CC BY
43
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН
2006, том 49, №6
ФИЗИКА
УДК 539.5.533
А.А.Абдуманонов, член-корреспондент АН Республики Таджикистан С.Н.Каримов,
Р.М.Валиев
ПРОЧНОСТЬ И РАЗМЕРОСТАБИЛЬНОСТЬ КЕРАМЗИТОБЕТОНА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТЕРМО-ВЛАГОЦИКЛИРОВАНИЯ
Периодическое изменение температуры, влажности и других внешних факторов является естественным условием работы многих композитов конструкционного назначения. При термоцикли-ровании из-за разности коэффициентов термического расширения (КТР) элементов структуры на границе раздела непременно возникают термоупругие напряжения. Если жесткое включение находится в среде относительно пластичной матрицы, возникающие термонапряжения в большей степени релак-сируются. Ситуация будет несколько иной, если жесткое включение находится в жесткой, но относительно хрупкой матрице. Априори можно полагать, что действие термоциклов в системе хрупкая матрица - хрупкое включение приводит к накоплению повреждений в границах раздела. Чтобы выяснить роль границы раздела в этом случае и получить количественные результаты, в работе изучалась стабильность размера и прочности неупорядоченного гетерогенного композита под действием термо-влаго-циклирования на примере керамзитобетона.
Керамзитобетон по некоторым теплофизическим и акустическим характеристикам превосходит обыкновенный бетон [1], что очень важно с энергетико-экологической точки зрения. Во-вторых, путем изменения физико-механических и геометрических свойств наполнителя можно в достаточно широком диапазоне регулировать физико-механические свойства материала [2], что немаловажно при исследовании закономерности формирования свойств композита, и в конечном итоге позволяет управлять этими свойствами.
Эксперименты проводились на стандартных лабораторных образцах размером 4x4x16 см, содержащих керамзитный наполнитель в количестве 10, 20, 30, 40% по объему. Максимальный линейный размер гранул керамзита составлял 5 мм. В качестве связующего использовали строительный цемент М400. С целью повышения надежности результатов опыты проводились на базе серии из 50 образцов с одинаковым содержанием наполнителя. После отверждения в течение 24
ч в комнатных условиях образцы вынимались из формы и доотверждались в комнатных условиях. Измерение проводилось на образцах после 150 ч, 30 суток и 1 года затвердевания. Прежде всего, торцевая поверхность образцов тщательно шлифовалась и они номеровались. Затем с точностью до 0,01 мм измерялась исходная длина 1о образцов. Образцы нагревались при температуре 90°С в термостате в течение 5 ч, затем помещались в водопроводную воду и при температуре +20°С выдерживались 17 ч. Термовлагоциклируя, таким образом, после каждого 5-го цикла измерялась длина образцов и их прочность на изгиб и сжатие согласно [3]. Средняя прочность образцов опреде-
лялась по результатам 5-6 измерений. Прочность в условиях трехточечного изгиба определялась с помощью формулы и =3/2х(¥//аЬ ) , где ¥ - разрушающая сила, / - расстояние между опорами, а и Ь - размеры поперечного сечения образца. По результатам измерений определялась относительная деформация при термоциклировании £={(/п-/0)//0} 100% , где /п - длина образца после п термоциклов.
На рис. 1 приведена зависимость относительной деформации от количества термоциклов для образцов после 150 ч отвердения.
Рис. 1. Влияние термо-влагоциклов на относительное удлинение керамзитобетона после затвердевания при комнатных условиях в течение 150 ч.
Можно видеть, что с увеличением количества циклов происходит нелинейный рост величины относительной деформации. Скорость роста деформации наибольшая в начале процесса термо-
циклирования (до 10 цикла). Далее темп роста деформации несколько снижается. Сравнение зависимости деформации цементно-песчаного (ЦП) камня от количества термоциклов с результатами, полученными для керамзитобетона, показывает, что вначале с ростом количества Рис. 2. Зависимость относительной деформации образцов ке- керамзита в образце наблюдается рамзитобетона от объемной доли наполнителя и количества тер- рост деформации и это проис-моциклов
0,16 -
/N=30 \
0,12
0,08-
/ N=10 \
0,04 5
10 20 30 40 50
ходит для образцов, содержащих до 20% наполнителя. Далее с ростом содержания керамзита наблюдается снижение общей деформации композита при термоциклировании. Это можно видеть на рис. 2, где приведена зависимость деформации композита от объемного содержания наполнителя для образцов, выдержавших разное количество термоциклов.
