Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ»

УДК 666. 914.5:663.543

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Композиційні матеріали, армовані дискретними волокнами органічного та мінерального походження

05.23.05 - будівельні матеріали та вироби

Кушнір Євген Георгійович

Дніпропетровськ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі “Придніпровська державна академія будівництва та архітектури” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Дерев'янко віктор Миколайович, Державний вищий навчальний заклад “Придніпровська державна академія будівництва та архітектури”, професор кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Мішутін Андрій Володимирович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, декан факультету гідротехнічного та транспортного будівництва;

кандидат технічних наук, доцент Толмачов Сергій Миколайович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, доцент кафедри технології дорожньо-будівельних матеріалів.

Захист відбудеться 9 червня 2011 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 при Державному вищому навчальному закладі “Придніпровська державна академія будівництва та архітектури” за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а, ауд. 202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного вищого навчального закладу “Придніпровська державна академія будівництва та архітектури” (49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а).

Автореферат розісланий 6 травня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С.А. Щербак.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним із напрямків вирішення проблеми підвищення міцнісних та зменшення деформаційних характеристик матеріалів на основі мінеральних в'яжучих є армування їх дискретними волокнами органічного або мінерального походження, що дозволяє значно покращити фізико-механічні характеристики композитів, зменшити витрати сталі, цементу.

Виготовлення склоцементних композицій та композицій із полімерними волокнами для виробництва конструкцій та покриттів налагоджено в країнах Західної Європи, США, Японії та деяких інших країнах. Так, в Англії, США, Франції, Японії створено ряд науково-дослідних та промислових організацій для розробки армованих композиційних матеріалів для потреб аерокосмічної, машинобудівної та будівельної промисловості.

Армування композитів на основі мінеральних в'яжучих полімерними волокнами, в основному з низьким модулем пружності, дозволяє підвищити динамічні характеристики, зменшити усадочні явища, підвищити міцність на вигин. Введення мінеральних волокон з високим модулем пружності покращує фізико-механічні характеристики: міцність на стиск та розтягування.

Практично, в літературі відсутні відомості про дослідження впливу одночасного введення волокон з різними модулями пружності на основні властивості композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих. На основі викладеного можна зробити висновок, що розвиток теоретичних положень створення композитів, армованих органічними та мінеральними волокнами з низьким і високим модулем пружності, є актуальним напрямком наукових досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до напрямку наукової роботи кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій Державного вищого навчального закладу “Придніпровська державна академія будівництва та архітектури” з 2006 по 2011 р. згідно з програмами науково-дослідних робіт: «Розробка нових ефективних матеріалів і виробів на основі вторинних продуктів різних галузей народного господарства» (державний реєстраційний № 0104U000238, рівень участі здобувача - виконавець), «Розробка енергозаощаджуючих технологій будівельних матеріалів і виробів на основі вторинних матеріальних ресурсів» (державний реєстраційний № 106U002023, рівень участі здобувача - виконавець), в яких автор виконував експериментально-теоретичні дослідження з розробки складів і технології виготовлення композиційних матеріалів, армованих волокнами мінерального та органічного походження.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток теоретичних положень розробки композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих, армованих дискретними волокнами мінерального та органічного походження.

Для досягнення мети в роботі були поставлені наступні завдання:

- дослідити фізико-хімічні процеси в системі „неорганічні в'яжучі - волокна”; одержати додаткові дані про стійкість волокон в агресивних середовищах та визначити доцільність їх використання для армування композитів;

- визначити вплив дискретних волокон органічного та мінерального походження на властивості композитів;

- дослідити закономірності впливу дискретних волокон на властивості матриць на основі мінеральних в'яжучих при одночасному армуванні органічними та мінеральними волокнами;

- розробити та оптимізувати склади композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих, армованих волокнами органічного та мінерального походження з низьким і високим модулями пружності;

- удосконалити технологію нанесення сумішей для виготовлення покриттів, армованих дискретними волокнами мінерального та органічного походження та провести дослідно-промислові випробування.

Об'єкт дослідження - процеси структуроутворення дисперсно-армованих композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих та вплив дискретних волокон мінерального та органічного походження на їх властивості.

Предмет дослідження - композиційні матеріали, армовані дискретними волокнами мінерального і органічного походження.

Методи дослідження. Використані теоретичні та експериментальні дослідження, що базувались на відомих наукових положеннях для дискретно-армованих композиційних матеріалів щодо попереднього визначення параметрів армуючих компонентів та властивостей розроблених композитів.

Визначення складів вхідних матеріалів та новоутворень проводилось на основі результатів хімічного, рентгенофазового, диференційно-термічного (ДТ), електронномікроскопічного методів аналізу за допомогою ДРОН-2, деріватографа системи А. Ердеї, Ф. Паулік і Н. Паулік, електронного мікроскопа „Djeol-25js”. Розшифровка результатів рентгенофазового та ДТ аналізів базувалась на використанні літературних даних.

Експериментальні дослідження виконано згідно з нормативними документами: ДСТУ 2.7.-23-95 „Будівельні матеріали. Розчини будівельні. Загальні технічні умови”; ДСТУ Б.В.2.7.-23-95 - визначення границі міцності при стиску; ГОСТ 5802-86 - контроль якості розчинних сумішей; ГОСТ 127364-78, ГОСТ 9.401 - визначення водопоглинання та атмосферостійкості.

