Механические свойства дисперсно-армированных цементных композитов

Коэффициент армирования композита учитывает понижение значений механических свойств композита в зависимости от таких факторов, как длина фибры, ее ориентация, дефекты и «фибра-фибра» взаимодействие. Для композита с непрерывными ориентированными волокнами разрушение обычно происходит в результате разрыва волокон, а не их выдергивания. Важно учитывать, что цементные матрицы являются пористыми телами, содержащими поры диаметром от нескольких единиц до нескольких сот ангстрем. Наличие пор оказывает влияние не только на свойства материала матрицы, но также и на свойства контактной зоны» «фибра-матрица» Пористость в зоне контакта фибры и матрицы ведет к сокращению числа контактов твердого тела с твердым телом — между фиброй и матрицей. Зависимость от пористости свойств контактной зоны, например прочности зоны контакта на сдвиг […]

Композит фибра в бетоне

Способы разрушения.

Существует несколько возможных способов разрушения композита, к которым относится разрушение матрицы или фибры при растяжении, выдергивание волокон и разрушение вследствие их сильной дефектности.

Преобладающим механизмом разрушения в фиброцементном композите представляется выдергивание волокон. В этом случае деформация матрицы равняется деформации фибры в момент начала ее сдвига. В случае разрушения фибры композит разрушается в момент разрыва фибры. Деформация матрицы при разрешении больше, чем фибры, например для пластичных металлических матриц. Разрушение матрицы происходит, когда разрушается композит, т. е. при достижении матрицей ее деформации при разрушении.

Коэффициент армирования используется для объяснения связи между понижением прочности композита и длиной фибры, ее ориентацией, дефектами и «фибра-фибра» взаимодействием. Длина фибры. Для прерывистых волокон напряжение в фибре не является постоянным по всей ее длине. В формулах для законов смеси используется среднее напряжение в фибре. В большинства композитов фибры не являются ориентированными параллельно направлению приложенного напряжения, и эффект армирования неполный. Фибры, расположенные перпендикулярно приложенному напряжению, почти или совсем не способствуют повышению прочности композита.

Для дисперсно-армированных композитов возможны несколько видов разрушений в зависимости

1) волокна со значительным числом трещин постепенно, по мере увеличения нагрузки, разрываются на более короткие и прочные части. При достижении ими критической длины композит разрушается, так как фибры выдергиваются из матрицы;

2) для волокон с незначительным числом трещин существует вероятность, что при некотором уровне напряжения может произойти разрушение фибры (как в предыдущем случае): этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока композит не разрушится вследствие разрушения волокон;

3) для волокон без трещин их длина при конечном разрушении совпадает с начальной длиной.

Делается заключение, что при значительных дефектах волокон они могут внести не более 50% своей максимальной прочности.

Комбинированное «фибра-фибра» взаимодействие и хаотичное переплетение.

Увеличению поверхностной энергии трещины могут содействовать несколько факторов разрыва фибры: искривление фибры при вырывании, градиенты деформации в зоне контакта волокна и матрицы, вызванные трением скольжения или пластической деформацией в матрице, выдергивание фибр, растрескивание матрицы.

Выдергивание фибр, однако, оказывается наиболее важным процессом, определяющим свойства композитов на основе цемента.

По мере уменьшения разрушающей деформации фибры приобретает значение использование фибр с критическим отношением длины к диаметру. Для волокон с высокий растяжимостью (например, полипропиленовых) процессы рассеяния энергии, вызванные искривлением фибры при вырывании с вязким разрушением, нижняя часть расчетной работы разрыва. В таких случаях было предложено следующим образом предельно увеличить работу разрыва максимизируя роль искривления волокон, для этого используются очень длинные волокна, слабо связанные с матрицей, чтобы они скорее вырывались, чем разрывались;

максимизируя роль вязкого течения для этого используют волокна с очень высокой внутренней работой разрыва, хорошим сцеплением и отношением длины к диаметру, по крайней мере, в 10 раз превышающем критическое.

Влияние включений волокон на прочность цемента на сжатие не является строго закономерным. Как правило, повышение прочности колеблется от предельного до более чем 30%-ного; наблюдались также случаи понижения прочности. Механизм разрушения волокон при испытании на сжатие исследован не полностью. Предполагается, что если допустить продольный изгиб, то можно ожидать меньшей прочности на сжатие у более длинных волокон. Свейлн и Мэнгат составили график зависимости отношения прочности на сжатие армированного бетона к неармированному от расстояния между волокнами следует, что для волокон небольшой длины прочность на сжатие выше, причем оптимальное расстояние составляет примерно 4,5 мм. Расстояние между волокнами варьируется изменением их объемного содержания.

Прочность бетона на сжатие можно повысить на 60%, добавив рубленую проволоку.

Прочность на сжатие обработанного в автоклаве бетона, армированного стальным волокном, лишь незначительно улучшается с увеличением содержания волокна, кроме того случая, когда максимальный размер заполнителя превышает 40 мм. Она не более чем в 1,2 раза больше прочности неармированного обработанного в автоклаве бетона, также когда содержание волокна составляет 2% по объему.

Вязкость разрушения.

Способность армированного волокном бетона противостоять динамическим нагрузкам является, вероятно, его единственным наиболее важным свойством. Подсчитано, что более 75% общей энергии трещинообразования бетона, армированного стальным волокном, расходуется на работу выдергивания волокон.

Ползучесть.

Исследовании по ползучести армированного стальным волокном бетона было проведено немного. Волокна обычно понижают величину ползучести при сжатии и растяжении, причем стальные волокна намного интенсивнее сдерживают развитие ползучести при сжатии, чем при растяжении; причина этого, однако, не совсем ясна. Деформация ползучести при растяжении фиброармированного бетона может составлять 50—60% по сравнению с эталонным образцом, тогда как деформация ползучести при сжатии не превышает 10—20%.

Сцепление волокна и матрицы в зоне контакта — один из важных факторов, воздействующих на прочность фиброармированых цементных композитов, в связи с чем наибольшее внимание уделено рассмотрению контактной зоны цементного камня и стального волокна, а также контактной зоны волокна и матрицы для некоторых других волокон, так как основные явления сходны для всех волокон.

Похожие записи