CC BY
32
Литература
1. Решение Роспатента от 13.01.2009 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2007139613 от 26.10.2007 «Способ теплоизоляции и облицовки поверхности стен плитками» (авторы Местников А.Е., Корнилов Т.А., Егорова А. Д. и др.).
2. Решение Роспатента от 25.11.2008 г. о выдаче патента на полезную модель по заявке 2008123367/22(028256) от 09.06.2008 «Строительный стеновой блок» (авторы Егорова А.Д., Кардашевский А.Г., Кушкирин П.И., Местников А.Е., Шестаков А.Е.)
ФРАКТОГРАФИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЗРУШЕНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОЛЫМИ СТЕКЛЯННЫМИ МИКРОСФЕРАМИ ПРИ ТРЁХТОЧЕЧНОМ ИЗГИБЕ
Орешкин Д.В., Семенов В.С., *Первушин Г.Н.
Московский государственный строительный университет * Ижевский государственный технический университет
Полые стеклянные микросферы (далее ПСМС) используются при производстве композиционных материалов для авиа- и судостроения. Они нашли применение и в строительстве для приготовления облегчённых цементных растворов, лакокрасочных материалов, шпаклёвок, мастик, герметизирующих материалов. ПСМС в строительстве используются и в облегчённых цементных растворах (тампонажных, кладочных и штукатурных).
Цементный тампонажный раствор используется при строительстве нефтяных и газовых скважин для их крепления. При эксплуатации скважины в тампонажном камне может возникать напряжённое состояние. Тампонажный камень в скважине воспринимает изгибающие и растягивающие нагрузки, всестороннее сжатие вокруг стальной трубы и в межтрубном пространстве, а также влияние различных агрессивных сред. Эти факторы могут привести к появлению и развитию трещин в цементном камне. В технологии бурения и добычи недопустимо использование тампонажного материала с трещинами. Раскрытие трещин в цементном кольце приводит к снижению дебита скважины, перетокам из пласта в пласт, что запрещено охраной недр. А в условиях многолетних мёрзлых пород (ММП) появление трещин ухудшает теплоизолирующие свойства тампонажного камня, что может привести к растеплению пород, окружающих скважину. Поэтому проблема трещиностойкости облегчённых тампонаж-ных материалов является актуальной.
Для оценки трещиностойкости материалов существуют различные методики: косвенная оценка по физико-механическим свойствам; непосредственные визуальная оценка; оценка трещиностойкости, основанная на моделировании структуры бетона. Все эти методы не позволяют получить истинную картину трещиностойкости бетона в силу ряда принятых условностей и допущений. Более того, все эти методы позволяют судить лишь о качественной, но не о количественной стороне трещиностойкости.
В ряде работ отечественных, а также зарубежных учёных, в частности в [4, 5, 6], сделан вывод о возможности применения механики разрушения к цементным систе-
мам, в том числе и о применимости энергетического подхода к разрушению цементного раствора и бетона. В основе оценки трещиностойкости бетонов лежит энергетический подход [3]. Основными параметрами, позволяющими судить о трещиностойкости бетона, по мнению Орешкина Д.В., Первушина Г.Н., Беляева
К.В. [1, 4, 5], , являются:
W.
1. Удельные энергозатраты на инициирование локальной трещины О1 = —'-;
Ас
2. Удельные энергетические затраты на сопротивление росту локальной трещины
О,
Wl
Ас '
3. Полные эффективные удельные энергетические затраты на полное разрушение
W
образца Ос = ,
с Ас
где: W¡, Wl, Wc - энергетические затраты на инициирование локальной трещины, сопротивление её росту и полное разрушение образца, определяются по полностью равновесной диаграмме деформирования (ПРДД); Ас -площадь поперечного сечения образца.
В научной литературе сформировалось понятие трещиностойкости как сопротивление материала образованию трещин. Её можно оценивать до старта магистральной (локальной) трещины [1, 4, 5]. При этом работает геометрическое сечение образца. Удельное значение энергии, затрачиваемой на старт магистральной трещины, соответствует реальному положению вещей. Однако, на вязкость разрушения после старта локальной трещины будут оказывать влияние величины прочности цементной матрицы, наполнителя и их контактной зоны. Удельная же величина энергозатрат на разрушение образца вплоть до фрагментации, получаемая после деления на площадь сечения, не выдерживает никакой критики. В связи с этим возникает проблема определения площади разрушения для камней с разными наполнителями.
После испытания образца на изгиб, площадь разрушения оказывается больше площади поперечного сечения образца. Следовательно, определение удельных энергетических затрат (относительно площади поперечного сечения образца) оказывается не правильным. В действительности же, истинная площадь разрушения будет одной из двух зеркальных поверхностей, образовавшихся в результате фрагментации образца на две части. Истинную площадь разрушения образца можно определить при помощи фрактографического анализа. Последовательность вычисления истинной площади разрушения была следующей:
• Прямое измерение площади скола курвиметром;
• Определение площади разрушения на участке, представленном на фотографии микроструктуры;
• Вычисление количества таких участков на площади скола (деление площади скола на площадь фотографии микроструктуры, на которой определялась площадь разрушения);
• Вычисление общей поверхности разрушения;
• Вычисление удельных энергетических затрат на сопротивление росту локальной трещины до полного разрушения.
Были проведены равновесные испытания образцов тампонажных камней различного состава с аппретированными полыми стеклянными микросферами (АПСМС). Результаты измерения площадей скола сведены в таблицу 1.