Наукова новизна одержаних результатів:

- теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено можливість підвищення фізико-механічних характеристик композиційних матеріалів армуванням сумішшю дискретних волокон мінерального та органічного походження з високим та низьким модулями пружності;

- вперше встановлено, що фізико-хімічні процеси в системах „неорганічні в'яжучі - волокна” проходять більш інтенсивно за рахунок збільшення твердої поверхні розчинної суміші при армуванні, що призводе до більш високого ступеня гідратації цементів. Формування в твердіючій системі із плівки геля субмікрокристалічних пластинок із декількох структурних шарів товщиною до 60 мкм з діаметром менше 10 мкм, армованих кристалами еттрингіта та Са(ОН)_2, визначає специфічні властивості цементного каменю;

- розвинуті теоретичні уявлення про механізм впливу дискретних волокон органічного та мінерального походження на властивості композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих. Органічні волокна з модулем пружності 400-1000 МПа значно підвищують міцність на вигин та при динамічних навантаженнях, відповідно до 8-12 МПа та 20-29 кДж/м². Дискретні волокна мінерального походження з модулем пружності 40 000 - 60 000 МПа і більше підвищують міцність при розтягуванні в 2,5-3 рази, яка досягає 5-6 МПа, а при стиску - в 1,2-1,25 рази;

- вперше визначено механізм впливу суміші волокон органічного (полімерних) та мінерального (скловолокон) походження на основні властивості композитів на основі мінеральних в'яжучих. Ударна в'язкість та міцність при вигині досягає найбільшої величини 38-50 кДж/м² і 12-14 МПа при довжині органічних волокон 30-50 мм та їх кількості 0,6-1,2% від маси в'яжучого, а міцність при розтягуванні та стиску забезпечується мінеральними волокнами (скловолокнами) довжиною 30-40 мм та вмістом 4-4,5% від маси в'яжучого. При цьому найбільший вміст волокон досягається при формуванні виробів торкрет-способом;

- удосконалено структурно-функціональну модель твердого тіла за рахунок введення гелевої складової, що дозволяє обгрунтувати появу напружень розтягування в площині, перпендикулярній дії сили стиску.

Практичне значення одержаних результатів:

- запропоновані теоретичні положення дозволяють розробляти склади композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих з більш високими фізико-механічними характеристиками за рахунок армування сумішшю волокон органічного та мінерального походження;

- розроблена технологія нанесення дисперсно-армованих композицій торкрет-способом: визначення консистенції торкрет-розчину, режиму торкретування: тиску, відстані соплування, що дозволяє вводити в 3-4 рази більшу кількість дискретних волокон до складу композиційного матеріалу;

-визначено оптимальні склади дисперсно-армованих композицій на основі мінеральних в'яжучих, армованих сумішшю полімерних і скловолокон, які пройшли апробацію у ВАТ “Мелітопольський ЗЗБК” і прийняті до впровадження згідно з розробленим проектом технічних умов ТУ У 24.3-0317123127:2009. Використання розроблених композиційних матеріалів при ремонті силосних веж комбікормів ВАТ “Мелітопольський ЗЗБК” дозволило збільшити термін експлуатації в 1,6-2,0 рази та зменшити витрати матеріалів; питомий економічний ефект за рахунок зменшення товщини захисного шару досягає 12,20 грн./м² в цінах 2009 року.

Особистий внесок здобувача в наукових працях, опублікованих у співавторстві:

- аналіз стану проблеми та перспективи створення високоефективних композитів, армованих дискретними волокнами [1];

– проведення експериментальних та теоретичних досліджень властивостей композиційних матеріалів при дисперсному армуванні волокнами [2, 3, 4];

– дослідження впливу мінеральних (високомодульних) волокон на властивості композиційних матеріалів [5];

– визначення впливу параметрів складових композиційних матеріалів на його властивості [6];

– розглянуті питання, пов'язані з підвищенням стійкості різноманітних дисперсних волокон в агресивному середовищі [7].

Апробація результатів дисертації. Основні положення доповідались та обговорювались на міжнародних науково-технічних конференціях: “Стародубовские чтения” (м. Дніпропетровськ, 2009 р.), “Структурообразование, прочность и механика разрушения композиционных строительных материалов и конструкций”(м. Одеса, 2009 р.), „Теория и практика производства и использования ячеистого бетона в строительстве” (м. Дніпропетровськ, 2009р.), “Математические модели в строительстве” (м. Луганськ, 2010 р.), “Teoria si practica arhitecturii si urbanismului. Probleme actuale ale urbanismului si amenajarii teritoriului” (Chisinau, 2010).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 7 наукових праць, в тому числі 6 статей у наукових фахових виданнях, включених до переліку, затвердженого ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та двох додатків. Робота викладена на 186 сторінках, містить 29 таблиць, 47 рисунків. Список використаних джерел включає 224 найменування.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача, наведено дані щодо апробації результатів та публікацій.

Перший розділ присвячено аналітичному огляду науково-технічної літератури з розробки композиційних матеріалів, армованих переривними (дискретними) волокнами мінерального та органічного походження.

Виробництво таких матеріалів стрімко зростає. Так, у 1977 р. в Західній Європі та США було реалізовано 350 тис. т композиційних матеріалів, в 1986 р. - 1 млн. т, а в 2005 р. - понад 3 млн. т. Рахується, що 1 т композиту може замінити до 5 т сталі.

Приведено загальні відомості про розробку теоретичних положень та результати експериментальних досліджень композиційних матеріалів, армованих дискретними волокнами, які базуються на працях українських учених: В. І. Бабушкіна, К. П. Бірюковича, В. А. Вознесенського, В. М. Вирового, В. Д. Глуховського, І. М. Грушка, Л. Й. Дворкіна, Г. Д. Діброва, П. В. Кривенка, В. А. Лисенка, О. О. Пащенка, Р. Ф. Рунової, В. П. Сербіна, російських учених: М. С. Асланової, І. А. Лобанова, П. М. Огібалова, Ю. В. Пухаренка, Ф. І. Рабіновича, Р. С. Сайфуліна, зарубіжних учених: В. Б. Арончика, М. Дзако, А. А. Канайса, А. Д. Маджумдара, Т. Фудзіі та інших.

