Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




13.08.2018


13.08.2018


10.08.2018


09.08.2018


08.08.2018


08.08.2018


07.08.2018


07.08.2018


07.08.2018


04.08.2018





Яндекс.Метрика
         » » Прочность и деформативность каркасных композиционных материалов при статическом нагружении

Прочность и деформативность каркасных композиционных материалов при статическом нагружении

31.03.2016

Прочность каркасных композиционных материалов определяется многими факторами: прочностью каркаса и матрицы, соотношением их прочностных и упругих свойств, степенью адгезионного взаимодействия между заполнителем, клеем каркаса и матрицей и т. д.
При проектировании. и расчете строительных конструкций и изделий необходимо знать различные показатели и соотношения для материала: зависимость прочности от размера образцов; соотношение призменной и кубиковой прочности; поведение материала при местном сжатии; зависимость прочности от скорости нагружения. Испытанием кубов с размером ребра 7, 10, 15 и 20 см установлено, что масштабный эффект у каркасных полимербетонов аналогичен цементным бетонам. Более высокая прочность малых образцов объясняется меньшей вероятностью нахождения в структуре опасного дефекта.
В качестве показателя, характеризующего действительную прочность бетона в конструкции, рассматривают призменную прочность. Известно, что у цементных бетонов она ниже, чем прочность, получаемая при испытании кубов. При этом соотношение Rпр/Rкуб изменяется от 0,6 до 1 и зависит от свойств и вида бетона. При определении этого соотношения для каркасных композитов рассматривались материалы на различных полимерных связующих — смоле ПН-1 и эпоксидных компаундах ЭКР-22 и К-153. В качестве заполнителей применяли керамзит фракции 5—10 мм. Его расход во всех случаях составлял 400 мас. ч. на 100 маc. ч. смолы. В качестве пропиточной матрицы применялась композиция на основе компаунда ЭКР-22, наполненная кварцевым порошком с удельной поверхностью 2100 см2/г. Результаты испытания призм размером 4x4x16 см и кубиков размером ребра 4 см приведены в табл. 6.1.
Прочность и деформативность каркасных композиционных материалов при статическом нагружении

У каркасных полимербетонов призменная прочность выше кубиковой. Это, видимо, объясняется повышенной и прочностью на растяжение. При увеличении высоты образцов увеличивается площадь сечения, воспринимающая растягивающие усилия. В зависимости от вида вяжущего отношение призменной прочности к кубиковой составляет 1,03—1,08.
При испытаниях бетона на местное смятие наблюдается эффект сдерживания деформаций окружающим ненапряженным материалом. По этой причине у бетонов сопротивление местному смятию превышает его прочность на сжатие. Изменение прочности каркасных полимербетонов в зависимости. от относительной площади Грузовой площадки характеризуется линейными зависимостями. Увеличение прочности композита при местном приложении нагрузки определяется видом заполнителя. Самые высокие показатели соответствуют композитам с прочными заполнителями. Испытание кубиков с размером ребра 4 см по грузовым площадкам 16 и 4 см2 показали превышение прочности во втором случае в 1,4 и 1,2 раза соответственно на гранитном заполнителе и термолитовом гравии.
Скорость нагружения изделий из каркасных материалов в некоторых областях эксплуатации, например в покрытиях полов промышленных зданий с внутрицеховым транспортом, может быть самой различной. В этой связи необходимо знать, как изменяются прочностные и упругие показатели бетонов. Экспериментальные исследования свидетельствуют, что с повышением скорости нагружения прочность образцов резко увеличивается, а модуль упругости меняется незначительно.
Испытания с целью определения влияния прочности и модуля упругости матрицы на прочность композитов проводились на бетонах с эпоксидными каркасами и полиэфирными матрицами. При этом одна партия полиэфирных связующих имела модуль упругости 8000 МПа, но различные прочности при растяжении — 22,5, 17,6 и 15,9 МПа, а другая партия образцов имела прочность при растяжении 19,0 МПа, но различные модули упругости — 6223, 8124 и 10435 МПа. Прочность каркаса составляла 6,0 МПа, а модуль упругости клея каркаса — 800 МПа. Испытания показали (рис. 6.1), что прочность каркасного полимербетона повышается с увеличением прочности и модуля упругости матрицы, в то же время с увеличением ее предельной растяжимости выше 0,015 прочность полимербетона резко падает (рис. 6.2).
Прочность и деформативность каркасных композиционных материалов при статическом нагружении

С целью установления зависимости прочности от интенсивности адгезии клея к зернам заполнителей в бетоне в одном случае их перед приготовлением каркаса обрабатывали парафином, а в другом обработка не проводилась. При первом варианте прочность составила 20 МПа, что в 5 раз ниже по сравнению с вариантом без обработки.
Прочность каркасного композита в зависимости от размера зерен заполнителя изучалась на полимербетонах с пористыми заполнителями (рис. 6.3). Снижение прочности при увеличении размера зерен происходит вследствие повышения структурных усадочных напряжений на границе раздела заполнитель — матрица, уменьшения прочности заполнителей, а также укорочения пути растущей трещины. Наибольшая прочность получена на фракциях 5—10 и 10—20 мм. На фракции менее 5 мм происходит снижение прочности из-за появления в структуре полимербетона дефектов, образующихся вследствие недостаточно полной пропитки каркаса. Получение каркасных полимербетонов на мелких заполнителях возможно при применении полимерных композиций малой вязкости как для каркаса, так и для матрицы; уменьшении размеров изделий; применении специальных методов пропитки.
Прочность и деформативность каркасных композиционных материалов при статическом нагружении

