Композиційні матеріали, армовані дискретними волокнами органічного та мінерального походження - Автореферат

Одним із напрямків вирішення проблеми підвищення міцнісних та зменшення деформаційних характеристик матеріалів на основі мінеральних вяжучих є армування їх дискретними волокнами органічного або мінерального походження, що дозволяє значно покращити фізико-механічні характеристики композитів, зменшити витрати сталі, цементу. Армування композитів на основі мінеральних вяжучих полімерними волокнами, в основному з низьким модулем пружності, дозволяє підвищити динамічні характеристики, зменшити усадочні явища, підвищити міцність на вигин. 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. 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. дослідити закономірності впливу дискретних волокон на властивості матриць на основі мінеральних вяжучих при одночасному армуванні органічними та мінеральними волокнами;Представлений аналіз розробки композиційних матеріалів показує, що використовуються волокна як мінерального, так і органічного походження, виготовлені на базі існуючих матеріалів. Проведено критичний аналіз правила сумішей, результатів попередніх досліджень, впливу кількості волокон та їх модулів пружності на основні властивості компонентів. 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 вяжучих досягається за рахунок введення суміші дискретних волокон мінерального та органічного походження із різними модулями пружності в залежності від характеристик матриці та умов експлуатації. 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 вяжучих дискретними волокнами з різними модулями пружності. В якості сировинних матеріалів використовувались наступні матеріали: портландцемент ПЦІ-500 Харківського дослідного заводу, ПЦІ-400 Криворізького цементного заводу, пісок фракційований Гусарського родовища, пісок річковий (згідно з ДСТУ БВ.2.7.-32-95), Мф-1-2, скловолокно Щ-I6-ЖТ, волокна поліпропіленові та поліамідні підприємства “Харьковполимернить”, поліамідні волокна „Rhoximat” фірми Rodia, пластифікатор Melment F10 і метилцелюлоза-Tylose MH6000.На підставі проведених досліджень, представлених в дисертаційній роботі, підтверджено гіпотезу про підвищення широкого спектру фізико-механічних властивостей композиційних матеріалів на основі мінеральних вяжучих 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. Органічні волокна, що мають в основному модуль пружності 400-1000 МПА, значно підвищують міцність при згині і динамічних навантаженнях (ударну вязкість) 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. На підставі експериментальних досліджень встановлено, що межа міцності при вигині зразків, армованих дискретними волокнами (Rвиг), залежить також від методу виготовлення зразків. 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 звязків та визначають його міцність і деформативність.

Основний зміст роботи

На підставі проведених досліджень, представлених в дисертаційній роботі, підтверджено гіпотезу про підвищення широкого спектру фізико-механічних властивостей композиційних матеріалів на основі мінеральних вяжучих 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 вяжучих. Органічні волокна, що мають в основному модуль пружності 400-1000 МПА, значно підвищують міцність при згині і динамічних навантаженнях (ударну вязкість) 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 вяжучих. 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 (Rвиг), 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 звязків 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 вяжучі - 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 вяжучого) 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 вязкості, що викликає труднощі формування, або призводить до зниження щільності і, відповідно, зниження міцнісних характеристик. У звязку 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 вяжучого для композитів, що розробляються. Це дозволяє усунути вплив армуючих волокон на вязкість 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 зявляється міцний адгезійний звязок 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.

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.