжения,  вызывающие  соответствующие  деформации,  которые  способствуют  снижению  напряжения  сдвига  на  поверхности  раздела.  Если  длина  волокна  намного  превышает  критическое  значение,  то  получаем  эффект  бесконечного  выдергивания  [4].  Очевидно,  вклад  волокна  в  работу  разрушения  композитов  увеличивается  пропорционально  объемному  содержанию.  Однако,  малое  содержание  волокна  снижает  прочность  композитов  при  статическом  изгибе  по  сравнению  с  неармированной  матрицей.  Это  явление  объясняется  тем,  что  отверстия,  образованные  волокнами,  уменьшают  поперечное  сечение  образца,  а  суммарные  напряжения  сдвига  на  поверхности  раздела  при  выдергивании  волокна  недостаточны.  С  увеличением  содержания  волокна  суммарные  напряжения  сдвига  на  поверхности  раздела  волокно-матрица  становятся  существенными  и  прочность  при  изгибе  возрастает,  что  и  показано  на  рис.  3.

При  увеличении  длины  волокна  от  14  до  22  мм  пропорционально  повышается  и  предел  прочности  при  изгибе,  что  естественно,  так  как  увеличивается  длина  выдергивания.  Однако,  при  дальнейшем  увеличении  длины  волокна  пропорциональность  нарушается,  и  тем  более,  чем  больше  содержание  волокна  (рис.  4).  Этот  факт  объясняется  тем,  что  при  принятой  технологии  изготовления  образцов  с  увеличением  длины  волокна  увеличивается  вероятность  образования  комков,  затрудняющих  равномерное  распределение  волокна  в  объеме  матрицы.

Таким  образом,  объемное  содержание  волокна  и  его  длина  имеют  различное  влияние  на  прочность  композитов.  При  увеличении  данных  показателей  происходит  значительное  снижение  предела  прочности  при  сжатии.

Обратный  эффект  наблюдается  при  определении  прочности  при  изгибе.  С  увеличением  длины  волокна  появляется  тенденция  к  повышению  показателей  прочности  при  изгибе.  Таким  образом,  варьируя  длиной  волокна  и  его  объемным  содержанием  в  составе  композитов,  возможно  достижение  улучшенных  результатов  по  сравнению  с  использованием  неармированной  матрицы.

Список  литературы:

1.Козлов  В.В.,  Каган  М.З.,  Ахмеднабиев  Р.М.,  Богомолов  Г.М.  Гидроизоляционные  цементные  композиции  с  низкомодульными  волокнами.  —  Метрострой,  №  6,  1983,  с.  23. 

2.Козлов  В.В.,  Фиговский  О.Л.,  Ахмеднабиев  Р.М.,  Улучшение  физико-механических  свойств  цементных  составов  для  зачеканки  швов  обделки  тоннелей.  —  Транспортное  строительство,  1983,  №  12,  с.  18.

3.Козина  В.Л.  Повышение  ударопрочности  и  трещиностойкости  крупноразмерных  изделий  на  основе  гипсоцементопуццоланового  бетона  путем  введения  низкомодульных  полимерных  волокон.  Автореф.  дис.  канд.  техн.  наук,  М.,  1979,  18  с.

4.Куппер  Д.,  Пигготт  М.  Растрескивание  и  разрушение  композитов.  —  В  кн.:  Механика  разрушения,  №  17.  М.,  Мир  1979,  с.  165—216.

5.Экобори  Т.  Научные  основы  прочности  и  разрушение  материалов.  Киев.:  Наукова  думка,  1978,  с.  78—99.