Как уже отмечалось, из-за разности КТР элементов структуры при нагревании композита на границах раздела возникают термоупругие напряжения, а многократное повторение цикла приводит к возникновению и росту дефектов в межфазной области. Это, по-видимому, и приводит к изменению линейных размеров и к снижению прочности материала, что и наблюдается на опыте. Поскольку абсолютное удлинение элемента структуры при нагревании образца зависит от его линейных размеров, следовательно, величина локальных термоупругих напряжений в приграничных областях тем больше, чем больше размер включения. Следовательно, степень дефектооб-разования в образцах керамзитобетона с включениями большего размера должна быть больше, чем с наполнителем меньшего размера. Отсюда, поскольку суперпозиции дефектов приводят к изменению линейных размеров композита, то изменение размера такого композита при термоциклировании должно зависеть от фракционного размера наполнителя. С целью проверки такого предположения, опыты проводились на образцах керамзитобетона с одним и тем же объемным содержанием, но с разными фракционными размерами керамзита. Размер керамзитовых наполнителей в одном случае составлял до 1 мм (тип 1), во втором случае - от 1 до 5 мм (тип 2).
Образцы после затвердевания в комнатных условиях подвергались термовлагоцикли-рованию в течение стандартного времени - 30 суток. После каждого 5 цикла измерялись длина и прочность образцов в условиях трехточечного изгиба. На рис.3 приведены результаты экспериментов для композита ЦП бетон +10% асбест +10% керамзит: 1 - для образцов второго типа, 2 - для образцов первого типа. Видно, что в обоих случаях увеличение количества термоциклов приводит к изменению размера образца, однако для каждого типа образцов совершенно по- разному: для образцов с наполнителем меньшего фракционного размера термоцикл вначале (до 5-10 циклов) приводит к уменьшению размера (усадке), а после 10-15 циклов наблюдается медленное восстановление раз-
Рис.3. Зависимость деформации керамзитобетона с разной фракцией наполнителя от количества термо-влагоциклов. 1 - размер наполнителя до 5 мм, 2 - размер наполнителя до 1 мм.
Рис. 4. Зависимость прочности керамзитобетона от количества термовлаго-циклов. l- размер наполнителя до 5 мм; 2 -размер наполнителя до l мм.
Рис. 5. Зависимость деформации образцов керамзитобетона, отверждавшихся в течение 30 суток, от количества термо-влагоциклов (объемное содержание наполнителя 30%, размер фракции наполнителя до 1 мм).
Рис. 6. Влияние термо-влагоциклирования на прочность образцов керамзитобетона после 30-суточного отверждения (объем наполнителя -30%, размер фракции до l мм).
мера композита. Скорость восстановления размера образца настолько мала, что даже после 40-5o циклов исходный размер образца не восстанавливается. Так, после 25 циклов величина усадки остается примерно 0.2%. Образцы, содержащие керамзит с большими фракционными размерами, по мере роста числа термоциклов увеличивают свой размер.
Для этих же образцов на рис. 4 приведена зависимость прочности на изгиб от числа термоциклов N. Как видно из рис. 4, зависимость a(N) имеет максимум. Сравнивая рис. 3 и
4 (кривая 2), можно увидеть, что уменьшению размера соответствует рост прочности. Медленному восстановлению (после l0-l5 циклов) размера соответствует падение прочности. Подобные данные для образцов керамзитобетона, где объемная доля керамзита мелкой фракции составляет 50%, приведены на рис.
5 и 6.
Зависимость s (N) на рис. 5 построена на основе измерения 40 образцов, что, несомненно, свидетельствует о надежности приведенных результатов.
Здесь также, вначале, при N=5-10, происходит уменьшение размера (соответственно рост прочности, рис.6), далее, в интервале 10 < N < 25, происходит постепенное восстановление размера (соответственно падение прочности).