Представлений аналіз розробки композиційних матеріалів показує, що використовуються волокна як мінерального, так і органічного походження, виготовлені на базі існуючих матеріалів. Звичайно, найбільш економічним є використання волокон, які застосовуються в інших галузях виробництва. Приведено характеристики волокон загального та спеціального призначення.

Розглянуто системи композиційних матеріалів „склад - технологія - структура - властивості”, згідно з якими склад компонентів, умови та режими технологічних етапів визначають властивості готового продукту. Проведено критичний аналіз правила сумішей, результатів попередніх досліджень, впливу кількості волокон та їх модулів пружності на основні властивості компонентів.

Значна увага приділена технології виготовлення елементів із дисперсно-армованих бетонів та впливу контактних зон „волокно - матриця” на властивості армованих бетонів. Проаналізовані структурні, фізичні моделі та теоретичні положення кількісної оцінки властивостей.

Відповідно до теоретичних положень, зростання міцності від R_min (міцність матриці) до R_max (міцність волокон) має прямолінійну залежність. Експериментальні дослідження показують, що R_max досягається при оптимальному вмісті волокон. Це залежить також від довжини, діаметра волокон, їх модуля пружності, середньої густини та інших показників.

Для вирішення проблем, що виникають при розробці композитів з підвищеними міцнісними властивостями, стійкими в агресивному середовищі, а також впливу модуля пружності та відносного видовження волокон сформульовано наукову гіпотезу: підвищення широкого спектра фізико-механічних характеристик композитів на основі мінеральних в'яжучих досягається за рахунок введення суміші дискретних волокон мінерального та органічного походження із різними модулями пружності в залежності від характеристик матриці та умов експлуатації.

На основі проведеного аналізу та попередніх досліджень сформульовано мету і завдання дослідження.

У другому розділі наведено відомості та обґрунтування вибору сировинних матеріалів, їх основні властивості, методи планування експериментів, методики, прибори та обладнання для виконання експериментальних досліджень.

Для вирішення проблеми згідно з метою та поставленими завданнями розроблена схема і методологія досліджень, на основі якої визначались стандартні або розроблялись нові методики досліджень, сутність яких полягала у визначенні ефективності сумісного армування композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих дискретними волокнами з різними модулями пружності. Порівняння проводилося як з армованими композитами, так і з неармованими.

В якості сировинних матеріалів використовувались наступні матеріали: портландцемент ПЦI-500 Харківського дослідного заводу, ПЦI-400 Криворізького цементного заводу, пісок фракційований Гусарського родовища, пісок річковий (згідно з ДСТУ БВ.2.7.-32-95), М_ф-1-2, скловолокно Щ-I6-ЖТ, волокна поліпропіленові та поліамідні підприємства “Харьковполимернить”, поліамідні волокна „Rhoximat” фірми Rodia, пластифікатор Melment F10 і метилцелюлоза-Tylоse MH6000.

Проведено порівняльний аналіз властивостей вітчизняних в'яжучих із аналогічними в'яжучими англійського виробництва, що використовуються при виготовленні дисперсно-армованих композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих. Також розглянуто вплив заповнювачів на властивості матриці.

Головна проблема, яка стримує виробництво армованих композиційних матеріалів, є недосконалість технологічного процесу введення дискретних волокон і їх рівномірного розподілу в об'ємі. В сьогоднішній практиці використовується метод перемішування компонентів різними способами. В багатьох із них одним із особливих технологічних параметрів є рухливість суміші, що залежить від в'язкості, яка при введенні волокон різко підвищується. Це викликає потребу у збільшенні кількості води або використанні пластифікаторів. Але цей спосіб також має певні границі. Так, розрахунок за кількістю поліпропіленових волокон показує, що їх максимальна кількість може бути в межах 2,0-2,5%. Тоді як при експериментальних дослідженнях їх кількість не перевищує 0,15-0,25%, іноді до 1,5-2% за рахунок нерівномірного розподілу дискретних волокон в об'ємі. Тому були проведені дослідження способу формування зразків методом напилення за допомогою торкрет-установки, що дозволило збільшити кількість армуючих волокон до 8-10%.

В зв'язку з тим, що технологія виготовлення покриттів (підлоги, дорожні покриття та ін.) є досить специфічною, проведені дослідження впливу середовища, в якому відбувається твердіння зразків, на їх властивості. Використали два середовища: перше (згідно з ДБН) - твердіння в вологісній камері, друге - твердіння в повітряно-сухих умовах при температурі 18-22 єС і відносній вологості 30-60%. Міцнісні характеристики зразків, які твердіють згідно з нормативними документами, лише на 5-10% вищі від тих, які тверділи в повітряно-сухих умовах. Тому в авторефераті приведено результати випробувань зразків, що зберігались в повітряно-сухих умовах та виготовлених методом напилення.

Планування експериментів проводилось за допомогою повнофакторних (ПФЕ) симплекс-решітчатих методів. Експериментальні дослідження проводились згідно зі стандартними, загальновідомими методиками, які включають: мету і задачі, вибір вхідних факторів, обґрунтування засобів випробувань, умови їх проведення, обґрунтування способів обробки результатів.

Третій розділ присвячено теоретичним та експериментальним дослідженням впливу органічних і мінеральних волокон з різним модулем пружності на властивості композитів на основі мінеральних в'яжучих матеріалів.

Розглянуті моделі композиційних матеріалів, армованих дискретними волокнами, дозволили вдосконалити схему механізму їх руйнування під дією зовнішніх сил. Дискретні волокна підвищують міцність при розтягуванні та стиску, перешкоджають зсуву окремих мікроблоків при температурних та вологісних коливаннях, сприяють розсіюванню енергії при динамічних навантаженнях і в результаті цього підвищуються механічні характеристики, морозостійкість, термостійкість та інші властивості композиційних матеріалів. Крім того, в роботі моделі розглянуто роль гелевої фази та її вплив на властивості матеріалів. Гель, що є складовою частиною композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих, створює пружні напруження та відповідні їм продольні та поперечні деформації. Зростання вторинних напружень розтягування, які не співпадають з віссю дії навантаження стиску і є більшими величини структурних зв'язків, приводе до виникнення та подальшого з'єднання тріщин. Удосконалена модель дозволяє вести розрахунок міцнісних та деформаційних характеристик виробів.

