Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции - Рабинович Ф.Н.
ISBN 5-93093-306-5
Скачать (прямая ссылка):
Важными в настоящее время являются вопросы экономии энергии, необходимой для производства различных строительных материалов. Известно, в частности,* что количество энергии, требующейся для производства бетонов, оказывается минимальным по сравнению с количеством энергии (приведенной к единому эквиваленту), необходимой для изготовления стали, алюминия, стекла, кирпича, пластмасс. Производство бетонных материалов помимо этого требует меньшего по сравнению с производством стали расхода воды и в меньшей степени влияет на загрязнение окружающей среды. Армирование бетонов приводит к соответствующему повышению энергоемкости материала. Так как применение армированных сталью бетонов осуществляется в широких масштабах, становится существенной проблема максимального сокращения расхода металла и наиболее рационального его использования в бетоне.
Например, во многих случаях армирование бетонов стальной арматурой осуществляется только исходя из действующих на конструкцию усилий во время транспортирования или монтажа. При этом толщина конструктивных элементов устанавливается, как правило, не менее 60-80мм (поскольку необходимо предусматривать достаточную толщину бетонного защитного слоя для предохранения арматуры от коррозии). Вполне очевидно, что указанная толщина элементов с точки зрения прочности может оказаться неоправданной. Это приводит к неизбежному перерасходу конструкционных материалов, в том числе арматуры, которая при эксплуатации конструкций практически не выполняет своего прямого назначения. Кроме того, значительное количество стали в железобетонных конструкциях расходуется на монтажную, поперечную и распределительную арматуру. Коэффициент использования арматуры колеблется от 1,3 до 4,5**. Как видно, имеются потенциальные возможности снижения расхода арматуры в конструкциях. Поэтому дальнейшее совершенствование бетонных материалов должно предусматривать не только улучшение их механических характеристик, но и изыскание путей наиболее рационального использования металлической арматуры, а также создание новых эффективных армирующих материалов.
В настоящее время достигнуты значительные успехи в области повышения активности минеральных вяжущих веществ — цемента и гипса, используемых для изготовления различных видов бетонов. Это позволило разработать составы бетона с пределом прочности на сжатие до 80-100МПа, а гипсовых отливок до 50МПа. Одна
^Kreijger P.S. Beton is onze planetaire huishouding. "Cement", 1974, №3, Р.93-101.
**Байков В.Н. Железобетонные конструкции. - M., 1974. - 654с. ко прочность растворов и бетонов при растяжении остается во много раз ниже прочности на сжатие. В связи с этим использование волокон в качестве арматуры с целью преодоления недостаточной прочности при растяжении бетонных материалов может создать предпосылки для получения бетонов нового типа, с более широкими возможностями их применения в строительстве.
Как и в традиционно армированных структурах, упрочнение волокнами основывается на предположении, что материал бетонной матрицы передает волокнам приложенную нагрузку посредством касательных сил, действующих по поверхности " раздела, и, если модуль волокна больше модуля матрицы, то основную долю приложенных напряжений воспринимают волокна, а общая прочность композиции пропорциональна их объемному содержанию.
Принципы построения композитов лежат в основе организации структуры многих природных материалов*. Например, легкий и прочный бамбук является характерным композиционным материалом, в котором мягкая целлюлозная составляю- , щая упрочнена вытянутыми в нитку кристаллами оксида кремния. Совершенную композицию представляют собой кости**. Дисперсное распределение кристаллов извести в кости, их сцепление и ориентация в коллагене обеспечивают не только высокую прочность, но и трещиностойкость композита. Трещины, которые могли бы развиться в кости под нагрузкой благодаря прочной связи кристаллов извести с пластичным коллагеном, блокируются, при этом значительно снижается "чувствительность" материала к внешним воздействиям. Вместе с тем материал, подобный кости, не мог бы являться эффективной арматурой для бетона, так как модуль упругости костной ткани (21000 МПа) практически не превышает модуля упругости рядового бетона. Тем не менее соотношения между модулями костей и биологических тканей (для которых кости являются армирующим материалом) изменяются в пределах 35-100, т.е, значительно превышают те же соотношения между модулями арматурной стали и бетона.
В исследованиях, относящихся к дисперсному упрочнению бетонных материалов, можно выделить два направления. Одним из них для решения данной задачи предлагается применение специальных затравок, интенсифицирующих процессы твердения бетона и улучшающих его физико-механические показатели, В работах профессора В.В. Тимашева*** в качестве таких затравок использовались нитевидные кристаллы гидросиликатов кальция, достаточно близкие по своим физическим и физико-химическим параметрам к новообразованиям, возникающим при гидратации цементных вяжущих. Данный метод позволял обеспечить повышение прочности бетона на изгиб до 2-4 раз. Определенный интерес представляет направленная кристаллизация новообразований в процессе твердения бетона, т. е. обеспечение дисперсного самоармирования бетона за счет образования в его объеме ориентированных сростков новообразований в виде кристаллогидратов, позволяющих существенно повысить прочность образцов. Говоря о безусловной перспективности этого направления, следует, однако, отметить, что в данном случае вряд ли могут быть полностью устранены различия между прочностью бетона на сжатие и растяжение, поскольку модули упругости новообразований в виде дисперсной кристаллической фазы и материала бетонной матрицы в целом незначительно отличаются друг от друга.