Каркасные композиты относятся к материалам с контактирующими заполнителями, поэтому установление взаимного влияния последних на напряженное состояние является весьма важным. При выполнении исследований каркасы с различной раздвижкой зерен получали путем склеивания заполнителей круглой формы с предварительно нанесенной на его поверхность пленкой вяжущего различной толщины, что достигалось обработкой поверхности заполнителя связующим 1, 2, 3 и 4 раза. Испытания показали, что прочность бетона более заметно падает с увеличением раздвижки заполнителей более 0,2 мм (рис. 6.4).
Прочность и деформативность каркасных композиционных материалов при статическом нагружении

Большое разнообразие связующих и заполнителей позволяет получать каркасные композиты с различными физико-механическими показателями. Определяющей характеристикой механических свойств строительных материалов является прочность при сжатии. Мы определяли ее на образцах размером 4x4х16 см. При получении образцов применяли связующие и заполнители различной природы. Крупность заполнителей была принята равной 5—10 мм. Заполнители склеивались в каркас ненаполненными клеями, а его пропитка осуществлялась наполненными составами. В качестве наполнителя для пропиточных матриц применялся маршалит. Результаты испытания свидетельствуют о высокой прочности каркасных композитов (рис. 6.5). Этот показатель в зависимости от прочности, формы и шероховатости поверхности крупного заполнителя колеблется в больших пределах. Более высокая прочность при сжатии соответствует композитам на эпоксидных связующих и гранитном заполнителе.
Прочность и деформативность каркасных композиционных материалов при статическом нагружении

Каркасные композиты имеют повышенную прочность при изгибе. В результате испытания балочек одной сосредоточенной силой для композитов на эпоксидных, полиэфирных и цементных связующих получены значения, равные соответственно 18,0, 15,0 и 7,2 МПа. Прототипы каркасных композитов — KM обычной структуры показали прочность при изгибе ниже на 10 %. Более высокие значения их прочности по сравнению с обычными наблюдаются и при испытании на растяжение. Прочность стандартных восьмерок на полиэфирных связующих с гранитным заполнителем и керамзитом составила соответственно 9,0 и 5,9 МПа у каркасных и 5,2 и 4,5 МПа у обычных композитов. Повышение прочности у новых материалов объясняется более высокой адгезией растворной составляющей с заполнителями в каркасных материалах.
Прочность и деформативность каркасных композиционных материалов при статическом нагружении

Важными структурообразующими факторами, существенно влияющими на прочность каркасных композитов, являются степень наполнения пропиточной матрицы, а также дисперсность и природа используемого при этом наполнителя. Исследования проведены на призмах размером 4x4x16 см. В качестве связующего для каркаса и пропиточной матрицы использовалась полиэфирная смола ПН-1, которая отверждалась гиперизом и нафтенатом кобальта. В качестве крупного заполнителя каркаса использовался гранитный щебень фракции 5—10 мм. Порошки разной дисперсности для наполнения матрицы получали путем помола стандартного кварцевого песка в лабораторной шаровой мельнице. Идя исследований использовались порошки со средним диаметром 6,250; 7,143 и 8,696 мкм. При выборе размера зерна наполнителя учтено соотношение (2.36). Удельная поверхность порошков, определенная методом воздухопроницаемости, соответственно составила: 3200, 2800 и 2300 см2/г. При малом содержании наполнителя (до 60 %) каркасные полимербетоны обладают незначительной прочностью (рис. 6.6), так как малонаполненные пропиточные композиции из-за неоднородной структуры, имея невысокую прочность, при пропитке к тому же расслаиваются. При дальнейшем увеличении наполнения матрицы прочность полимербетонов нарастает. Оптимальной областью наполнения следует считать при удельной поверхности наполнителя 2300 см2/г — 90—170 %, 2800см2/г — 90—150 и 3200 см2/г — 60—120 %. Дальнейшее наполнение ведет к снижению прочности. Это объясняется возрастанием вязкости пропиточной композиции, которая при снижении более 15 см2 не обеспечивает качественную пропитку каркаса. С увеличением дисперсности наполнителя прочность каркасною полимербетона повышается, однако применение наполнителей с удельной поверхностью более 3500 см2/г нецелесообразно, так как они резко увеличивают вязкость композиций. К тому же с повышением дисперсности наполнителя уменьшается его доля в полимерной композиции.
При получении каркасных полимербетонов высокой прочности необходимо целенаправленно осуществлять выбор наполнителя для пропиточной матрицы. Так, например, ранее было показано, что хорошими свойствами обладает композиция на полиэфирной смоле марки ПН-1, наполненная портландцементом. Высокопрочная пропиточная композиция позволяет получать полимербетоны каркасной структуры с высокой прочностью. В табл. 6.2 приведены показатели прочности на сжатие и растяжение каркасных полимербетонов, составленных на различных каркасах с полиэфирной матрицей, наполненной портландцементом.
Прочность и деформативность каркасных композиционных материалов при статическом нагружении