Проведено детальний аналіз теоретичних положень впливу параметрів дискретних волокон та матриці на властивості композицій на основі мінеральних в'яжучих. Існуючі аналітичні залежності потребують додаткових експериментальних досліджень з метою визначення окремих складових, наприклад, величини адгезійної міцності системи «волокно - матриця». Теоретичні дослідження виявили значні проблеми, пов'язані із характером руйнування композитів на основі мінеральних в'яжучих. Так, пружний характер руйнування змінюється при армуванні дискретними волокнами з низьким модулем пружності на пружно-в'язкий.

Дослідження впливу дискретних волокон органічного та мінерального походження на властивості композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих показали, що в цілому армування сприяє покращенню фізико-механічних характеристик композитів, але є характерні відмінності. Органічні волокна, що в основному мають модуль пружності до 1000 МПа, значно підвищують міцність при вигині та динамічних навантаженнях (ударну в'язкість) відповідно до 8-12 МПа та 20-29 кДж/м² (рис. 1а, 2), тоді як міцність при розтягуванні зростає тільки до 2-3 МПа (рис.1б).



Рис. 1. Графіки залежності міцності композитів від довжини поліпропіленових волокон: а) міцності при вигині; б) міцності при розтягуванні.

Рис. 2. Графік впливу вмісту волокон на ударну міцність: 1 - поліпропіленових волокон (ППВ); 2 - поліамідних волокон (ПАВ).

Різницю можна пояснити перебільшенням величини відношень відносного видовження волокна та матриці, що відіграє позитивну роль при дії навантаження на вигин. При динамічних навантаженнях за рахунок того, що органічні волокна мають модуль пружності менший, ніж матриці, а їх значна кількість в об'ємі збільшує загальну поверхню розділу, відбувається розсіювання енергії удару і відповідно підвищення ударної міцності.

Дискретні волокна мінерального походження (модуль пружності 40000-60000 МПа) значно підвищують міцність композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих при розтягуванні та стиску відповідно в 2,5-3 рази та в 1,2-1,25 рази (табл.1).

таблиця 1 Міцність при розтягуванні склоцементу

№ з/п	Марка волокна	Метод виготовлення зразків	Умови твердіння	Довжина волокон, мм	Міцність при розтягуванні, МПа
					Вміст волокон, %
					2	4	6	8
1	Щ-16 ЖТ	напилення	Повітря	10	3,5	7,0	6,0	2,5
2	Щ-16 ЖТ	напилення	Повітря	20	3,77	8,5	8,5	3,7
3	Щ-16 ЖТ	напилення	Повітря	30	3,5	8,6	7,5	2,9
4	Щ-16 ЖТ	напилення	Повітря	40	3,0	4,5	4,0	2,2
5	Щ-16 ЖТ	напилення	Повітря	50	3,0	3,8	4,0	2,0
6	Щ-16 ЖТ	напилення	Вода	10	3,5	6,9	5,8	2,5
7	Щ-16 ЖТ	напилення	Вода	20	3,7	8,0	7,4	3,5
8	Щ-16 ЖТ	напилення	Вода	30	3,6	8,2	7,1	2,3
9	Щ-16 ЖТ	напилення	Вода	40	2,5	3,5	4,5	2,5
10	Щ-16 ЖТ	напилення	Вода	50	2,0	3,3	4,2	2,2

Аналіз результатів випробувань показує, що при відношенні модулів пружності армуючих волокон і матриці Е_в/Е_м>1 з'являється можливість одержання композиційних матеріалів з підвищеними характеристиками при розтягуванні та стиску. При Е_в/Е_м<1 збільшується міцність при вигині та ударна в'язкість. Обґрунтування впливу модулів пружності та відносного видовження армуючих волокон на властивості композитів базується на характері руйнування зразків в залежності від дії зовнішнього чинника.

Експериментальні дані показують, що ріст міцності, починаючи із семидобового віку, для волокон різної довжини (від 10 до 40 мм) до кількості 4-6% по масі проходе лінійно (рис.1, табл. 1). Після цього міцність залишається на тому ж рівні або знижується при підвищенні вмісту волокон. Значною мірою впливає на міцність довжина волокон і, як показують результати досліджень, її збільшення спричиняє підвищення міцності, але технологічність виготовлення зразків зменшується.

У композиціях із довжиною волокон від 10 до 40 мм спостерігається зростання міцності при розтягуванні при вмісті скловолокон до 4-6%. Подальше зменшення міцності пояснюється значним зниженням густини композицій (рис. 3).

Рис. 3. Графік зміни середньої густини зразків композитів в залежності від вмісту волокон

В четвертому розділі представлено результати досліджень композицій, армованих одночасно органічними та мінеральними волокнами, дослідження стійкості розроблених композитів в агресивних середовищах та роль контактного шару в підвищенні міцнісних характеристик.

Значення міцнісних характеристик зразків цементних композицій при різних режимах твердіння показують, що одночасне армування волокнами органічного та мінерального походження приводить до значного зростання міцності при вигині та розтягуванні (рис.4, 5).

Оптимальний вміст поліпропіленових волокон від 0,9 до 1,5 % по масі, а кількість скловолокна Щ-16-ЖТ не перебільшує 4,3%, при їх довжині до 30-40 мм. Збільшення міцності спостерігається також при армуванні поліамідними і скловолокнами, але змінюються величини вхідних параметрів дискретних волокон.

