CC BY
59
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _____________________________________2010, том 53, №6_________________________________
ФИЗИКА
УДК 539.5.533
А.Абдуманонов, Р.М.Валиев, член-корреспондент АН Республики Таджикистан С.Н.Каримов
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ КЕРАМЗИТОБЕТОНА
Худжандский научный центр АН Республики Таджикистан
На примере керамзитобетона изучалась зависимость вязкости разрушения композита от объёмного содержания и степени гидратации цементного камня. Экспериментально показано, что увеличение относительного объёмного содержания наполнителей (до 50%) приводит к нелинейному росту вязкости разрушения композита. Максимальное значение вязкости разрушения достигается для образцов 15-суточного возраста. Некоторое снижение вязкости разрушения образцов 30-суточного возраста (стандартный срок твердения цементного камня) свидетельствует о возрастании жесткости структуры в результате протекания гидратационных процессов.
Ключевые слава: вязкость разрушения - структура композита - граница раздела - ударное нагружение.
Сопротивление распространению трещин, или вязкость разрушения, является одной из наиболее важных характеристик, определяющих надёжность работы конструкционного материала. В реальном материале всегда имеются дефекты (поры, трещины, надрезы и т. п.), которые под действием сравнительно небольших внешних напряжений могут разрастись и привести к катастрофическому разрушению. Надёжность работы конструкций зависит не только от прочности (вернее, запаса прочности) материала, но и от того, насколько материал хорошо сопротивляется распространению трещин.
Один и тот же материал при испытании относительно тонких образцов может вести себя, как пластичный и вязкий, а при испытаниях больших образцов - становиться хрупким. Это связано с изменением напряжённого состояния у вершины трещины - перехода от плоского напряжённого к плоскому деформированному состоянию [1].
Более того, способность материала сопротивляться распространению трещин зависит и от скорости деформирования. Материал, который при небольших скоростях деформирования показывает пластичность, при ударных (динамических) нагрузках может вести себя как абсолютно хрупкое вещество. Здесь, при анализе, вероятно, необходимо учесть соотношение скорости подачи энергии и способность материала поглощать эту энергию. В литературе пока такой теоретический анализ отсутствует, и это связано с недостаточностью знаний о механизмах разрушения при различных скоростях деформирования.
Ясно, что вязкость разрушения композитов не только значительно больше однородных материалов, но и путём оптимизации величины прочности и площади границы раздела компонентов в достаточно широких пределах возможно изменять вязкость разрушения композиционного материала [2]. Большое число поверхностей раздела является тормозом на пути распространения микротрещин.
Адрес для корреспонденции: Абдуманонов Абдуали. 735714, Республика Таджикистан, г. Худжанд, Восточная промзона, Худжандский научный центр АН РТ. E-mail: [email protected]
В работе экспериментально исследовалось влияние объёмного содержания наполнителя и степени гидратационных процессов на ударную вязкость композитов на основе цемента. В качестве наполнителя использовали керамзитные гранулы. Выбор цемента в качестве связующего материала объясняется его хорошей изученностью и широким применением в бетонных конструкциях. А керамзитобетон имеет ряд теплофизических преимуществ перед обычным бетоном [5].
Испытания на ударную вязкость проводились с помощью маятникового копра по методу Шарпи. Для оценки динамической прочности принята величина работы, расходуемой при ударном изломе образца (рис.1) на маятниковом копре, отнесённая к рабочей площади поперечного сечения образца. Такая удельная работа названа ударной вязкостью ( ан ) материала [3,4].
А
Рис. 1. Вид образца керамзитобетона для испытания на ударную вязкость.
Свободно лежащий образец укладывается так, чтобы удар ножа маятника наносился со стороны, противоположной надрезу, в плоскости, перпендикулярной оси образца. Величина суммарной работы деформации и разрушения определяется разностью потенциальных энергий маятника в начальный и конечный моменты испытаний
А=Р(Ні -Н2)
(1)
где А - суммарная работа; Р - сила тяжести маятника, Ні - высота первоначального подъёма маятника; Н2 - высота взлёта маятника после излома образца.
Высота первоначального подъёма маятника является функцией угла подъёма а и длины маятника £:
H = £ + £sin(« - 900) = £(1 - eos«).
(2)
Соответственно
H = £ - £ eos Р = £(1 - eos Р),
(3)
где Р - угол подъёма маятника после совершения работы излома образца. Подставив значения Нг и Н2 в формулу (1), получим:
A = P £(cosР — cosa).
(4)
Величина суммарной работы включает, помимо работы на излом образца, ещё и работу на преодоление различных вредных сопротивлений (трение в шарнире, сопротивление воздуха), на сотрясение кинематичической цепи маятникового копра и др.
Величина вредных сопротивлений определяется при свободном падении маятника (без образца), как функция углов а и Р0 (Р0 - угол подъёма маятника после свободного падения,):
/
D
Л
Асо = P£(cos¡30 - cosa). (5)
Так как при динамических испытаниях на изгиб и разрушение образца маятник проходит меньший путь, чем при свободном падении, то фактическая работа на преодоление вредных сопротивлений в процессе излома образца будет равна:
А = А , (6)
' ¿0 +а
а работа на собственно излом - А н = А- А с. (7)
Ударную вязкость находят из выражения
« = Y ’ (8)
где S - площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытаний.