При получении ПРДД (полностью равновесной диаграммы деформирования) использовалась установка, применяемая в работах Г.Н. Первушина, К.В. Беляева и В.А. Перфилова [1, 3, 6], и образцы тампонажных камней размерами 4х4х16 см из ПЦТ, а также с аппретированными полыми стеклянными микросферами, с суперпластификатором С-3 и без него. Общий вид установки, основным элементом конструкции которой является упругое стальное кольцо, представлен на рис. 1. Схема расчёта площади разрушения и общий вид ПРДД представлены на рис. 2.
Таблица 1.
Площади разрушения тампонажного камня после испытания на изгиб
Состав, масс. % Длина скола, мм Ширина скола, мм Площадь 2 разрушения, мм
ПЦТ - 100 45 40 1800
ПЦТ - 100, АПСМС - 10 40 40 1600
ПЦТ - 100, АПСМС - 30 40 40 1600
ПЦТ - 100, АПСМС - 50 42 40 1680
ПЦТ, СП С-3 40 40 1600
ПЦТ - 100, АПСМС - 10, СП С-3 41,5 39 1618,5
ПЦТ - 100, АПСМС - 30, СП С-3 41,5 40 1660
ПЦТ - 100, АПСМС - 50, СП С-3 47 42 1974
ПЦТ - портландцемент тампонажный; АПСМС - аппретированные полые стеклянные микросферы; СП С-3 - суперпластификатор С-3.
Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки для испытаний образцов-балочек при трехточечном изгибе в условиях равновесного характера разрушения
Спецвыпуск 3/2009
ВЕСТНИК
ЛГСУ
В процессе образования магистральной трещины разрушение материала может произойти по цементной матрице, наполнителю и контактной зоне. Общеизвестно, что разрушение цементного камня с пористыми наполнителями происходит по пористому наполнителю. Анализ микроструктуры материалов с ПСМС позволяет утверждать, что разрушение цементного камня с ПСМС происходит по цементной матрице контактной зоны благодаря высокой прочности микросфер при объёмном сжатии.
Для проведения фрактографического анализа были получены фотографии микроструктуры скола. В качестве примера представлены фотографии микроструктуры там-понажного камня с 10 масс.% АПСМС и СП С-3 (рис. 3, 4).
Для упрощения расчёта считаем, что поры цементной матрицы имеют сферическую форму, и трещина пересекает их по диаметру. Ее энергия, сконцентрированная в острие, при вхождении в пору распределяется по двум полусферам поверхности поры. Затем для продвижения трещины вновь требуется концентрация энергии и т.д. Видимо, необходимо считать площадь обеих полусфер поры, так как на них распределяется энергия трещины.
Будем также считать, что общая пористость цементного тампонажного камня приходится на цементную матрицу.
Рис. 2. Испытание образцов-балочек при трехточечном изгибе в условиях стабильного
характера разрушения. а) Общий вид полностью равновесной диаграммы деформирования (ПРДД); б) схема расчёта площади разрушения.
Для работы непосредственно с фотографией микроструктуры предлагается следующая последовательность действий (в качестве примера приведён подробный расчёт для состава раствора 100 ПЦТ+10 АПСМС+С-3):
1. Линейкой с учетом масштаба определяется размер участка на фотографии микроструктуры с занесением данных в таблицу 2 (рис. 4).
а)
б)
^ = 415 х 296 = 122840 мкм2.
Ф
2. Определение площади проекции микросфер на участке микрофотографии. При этом вводится допущение, согласно которому трещина пересекает микросферы и поры цементной матрицы строго по диаметру. Статистическая обработка фотографий микроструктуры позволяет принять в качестве среднего диаметра микросферы
Лм/с = 36 мкм .
В таком случае площадь проекции 1 микросферы составляет:
5..,. =
п- л 2.
3,14 - 362
■ = 1017 мкм
ПУТИ СНИЖЕНИЯ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА
Булгаков Б.И.
Московский Государственный Строительный Университет
Высокая пожарная опасность большинства материалов на основе полимеров является одним из основных факторов , сдерживающих их более широкое применение в строительстве. Ежегодные убытки от пожаров промышленно развитых странах мира составляют 0,25-1% национального дохода [1] и имеют тенденцию к росту в связи увеличением количества пожаров и размеров ущерба., наносимого ими. Одной из главных причин этого является использование полимерных строительных материалов, которые сгорают быстрее, выделяют при горении вдвое больше тепла и в 500 раз больше токсичных газов, чем традиционные природные строительные материалы [2[. Поэтому весьма актуальна проблема борьбы с этим негативным явлением. Другой существенной причиной, ограничивающей использование полимерных строительных материалов, служит высокая стоимость первичного сырья (полимеров и олигомеров) для их производства. В то же время, имеются значительные ресурсы вторичного поли-винилхлорида (ПВХ) (более 150 тыс.тонн в год) в виде промышленных и бытовых отходов, которые могут быть использованы для изготовления декоративно-отделочных, изоляционных, защитно-покровных и других видов материалов строительного назначения. Кроме того, использование ПВХ-отходов для получения строительных материалов будет способствовать улучшению экологической ситуации.
Пожарная опасность строительных материалов и конструкций является комплексным показателем оценки их поведения в условиях воздействия высоких температур и открытого пламени и включает в себя их воспламеняемость и горючесть, физическое разрушение конструкций, а также дымообразующую способность и токсичность продуктов, выделяющихся при их терморазложении и горении.
Снижение воспламеняемости и горючести ПВХ-материалов достигается, в основном, путём химической модификации полимера и введением антипиренов, как правило, в сочетании с синергистами, то есть соединениями, усиливающими их пламегася-щее действие.