Високу ефективність показує спосіб одночасного армування композиційних матеріалів волокнами із низьким та високим модулем пружності при випробуваннях зразків на динамічні характеристики. Так, при вмісті поліпро-піленових волокон від 0,9 до 2,3% і скловолокон від 4 до 4,5% по масі міцність при ударі зростає більше ніж у 20 разів в порівнянні із неармованими і досягає 38-50 кДж/м². Довжина скловолокон знаходиться в межах 30-40 мм, а полімерних - 40-50 мм (рис. 5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Діаграми вплив довжини та вмісту органічних та скловолокон на: а, б) міцність при згині, МПа; в, г) міцність на розрив, МПа.

Аналіз результатів досліджень композиційних матеріалів вказує на досить складний характер впливу дискретних волокон на механізм руйнування та фізико-хімічні процеси твердіння та корозії. Традиційні пояснення підвищення міцності доповнюються ще одним чинником. Дискретні волокна є компонентами, що не приймають участь в процесах гідратації мінеральних в'яжучих або приймають частково.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Діаграми впливу довжини та вмісту органічних та скловолокон на: а, б) ударну в'язкість, кДж/м²; в, г) міцність при стисканні, МПа.

Найбільш сприятливими умовами є формування хімічних сполук на поверхні волокон, в результаті чого з'являється міцний адгезійний зв'язок матриці з волокном.

На процес гідратації значною мірою впливають седиментаційні властивості суміші композитів. Структуру свіжоприготовленої суміші можна уявити як структуру маломіцного твердого тіла, густина якого змінюється на поверхні волокон і в об'ємі між ними. Наявність контактного шару в декілька десятків мікрон з підвищеною міцністю сприяє збільшенню міцності одиничного об'єму композиційного матеріалу, а рівномірний розподіл волокон - збільшенню більш міцних зв'язків в об'ємі композита. В такому випадку змінюється характер руйнування матеріалу, на що вказують численні експериментальні дані. Найбільш значне підвищення міцності, найбільш вірогідно, буде досягнуто при такій кількості дискретних волокон, коли перехідна зона між волокном та матрицею буде перекриватися контактним шаром. Тобто система «волокно - матриця - волокно» перейде в систему «волокно - контактний шар - волокно».

Дослідження показують, що в границях контактної зони проходять фізико-хімічні процеси взаємодії між компонентами. Зона має властивості, відмінні від властивостей матриці і волокон та відіграє важливу роль в одержанні матеріалів з заданим комплексом властивостей. Реакції на поверхні розподілу в період твердіння можуть покращити адгезію з волокнами. Крім того, волокна є поверхнею, на якій більш активно проходять реакції формування гідратаційних продуктів. Ймовірно, тверда поверхня волокон прискорює процес гідратації (табл. 2), а в подальшому із зменшенням кількості вільної вологи збільшується кількість Ван-дер-ваальсових зв'язків.

Таблиця 2 Ступінь гідратації цементної композиції

Склад компонентів	Термін гідратації, діб
	3 доби	7 діб	28 діб	3 міс.
цемент, волокно Щ-16-ЖТ, волокно ПП, вода	0,388	0,412	0,478	0,604
цемент, вода	0,376	0,406	0,462	0,580

Дослідження структури цементного каменю (рис. 6а) та новоутворень (рис. 6б) на поверхні волокон за допомогою рентгенофазового та термографічного методів аналізу підтверджують висунуту гіпотезу.

Порівняння рентгенограм на рис. 6а, 6б вказує на те, що види мінералогічних формувань в об'ємі зразка та на поверхні волокон ідентичні, але на поверхні волокон їх кількість значно більша.

Проведено дослідження з модифікації розчинних сумішей суперпластифікатором Melment F10 та Tylose MH6000 відповідно 1-1,5 % та 0,1-1,5% від маси в'яжучого та дослідження стійкості композицій, армованих дискретними волокнами в агресивних середовищах. Розроблено більш простий альтернативний метод визначення адгезійної міцності розчинів, який базується на методиці визначення границі міцності при сколюванні деревини.

Рис. 6. Рентгенограми новоутворень зразків: а) із цементно-піщаного розчину, б) на поверхні волокон.

В п'ятому розділі приведені результати дослідно-промислових випробувань композиційних матеріалів, розроблених в процесі виконання дисертаційної роботи.

Удосконалено технологію формування покриттів із розроблених матеріалів дисперсно-армованих систем торкрет-способом з використанням універсальної машини ежекторного типу ЦЕТІ-487 Б. Сутність удосконалення технології полягає у визначенні консистенції торкрет-розчину, режиму торкретування: тиску, відстані соплування, технології нанесення. композиційний армований органічний

Для проведення випробувань на Мелітопольському заводі ЗБК виготовлено 50 т суміші розробленого композиційного матеріалу. Згідно з ДБН В.2.6.-66-2001 та розробленим планом заходів виконано ремонт робочої поверхні силосних башт ВАТ «МЗЗБК», підготовлено вимоги та рекомендації. Технічні характеристики покриття приведені в табл. 3.

Таблиця 3 Фізико-механічні властивості композиційного матеріалу

с, кг/м3	с0, кг/м3	П0, %	Коефіцієнт водопоглинання К	Паропроникність, мг/мч·Па	Rзч, МПа	Rзг, МПа	Rст, МПа
2020	1870	23,4	0,236	0,08	0,88	13,2	48,0

Примітка: с - істинна густина; с₀ - середня густина; П₀ - пористість; R_зг - міцність на згин; R_ст - міцність на стиск, R_зч - міцність зчеплення.

Техніко-економічну ефективність розраховано на основі порівняння вартості розроблених композитів та звичайних сумішей з урахуванням вартості технологічних операцій виконання ремонтних робіт.