Наличие максимума в зависимости o(N) свидетельствует о том, что в керамзитобетоне в процессе термовлагоциклирования имеют место как минимум два конкурирующих процесса. К первому можно отнести гидратационные процессы цементного камня, ко второму - процесс образования повреждений на границе раздела под действием повторно возникающих термоупругих напряжений. Опыт показывает, что для образцов с меньшими по размеру керамзитными частицами на начальном этапе термоциклирования вклад процессов гидратации больше, чем разупрочняющее действие термоциклов.
Далее, после того как гидратационные процессы в данном режиме практически завершатся, основную роль будут играть деструктирующие термоупругие напряжения. После 10-15 циклов будет происходить медленное восстановление размера, что также связано с трещинообразовани-ем по границам раздела. Это следует из наблюдаемой на опыте потери прочности в этой области. Для образцов второго типа с самого начала термоциклирования фактор действия термонапряжений "перекрывает" действие процессов гидратации. Таким образом, как показывает эксперимент, даже такое интегральное рассмотрение позволяет выделить некоторые особенности поведения границы раздела гетерогенного материала при термо-влагоциклировании.
Итак, эксперимент показывает, что термо-влагоциклирование композита нерегулярной жесткой структуры приводит к нелинейному изменению размера и прочности. Величина деформации керамзитобетона при термоциклировании зависит от фракционного размера жесткого наполнителя. Композит с меньшими фракционными размерами наполнителя обладает большей размеромеха-ностабильностью, чем в случае с наполнителями с большими фракционными размерами.
Худжандский научный центр АН Республики Таджикистан, Поступило 06.11.2006 г.
Худжандский государственный университет им.академика Б.Гафурова
ЛИТЕРАТУРА
1. Развитие производства и применения легких бетонов и конструкций из них. - Тез. докл. III Все-союзн. конф.по легким бетонам. Ереван, 1985, 187 с.
2. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Высшая школа, 1978, 455 с.
3. Методические указания. Прочностные и деформационные характеристики бетонов при одноосном кратковременном статическом сжатии и растяжении. Методика измерений МИ 11-87. М.: Издательство стандартов, 1989, 80 с.
4. Суханов А.В. Исследование особенностей механики композитных размеростабильных конструкций. - Тез.доклУШ Междун.конф. по мех. КМ Рига, 1993, с. 178.
А.А.Абдуманонов, С.Н.Каримов, Р.М.Валиев МУСТА^КАМЙ ВА УСТУВОРИИ АНДОЗАИ КЕРАМЗИТОБЕТОН ЗЕРИ ТАЪСИРИ ХДРОРАТ ВА НАМИИ ДАВРЙ ТАГЙИРЁБАНДА
Зимни омузиши намунахои керамзитобетон нишон дода шудааст, ки таъсири термосиклхо ба тагйири гайрихаттии андоза ва мустахкамии композит меорад. Бузур-гии деформатсия хангоми термосикл ба андозаи фраксионии омехта мутаносиби чаппа мебошад. Зери таъсири термосиклхо амали ду раванд - идомаи гидротатсияи семент ва ба вучуд омадани нуксонхо (микротаркишхо) дар худуди расиши унсурхои сохтор (дар натичаи таъсири шиддатхои термомеханикй) мушохида мешавад. Коррелятсияи тагйирёбии андоза ва мустахкамии композит бо афзоиши термосикл аз ин шаходат медихад.
А-A.Abdumanonov, S.N.Karimov, R.M.Valiev INFLUENCE OF THERMO-MOISTURE CYCLING ON THE SIZE AND SOLIDITY STABILITY OF A COMPOSITE
The article describes the results of an experimental study of the influence of cyclic therm and humidity on the size stability ahd solidity of unstable composites. Experiments with the specimen of ceramsite - concrete haverevealed that the influence of thermocycles on the size and solidity of composites depends on the fractional size of the specimen under thermocyclic influence is inversely proportional to the fractional size of the fusion. Two processes are observed here. One is the hydrotation sequel of the cement stone and the other is appearance of blemishes and mycrocracks.