Сравнение свойств полимербетонов на эпоксидном и полиэфирном каркасе и получаемых простым смешиванием компонентов показывает преимущество первых. В качестве прототипа рассматривался полимербетон, который был изготовлен согласно инструкции, но с введением портландцемента вместо кварцевого тонкодисперсного наполнителя.
Прочность каркасных бетонов можно повысить при их изготовлении на комплексных связующих и армированных каркасах. Бетоны на комплексных связующих составляются на каркасах и матрицах, получаемых на разных типах связующих. Например, матрица гипсовая, каркас цементный или полимерный; матрица цементная, каркас полимерцементный и т. д. С помощью таких комбинаций достигается увеличение прочности и улучшение других свойств композитов. Так, прочность при изгибе гипсового и цементного бетона на полимерном каркасе и гранитном заполнителе возрастает соответственно с 4,0 до 5,2 МПа и с 6,7 до 7,8 МПа. Причем наиболее высокий эффект достигается в случае применения для склеивания каркаса полимерных соединений, твердеющих во влажных средах, одновременно с цементной матрицей.
Ниже приведены результаты испытаний образцов из полимерцементных бетонов каркасной структуры, отличающихся степенью отверждения каркаса перед его пропиткой матрицей. Зерна заполнителя на основе гранитного щебня размером 5—10 мм после обработки полимерным соединением, взятым в количестве 3,5 % От массы заполнителей, уложенные в форму, пропитывались полимерцементной матрицей через 0, 1, 2, 4, 24 и 672 ч. Каркасы твердели в нормальных температурно-влажностных условиях. Состав для матрицы принимался следующий (%): портландцемент — 20, кварцевый порошок с удельной поверхностью 2100 см2/г — 60, эпоксидная смола марки ЭД-20 — 5, аминосланцефенольный отвердитель — 5, вода — 10. Образцы размером 4x4x16 см испытывали на изгиб и на сжатие после твердения в нормальных условиях в течение 28 сут. Результаты испытаний приведены на рис. 6.7. Из их сравнения видно, что лучшие показатели прочности имеют образцы, у которых каркас и матрица отверждались совместно. Влияние дисперсной арматуры на прочность при сжатии и изгибе, а также удельную ударную вязкость каркасных композитов определялось на полиэфирных полимербетонах с гранитными заполнителями. Варьировались количество и длина армирующих волокон. Опыты показали, что оптимальное их содержание составляет 0,5—1,5 % по массе (рис. 6.8).
Прочность и деформативность каркасных композиционных материалов при статическом нагружении

Основным показателем, характеризующим деформативность материалов при воздействии нагрузок, является модуль упругости. Модуль упругости каркасных композитов зависит от прочности и деформативности матрицы, клея каркаса и заполнителей. Испытания бетонов, составленных на щебне из кирпичного боя и различных связующих, показывают более высокие значения модуля упругости у цементных материалов (рис. 6.9). Сравнение полиэфирных и эпоксидных полимербетонов свидетельствует об увеличении этого показателя в 2 раза для материалов на эпоксидных смолах. Каркасные асфальтобетоны характеризуются высокой деформативностью и имеют самые низкие значения модуля упругости. Каркасные композиты являются высоконаполненными бетонами. Это позволяет путем регулирования жесткости заполнителей получать бетоны с различными показателями модуля упругости. Из графика видно, что при применении в качестве крупного заполнителя керамзита вместо гранитного щебня модуль упругости композита снижается более чем в 2 раза.
Прочность и деформативность каркасных композиционных материалов при статическом нагружении

Деформативности регулируется также клеевым слоем каркаса и матрицей (рис. 6.10). Жесткие клеи позволяют получать композиты с повышенными значениями модуля упругости, а вязкоупругие — с пониженными. Это видно по показателям эпоксидных бетонов соответственно на цементном и битумном каркасе. Увеличить жесткость каркасных композитов позволяет введение в состав каркаса дисперсной арматуры и кварцевого песка, а также добавление в состав матрицы кварцевого наполнителя. Наибольший эффект в этом случае достигнут при введении жестких угольных волокон в количестве 2,5 % от массы заполнителей. При введении же пластифицирующих добавок как в каркас, так и в матрицу модуль упругости понижается.
Прочность и деформативность каркасных композиционных материалов при статическом нагружении

Важное практическое значение для KM имеет коэффициент поперечной деформации. Данный показатель, как и модуль упругости, является характеристикой упругих свойств материала. Зная коэффициент поперечной деформации, можно вычислить изменение его объема при нагружении. Исследования каркасных композитов показали зависимость коэффициента от вида крупного заполнителя и связующего. Коэффициенты поперечной деформации для композитов на эпоксидном связующем и на гранитном, термолитовом и керамзитовом заполнителях составили соответственно 0,32; 0,28 и 0,21.