Економічний ефект досягається за рахунок підвищення міцнісних характеристик, що дозволяє зменшити товщину ремонтного шару із 25 до 20 мм , та скорочення технологічних операцій і складає 12,20 грн./м². Збільшується міжремонтний період в 1,6-2 рази, що дає змогу скоротити витрати від 30 до 60 тис. грн. на 1000 м², також скорочується в 2-3 рази термін проведення ремонтних робіт.

Висновки

На підставі проведених досліджень, представлених в дисертаційній роботі, підтверджено гіпотезу про підвищення широкого спектру фізико-механічних властивостей композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих за рахунок введення суміші дискретних органічних і мінеральних волокон, що мають високий і низький модуль пружності з параметрами, залежними від міцнісних характеристик матриці і середовища експлуатації:

1. Встановлено механізм впливу дискретних волокон органічного та мінерального походження на властивості композиційних матеріалів на основі мінеральних в'яжучих. Органічні волокна, що мають в основному модуль пружності 400-1000 МПа, значно підвищують міцність при згині і динамічних навантаженнях (ударну в'язкість) відповідно до 8-12 МПа і 20-29 кДж/м². Дискретні волокна мінерального походження з модулем пружності 40000-60000 МПа підвищують міцність при розтягуванні в 2,5-3 рази, до 5-6 МПа, а при стисканні - в 1,2-1,25 рази внаслідок підвищеної жорсткості волокон.

2. Згідно з запропонованою концепцією розширення спектра міцнісних властивостей, на підставі теоретичних і експериментальних досліджень визначені закономірності впливу суміші дискретних волокон на властивості композитів на основі мінеральних в'яжучих. Ударна міцність і міцність при вигині перевищують аналогічні параметри неармованих композитів і досягають величин 38-50 кДж/м² і 12-14 МПа. Довжина волокон знаходиться в межах 18-51 мм при вмісті органічних волокон 0,6-1,2% і скловолокна - 4,1-4,5%. Міцність при розтягуванні і стисканні композиційних матеріалів, армованих сумішшю волокон, так само зростає в 2,2-3,0 і 1,2-1,3 рази відповідно.

3. На підставі експериментальних досліджень встановлено, що межа міцності при вигині зразків, армованих дискретними волокнами (R_виг), залежить також від методу виготовлення зразків. При приготуванні зразків методом напилення (торкрет-способом) максимальна міцність досягається при більш низьких параметрах.

4. Удосконалено структурно-функціональну модель твердого тіла, що базується на гіпотезі фізичної природи матеріалу, для розрахунків стійкості та довговічності в умовах експлуатації, які залежать від кількості і типу зв'язків та визначають його міцність і деформативність. Введена гелева складова дозволяє обгрунтувати появу напружень розтягування в площині перпендикулярної дії стискуючої сили.

5. Запропонована гіпотеза зміни міцності композитів, армованих дискретними волокнами, на ранніх і пізніх термінах тверднення. Поверхня розділу «матриця-волокно» в ранні терміни тверднення пориста і складається з вільних зерен цементу, дотичного з волокнами, та зерен, що частково гідратувались. При механічному руйнуванні відбувається висмикування волокон з матриці. Із збільшенням терміну тверднення пори на границі розділу і проміжку між волокнами заповнюються кристалами Са(ОН)₂ та іншими продуктами гідратації. Внаслідок цього границя розділу ущільнюється, кількість висмикнутих волокон скорочується, збільшується частка розірваних. Фізико-хімічні процеси в системі «неорганічні в'яжучі - волокно» проходять інтенсивніше за рахунок збільшення твердої поверхні суміші композиційного матеріалу при армуванні, що призводить до вищого ступеня гідратації цементів.

6. Удосконалена і експериментально перевірена технологія виготовлення покриттів способом напилення (торкрет-способом машиною ежекторного типу ЦЕТІ-487Б). Режим роботи підібраний шляхом торкретування переносного металевого щита включає: кількість торкрет-суміші, яка подається, води, тиск стиснутого повітря, консистенцію розчину, відстань від установки до робочого місця і від нього до поверхні торкретування по вертикалі і горизонталі.

Технологія виготовлення зразків методом напилення (набризку) дозволяє вводити до 8-10% дискретних волокон (від маси в'яжучого) проти 3-4% звичайними методами формування. Крім того, підвищується однорідність суміші на 10-15 %.

7. Введення армуючих волокон приводить до зміни реологічних властивостей, зокрема, до підвищення в'язкості, що викликає труднощі формування, або призводить до зниження щільності і, відповідно, зниження міцнісних характеристик. У зв'язку з цим, проведеними дослідженнями встановлено оптимальний вміст суперпластифікатора Melment F10 0,8-1,0% і водоутримуючої добавки ефір метилцелюлози Tylose 0,4-0,5% від маси в'яжучого для композитів, що розробляються. Це дозволяє усунути вплив армуючих волокон на в'язкість суміші і підвищити водоутримуючу здатність до 98,5 %.

8. Рентгенофазовим і електронномікроскопічним аналізом виявлено, що армуючі волокна є продуктами, які не беруть участь в процесі гідратації композиту, або беруть участь частково. Найбільш сприятливим є утворення хімічних сполук на поверхні волокон, при яких з'являється міцний адгезійний зв'язок матриці з волокном. Поверхні волокон мають не суцільне покриття з новоутворень, які є продуктами гідратації і гідролізу портландцементу, що в цілому дещо знижують міцність затверділої композиції, але процес формування носить не дифузійний, а адгезійний характер.

