Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции - Рабинович Ф.Н.
ISBN 5-93093-306-5
Скачать (прямая ссылка):
На рис.4.9,а,б приведены характерные диаграммы зависимости между напряжениями и относительными деформациями при растяжении цементного камня, армированного непрерывными алюмоборосиликатными и базальтовыми волокнами с ориентацией их в направлении действия растягивающих усилий. На рис.4.9,в для сравнения приведены диаграммы, по данным [22], относящиеся к образцам мелкозернистого бетона (цементно-песчаный раствор), армированным ориентированно непрерывными стальными волокнами диаметром 0,132мм. Диаграммы деформирования образцов, армированных короткими базальтовыми волокнами с произвольной их ориентацией в объеме образцов представлены на рис.4.9,г.
Данные позволяют выделить обобщенные варианты диаграммы для направленно армированных образцов с неметаллическими волокнами, которые приведены на рис.4.10. Как видно из рис.4.10,а, при растяжении стеклоармированных образцов на диаграмме фиксируются четыре характерные стадии работы материала. Первая (упругая) стадия продолжается до появления трещины в цементной матрице, относительные деформации композита в этой стадии равны соответствующим деформациям матрицы и волокон. На графике деформации эта стадия отображает- ые деформации
Рис.4.10. Обобщенные диаграммы растяжения
образцов
а — однонаправленно-армированных непрерывными стеклянными; б — стальными волокнами; в—участок диаграммы между первой и второй стадиями работы материала в увеличенном масштабе; г — характер разрушения образцов, армированных стеклянными волокнами в первые сроки после их изготовления (I); после выдерживании в воздушно-влажных условиях (II); неармированных образцов (III) независимо от сроков и условий хранения
ся линейным участком диаграммы OA, наклон которой удовлетворительно описывается известным уравнением аддитивности:
Efb =y/Eb^-iuf)+(pEffif. (4.9)
Соответственно напряжения в армированном материале в этой стадии могут быть определены из выражения
Ofb = Wb (1 - Hf)+ (4.10)
где коэффициенты у/" и (р отражают вклад в работу композита соответственно матрицы и волокон. В первой (упругой)стадии \\f-(p-\.
С увеличением нагрузки напряжения в матрице приближаются к пределу ее прочности Ofb Rfbt crc. До появления трещины в объеме матрицы возникают локальные микроразрывы, наступает конечный и весьма короткий этап I а стадии I. На этом этапе работы (I а), завершающимся достижением напряжений в матрице, равных Rfbtcrc, напряжения в волокнах повышаются до 2nRfbtcrc. Образование разрывов (трещин) в матрице приводит к понижению жесткости композита, этот процесс сопровождается изменением направления диаграммы, появлением на ней отдельных ступенек, как это показано в увеличенном масштабе на рис.4.10,е. Вместе с тем, испытания показывают, что нарушение сплошности в материале матрицы в этой стадии еще не является сквозным. Предельные деформации армированных образцов цементного камня в момент образования трещин в их объеме (при максимальных уровнях содержания волокон в образцах) составляли величину порядка 2,8...3,2-10"4. Деформации аналогичных неармированных образцов в момент их разрушения при растяжении изменялись в пределах 1,3...1,740"4. Деформации, соответствующие напряжениям Gfmin в опытных образцах (начало обрыва отдельных армирующих волокон), как показали испытания, были практически на порядок выше, составляя примерно 2,5...3,0в10'3. Это хорошо согласуется сданными статистических исследований работы отдельных нитей стекловолокон при растяжении [2].
Образование трещины в матрице совпадает с началом второй стадии работы композита (участок диаграммы AB на рис.4.10). В этой стадии вклад в работу бетонной матрицы сохраняется лишь на участках между трещинами, в сечениях с трещиной усилия от нагрузки воспринимают в основном волокна. На границе между пер-
Относительн
Стадия I Il III IV
Участок Ila 2 3 А 5
Интервал коэффициентов V= 1 ц=0
Ф =1 Ф =1 1>ф>0 1>ф»0 вой и второй стадиями на диаграмме наблюдается характерный перелом. Ширина раскрытия трещин на этом этапе работы композита чрезвычайно мала и не превышает тысячных долей миллиметра. Значение коэффициента, учитывающего вклад в работу бетона, в формулах (4.9) и (4.10) во второй стадии изменяется в пределах 0<ул<1.
Третья стадия работы армированного материала начинает проявляться при достижении напряжений в волокнах Gf = Gfmjn, т. е. с момента, при котором возрастание нагрузки приводит к обрыву наиболее слабых волокон и постепенному выводу их из работы. В целом диаграмма G— є приобретает вид ломаной линии. С разрывом волокон в третьей стадии (участок диаграммы BK на рис.4.10,а) напряжения на их концах падают до 0 и одновременно существенно возрастают касательные напряжения на этих участках — в зоне контакта волокна с бетоном. Дальнейшее развитие процесса разрушения может сопровождаться либо нарушением адгезионной связи на границе между волокном и матрицей, распространяющимся вдоль волокон по мере их обрыва с одновременной передачей возникающих усилий на оставшуюся часть волокон, работающую как на участках с трещинами, так и в промежутках между ними, либо происходит сдвиговое разрушение матрицы. Эти процессы, вероятно, могут совмещаться, о чем, в частности, свидетельствовал характер разрушения опытных образцов. В месте разрыва образцов наблюдались короткие поперечные разрывы цементной матрицы, разделенные сравнительно длинными продольными трещинами (рис.4.10,г, I). При этом в месте разрыва в образцах имелись достаточно длинные выпуски (пучки) разорвавшихся волокон, что указывало на их выдергивание из матрицы после исчерпания несущей способности композита. Значительное влияние на характер разрушения образцов оказывают также условия их хранения. Например, в образцах на глиноземистом цементе, выдержанных длительное время (6 мес) при повышенной влажности окружающей среды, или на портландцементе, хранящихся в тех же условиях, но более короткое время (0,6 мес), разрыв при испытаниях оказывался более ровным с меньшим количеством продольных трещин по сравнению с образцами, хранившимися на воздухе в нормальных условиях. При этом длина пучков (выпусков) волокон в месте разрушения образцов была соответственно короче (рис.4.10,г, II). Это указывает на то, что между стекловолокном и цементной матрицей с течением времени (особенно при повышенной влажности воздуха) протекают взаимодействия, обусловливающие повышение адгезионной связи на границе их контакта, приводящие также к упрочнению материала самой матрицы и одновременно изменяющие характер разрушения композита. Параллельно с этим, как уже отмечалось ранее, в результате воздействия щелочной среды гидратирую-щихся цементов происходит понижение прочности армирующих (минеральных) волокон, что приводит к снижению прочности самих образцов. В меньшей степени эти процессы проявляются при использовании в качестве армирующего материала щелочестойких стекловолокон или если для получения матрицы используется гипсовое вяжущее.