Эксперименты проводились на стандартных лабораторных образцах 4 х 4 х 10 см, содержащих в своём составе керамзитный наполнитель 0, 10, 30, 50% по массе. Максимальный линейный размер гранул керамзита составлял в данном случае 5 мм. В качестве связующего материала использовали цемент марки М 400. После затвердевания при комнатных условиях образцы вынимали из формы и испытывали на ударную вязкость. Испытывали образцы разного возраста отвердения: от одних до 30 суток. При каждом условии испытывалось не менее 5-6 образцов.
Рис.2. Зависимость ударной вязкости образцов керамзитобетона от объёмного содержания наполнителя:
• - после 24 ч, о - после 5 сут, х - после 15 сут, А - после 30 сут отвердения в комнатных условиях.
Температура испытания 25°С.
На рис. 2 приведены результаты измерений в виде зависимости ударной вязкости образцов разного возраста от объёмного содержания керамзитного наполнителя. Можно видеть, что во всех возрастных группах образцов увеличение объёмного содержания наполнителя приводит к росту ударной вязкости композита.
Максимальное значение вязкости наблюдается для образцов 15-суточного возраста и Ун=0.5-около 40.103Дж /м2. Дальнейшее увеличение времени отвердения до стандартного 30-суточного воз-
раста приводит к снижению вязкости. Например, для тех же образцов с 50 % наполнителем значение ударной вязкости составляет 30-103 Дж/м2.
Эти же результаты на рис. 3 показаны в виде зависимости ударной вязкости от времени отвердения композитных образцов. Видно, что увеличение времени отвердения, в целом, приводит к нелинейному росту вязкости композита. Но это происходит примерно до 15-суточного возраста. Дальнейшее увеличение времени отвердения либо не приводит к росту аи (например, в случае образцов Ун=10%), либо приводит к некоторому спаду значения ан. То есть в случае образцов, содержащих 30 и 50% керамзитных наполнителей, обнаруживается слабый максимум в области 1;0тв=15 сут.
Рис.3. Влияние времени отвердения образцов керамзитобетона на их ударную вязкость:
• - Уп=10%, х - Уп=30%, 0 - Уп=50%.
Анализ полученных экспериментальных результатов свидетельствует о справедливости общих положений об увеличении вязкости разрушений композита с ростом объёмного содержания наполнителя.
Наряду с этим настоящие результаты позволяют уточнить общие положения вязкости разрушения композита при больших объёмных содержаниях наполнителя (хотя бы для композиции с нерегулярной структурой).
На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:
1. Увеличение объёмного содержания керамзитных наполнителей приводит к нелинейному росту ударной вязкости керамзитобетона, что подтверждает справедливость общих представлений о механизмах роста вязкости разрушений композитов с увеличением границ раздела компонентов.
2. Наибольшее значение вязкости разрушения реальных композитов (¥н > 30%) обнаруживается в 15-суточном возрасте.
3. Стандартное 30-суточное отвердение образцов керамзитобетона приводит к незначительному снижению вязкости разрушения (по сравнению с 15-суточным возрастом), что свидетельствует об ужесточении структуры композита в результате завершения гидратационных процессов.
Поступило 21.04.2010 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Карпинос Д. М. и др. Новые композиционные материалылы. - Киев:Виша школа, 1977, 312 с.
2. Келли А. Высокопрочные материалы. - М.: Мир, 1976, 262 с.
3. Алаи С. И. и др. - Практикум по машиноведению. - М.: Просвещение, 1979, с. 124-127.
4. Испытание материалов. Справочник. - М.: Металлургия, 1979, 448 с.
5. Абдуманонов А. - Учёные записки ХГУ, 2001, №3, с.5-14.
А.Абдуманонов, Р.М.Валиев, С.Н.Каримов
ВОБАСТАГИИ ЧАСПАКИИ ВАЙРОНШАВИИ КОМПОЗИТ АЗ СОХТОРИ ОН
Маркази илмии Хуцанд, Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон
Дар мисоли кирамзитобетон вобастагии часпакии вайроншавии маводи таркиби аз хдчми нисбии омехта ва дарачаи гидрататсияи семент омухта шудааст. Зимни тачриба нитттон дода шудааст, ки афзоиши хачми нисбии омехта (то 50%) боиси гайрихаттй зиёд шудани часпакии вайроншавии таркиб мегардад. ^имати максималии часпакии вайроншавй барои композитхои вокей пас аз 15 шабонаруз огози гидрататсия ба даст меояд. Як кадар камшавии часпакии вайроншавии таркиби пас аз 30 шабонарузи огози гидрататсия (мухлати стандартй) аз дурушт шудани сохтор дар натичаи равандхои гидрататсионй шаходат медихад.
Калима^ои калиди: часпакии вайроншавй - сохтори таркиби - уудуди унсуруои сохторй - боргу-зории зарбавй.
A.Abdymanonov, R.M.Valiyev, S.N.Karimov THE INFLUENCE OF THE STRUCTURE ON UPON CERAMSITE-CONCRETE DESTRUCTION VISCIDITY
Khujand Scientific Center, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan
Taking ceramsite-concrete as a sample the authors of the article studied the dependence of composite destruction viscidity upon volumetric amount and the degree of cemenstone hydration. It is shown experimentally that the increases in regards to volumetric amount of fillers (up to 50%) result in non-lihear growth of composite destruction viscidity. Maximal importance of destruction viscidity is achieved for 15-days samples. Lome reductions of destruction viscidity of 30-days samples (standard time for cement-stone har-denid) testify to an enhancement of structure solidity being the result of hydration processes.
Key words: destruction viscidity - composite structure - division boundaries - dynamic loding.