9. Проведені дослідно-промислові випробування підтвердили відповідність основних техніко-економічних характеристик показникам аналогічних композиційних матеріалів виробництва відомих фірм та нормативним вимогам. Економічний ефект за рахунок зміни технологічного процесу і зниження товщини захисного шару склав: 13250,37 грн., або 12,20 грн./м². Також слід врахувати, що збільшується міжремонтний період в 1,6-2 рази (економічний ефект становить від 30 до 60 тис. грн. на 1000 м²) і в 2-3 рази скорочуються терміни проведення ремонтних робіт.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кушнир Е. Г. Композиционные материалы, армированные дискретными волокнами / В.Н. Деревянко, Л.В. Саламаха, Л.А. Потийко, Е.Г. Кушнир, Н.П. Евсеенко, Л.С. Соколова, Т.А. Щелокова // Строительство, материаловедение, машиностроение. - Днепропетровск: ПГАСА, 2009. - Вып. 48, ч. 2. - С. 131 - 137.

2. Кушнир Е. Г. Влияние полипропиленовых волокон на реологические свойства дисперсно-армированных смесей / В.Н. Деревянко, Е.Г. Кушнир, Л.В. Саламаха // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - Одеса: ОДАБА, Зовнішрекламсервіс , 2009. - Вип. 35. - С. 118 - 123.

3. Кушнир Е. Г. Анализ системы композиционных материалов «состав-технология-структура-свойства» / В.Н. Деревянко, Е.Г.Кушнир // Строительство, материаловедение, машиностроение. Серия: Теория и практика производства и применения ячеистого бетона в строительстве. - Днепропетровск: ПГАСА, 2009. - Вып. 4. - С. 362 - 374.

4. Кушнир Е. Г. Стойкость базальтового волокна в различных средах / В.Н. Деревянко, Л.В. Саламаха, Е.Г. Кушнир, Е.С. Щудро, А.Г. Смоглий // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБА, 2010. - № 2 - 3. - С.33 - 38.

5. Кушнир Е. Г. Определение минимальной длины и содержания компонентов в цементно-волокнистой композиции / В.Н. Деревянко, Е.Г. Кушнир, О.В. Шаповалова // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБА, 2010. - № 2 - 3. - С. 52 - 59.

6. Кушнир Е. Г. Моделирование композиционных материалов / В.Н. Деревянко, Н. В. Кондратьева, Л.А. Потийко, Е.Г. Кушнир // Науковий вісник Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: Видавництво ЛНАУ, 2010. - №14. - С.149 - 162.

7. Кушнир Е.Г. Стойкость дискретных волокон в дисперсно-армированных смесях / В.Н. Деревянко, Л.В. Саламаха, Е.Г. Кушнир, А.И. Бегун // Probleme actuale ale urbanismului si amenajarii teritoriului. - Ch.: CEP USM, 2010. - Vol.1. - P. 203 - 215.

Анотація

Кушнір Є.Г. Композиційні матеріали, армовані дискретними волокнами органічного та мінерального походження. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Державний вищий навчальний заклад «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», Дніпропетровськ, 2011.

Дисертація присвячена питанням розробки та дослідження композиційних матеріалів, армованих дискретними волокнами з низьким та високим модулем пружності. В якості таких волокон використані відповідно полімерні (поліпропіленові, поліамідні - Е_пр=400-1000 МПа) та мінеральні (скловолокна Щ-16-ЖТ - Е_пр=40000-60000 МПа).

Армування дискретними волокнами матеріалів та виробів на основі мінеральних в'яжучих є одним з напрямків підвищення їх фізико-механічних характеристик.

Виконано аналіз застосування волокон, їх стійкості в агресивних середовищах, проведено додаткові дослідження зміни характеристик міцності та запропоновано наукову гіпотезу.

Для створення композитів з підвищеними міцнісними характеристиками робота виконувалась в декілька етапів.

На початку проведені теоретичні та експериментальні дослідження з визначення параметрів органічних та мінеральних волокон з низьким та високим модулем пружності. Низькомодульні волокна (поліпропіленові та поліамідні) підвищують міцність при вигині до 8-12 МПа, ударну в'язкість - до 23-29 кДж/м². Високомодульні волокна дозволяють підвищити міцність при розтягуванні композитів на основі мінеральних в'яжучих в 2-3 рази.

Дослідження процесів твердіння цементів в дисперсно-армованих композиціях показує, що ступінь гідратації вище, ніж у неармованих. Внаслідок цього об'єм кристалічних новоутворень більше, що сприяє підвищенню міцності. Але окремі характеристики відрізняються в залежності від властивостей та принципу дії волокон.

Одночасне використання волокон з різним модулем пружності, згідно з запропонованою гіпотезою, дозволило підвищити фізико-механічні характеристики як статичного, так і динамічного характеру. Характерним є те, що міцнісні характеристики збільшились як в ранньому віці (до 7 діб), так і в 28-добовому віці.

Дослідження структури зразків за допомогою рентгенофазового, електронномікроскопічного та ДТ аналізів дозволили встановити різноманітні властивості зразків, виготовлених звичайним методом формування та методом напилення. Метод напилення, або торкрет-метод, дозволяє підвищити кількість армуючих волокон та відповідно отримати характеристики міцності на 50-100% вище. Крім цього, на властивості композиційних матеріалів, що затверділи, впливають умови твердіння: у воді або у повітряно-сухих умовах. Твердіння у воді сприяє отриманню більш щільної та міцної структури, тоді як твердіння на повітрі забезпечує більш високу питому в'язкість.

Експериментальні дослідження матеріалів виконані на основі дворівневих ПФЕ-2⁴ та симплекс-решітчатих планів. В якості критеріїв оптимізації прийняті: параметри міцності та деформативні параметри розчинів, армованих сумішшю волокон органічного та мінерального походження.

Значна увага приділяється процесам твердіння цементних в'яжучих у присутності дискретних волокон.

Для проведення дослідно-промислових досліджень композиційних матеріалів було виготовлено 50 т суміші за визначеним складом, а також розроблена технологія нанесення розчинної суміші на ремонтну поверхню.

Економічний ефект досягається за рахунок підвищення характеристик міцності, що дозволило зменшити товщину ремонтного шару з 25 до 20 мм, скоротити технологічні операції та складає 12,20 грн./м². Збільшується міжремонтний період в 1,6-2 рази, що дозволяє скоротити витрати від 30 до 60 тис. грн. на 1000 м². Також скорочуються у 2-3 рази терміни проведення ремонтних робіт.

Ключові слова: дискретні волокна, армування, композиційні матеріали, модуль пружності.

Аннотация

Кушнир Е.Г. Композиционные материалы, армированные дискретными волокнами органического и минерального происхождения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. - Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры», Днепропетровск, 2011.

Диссертация посвящена вопросам разработки и исследования композиционных материалов, армированных дискретными волокнами органического и минерального происхождения с низким и высоким модулем упругости. В качестве таких волокон использованы соответственно: полимерные (полипропиленовые, полиамидные - Е_упр=400-1000 МПа) и минеральные (стекловолокно Щ-16-ЖТ- Е_упр=40000-60000 Па).

Проведен анализ применения волокон, их стойкости в агрессивных средах, проведены дополнительные исследования изменения прочностных характеристик и предложена научная гипотеза.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования по определению влияния параметров отдельно органических волокон с низким модулем упругости на свойства композиционных материалов на основе минеральных вяжущих. Затем выполнены такие же исследования при армировании композитов минеральными волокнами с высоким модулем упругости.

Низкомодульные волокна (полипропиленовые и полиамидные) в основном повышают прочность при изгибе до 8-12 МПа, ударную вязкость - до 23-29 кДж/м². Высокомодульные волокна позволяют повысить прочность при растяжении композитов на основе минеральных вяжущих в 2-3 раза.

Исследование процессов твердения цементов в дисперсно-армированных композициях показывает, что степень гидратации выше, чем в неармированных. Вследствие этого объем кристаллических образований выше, что и приводит к повышению прочностных характеристик. Но отдельные характеристики отличаются из-за свойств и принципа действия волокон.

Исследовано влияние смеси органических и минеральных волокон на свойства цементных композитов. Одновременное использование волокон с разными модулями упругости, согласно предложенной гипотезе, позволило повысить физико-механические характеристики как статистического, так и динамического характера. Прочностные характеристики образцов возросли как в раннем возрасте (7 суток), так и в возрасте 28 суток. Исследование структуры образцов проводили с помощью рентгенофазового, электронномикроскопического и ДТ анализов. Установлено различие свойств образцов, изготовленных обычным методом формования и методом напыления. Торкрет-метод позволяет увеличить количество армирующих волокон и соответственно получить прочностные характеристики на 50-100% выше. Кроме того, на свойства затвердевших растворов оказывают влияние условия твердения: в воде или воздушно-сухих условиях. Твердение в воде способствует получению более плотной и прочной структуры, тогда как твердение на воздухе обуславливает более высокую удельную вязкость.

Экспериментальные исследования выполнены на основе двухуровневых ПФЭ-2⁴ и симплекс-решетчатых планов. В качестве критериев оптимальности приняты: прочностные и деформационные параметры растворов, армированных смесью волокон органического и минерального происхождения.

Для проведения опытно-промышленных испытаний композиционных материалов было изготовлено 50 т смеси оптимального состава. Также разработана технология нанесения композиционных материалов на ремонтную поверхность.

Экономический эффект достигается за счет повышения прочностных характеристик, что позволило уменьшить толщину ремонтного слоя с 25 до 20 мм, сократить технологические операции и составило 12,20 грн/м². Увеличивается межремонтный период в 1,6-2 раза, что позволяет сократить затраты с 30 до 60 тыс. грн. на 1000 м². Также сокращаются в 2-3 раза сроки проведения ремонтных работ.

Ключевые слова: дискретные волокна, армирование, композиционные материалы, модуль упругости.

Summary

Kushnir E.G. Composite materials reinforced by discrete fibers of organic and mineral origin. - Manuscript.

Thesis on Competition of a Degree of the Candidate of Technical Science on a Speciality 05.23.05 - building materials and articles. - State Higher Educational Establishment "Pridneprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture", Dnipropetrovsk, 2011.

The thesis is devoted to the development and research of the composite materials reinforced by discrete fibers of organic and mineral origin with low and high coefficient of elasticity.

The work for creation of the composites with the raised characteristics was carried out in some stages. Theoretical and experimental researches on definition of influence of parameters of separate organic fibers with low coefficient of elasticity on properties of composite materials on the basis of mineral binders were made in the beginning. Then the same researches at reinforcing of the composite by mineral fibers with high coefficient of elasticity were done.

Low-modular fibers (polypropylene and polyamide) basically raise bend strength on 20-40 %, impact strength in 10-14 times.

High-modular fibers allow raising stretching strength of the composites on the basis of mineral binders in 2-3 times.

Researching of the processes of hardening of the cements in the dispersed reinforced compositions shows that their hydration degree is higher, than in not reinforced that leads to increase of strength characteristics. But separate characteristics differ because of properties and the principle of action of the fibers.

The research of influence of a mix of organic and mineral fibers on properties of cement composites was the next stage. According to the offered hypothesis simultaneous use of fibers with different coefficients of elasticity allowed to raise physic-mechanical characteristics having both statistical and dynamic character.

Economic benefit is reached at the expense of increase of strength characteristics that allows to reduce thickness of a repair layer from 25 to 20 mm, reduction of technological operations and makes 12,20 hrn./m².

The between-repairs period increases in 1,6-2 times that allows to cut down expenses from 30 to 60 thousand hrn. on 1000 m². Also terms of carrying out of repair work are reduced in 2-3 times.

Key words: discrete fibers, reinforcing, composite materials, coefficient of elasticity.

Размещено на Allbest.ru

...