Влияние параметров стекловолокон на физико-механические характеристики стеклоцементных композиций

Вісник ПДАБА

пологих оболонок / А. Г. Зеленський, О. П. Прусаков, М. Г. Вовченко // Вісник Дніпропетр. ун-ту. Механіка. - 1999. - В. 2, т. 2. - С. 58 - 65.

4. Зеленський А. Г. Варіант уточненої теорії згину однорідних фізично нелінійних пологих оболонок / А. Г. Зеленський // Вісник Дніпропетр. ун-ту. Механіка. - 2001. - В. 4, т. 1. - С. 56 - 64.

5. Зеленський А. Г. Аналітична теорія розрахунку нетонких пластин та оболонок і її застосування / А. Г. Зеленський // Теоретичні основи будівництва. - Д. : ПДАБА, 2006. - № 14. - С. 569 - 578.

6. Зеленський А. Г. Метод взаємозв’язаних рівнянь вищого порядку в аналітичній теорії пологих оболонок / А. Г. Зеленський // Методи розв’язування прикладних задач механіки деформівного твердого тіла. - Д. : Наука і освіта, 2007. - В. 8. - С. 67 - 83.

7. Зеленський А. Г. Метод розв’язування системи диференціальних рівнянь високого порядку в аналітичній теорії нетонких оболонок / А. Г. Зеленський // Методи розв’язування прикладних задач механіки деформівного твердого тіла. - Д. : Наука і освіта, 2008. - В. 8. - С. 93 -103.

8. Зеленський А. Г. Метод подвійних тригонометричних рядів в аналітичній теорії нетонких фізично нелінійних пологих оболонок / А. Г. Зеленський // Вісник Дніпропетр. ун-ту. Серія Механіка. - 2009. - В. 13, т. 1. - Т. 17, № 5. - С. 121 - 132.

9. Каудерер Г. Нелинейная механика / Г. Каудерер. - М. : Изд-во иностр. лит., 1961. - 777 с.

10. Метод возмущений в краевых задачах механики деформируемых тел / [В. Д. Кубенко, Ю. Н. Немиш, К. И. Шнеренко. Н. А. Шульга] // Прикл. механика. - 1982. - Т. 18, № 11. - С. 3 - 20.

11. Немиш Ю. Н. Напряженно-деформированное состояние нетонких оболочек и пластин. Обобщенная теория (Обзор) / Ю. Н. Немиш, И. Ю. Хома // Прикл. механика. - 1993. - Т. 29, № 11. -С. 3 - 32.

12. Немиш Ю. Н. Развитие аналитических методов в трехмерных задачах статики анизотропных тел / Ю. Н. Немиш // Прикл. механика. - 2000. - Т. 36, № 2. - С. 3 - 38.

13. Немиш Ю. Н. Физически нелинейные пространственные задачи об упругом равновесии деформируемых тел / Ю. Н. Немиш // Прикл. механика. - 2000. - Т. 36, № 9. - С. 35 - 66.

14. Пискунов В. Г. Развитие теории слоистых пластин и оболочек / В. Г. Пискунов, А. О. Рассказов // Прикл. механика. - 2002. - 38, № 2. - С. 22 - 57.

15. Плеханов А. В. Об одном асимптотическом методе построения теории изгиба пластин средней толщины / А. В. Плеханов, А. П. Прусаков // Механика твердого тела. - 1976. - № 3. - С. 84 - 90.

16. Прусаков А. П. О построении уравнений изгиба двенадцатого порядка для трансверсальноизотропной пластины / А. П. Прусаков // Прикл. механика. - 1993. - Т. 29, 12. - С. 51 - 58.

17. Reissner E. On a variational theorem in elasticity / E Reissner // I. Math. and Phys. - 1950. - V. 29, № 2. - P. 90 - 95.

УДК 666. 914.5:663.543:002.68

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СТЕКЛОВОЛОКОН НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕКЛОЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Л. В. Саламаха, асс., Е. Г. Кушнир, асп., А. И. Бегун *, к. т. н.

*Днепропетровский государственный аграрный университет

Ключевые слова: волокна, стойкость, твердение, портландцемент, сравнение.

Постановка проблемы. Применение стекловолокна одновременно с органическим волокном для армирования цемента или раствора обусловлено используемой его значительной прочностью на растяжение и относительно низким удлинением. Содержание стекловолокна относительно низкое, так как при повышенном его количестве возникают трудности при смешивании и уплотнении образцов. Попытки использовать стекловолокно для армирования цемента не были очень удачными из-за того, что щелочь, образуясь при гидратации и гидролизе цемента, вызывала коррозию волокна всех известных типов. За рубежом появилось выражение о несовместимости цемента и алюмоборосиликатного волокна. В Англии в начале 1960-х годов было изобретено щелочестойкое волокно Сеm - Fil, которое стало использоваться для армирования тонкостенных изделий на основе цемента. Аналогично в ГИС (СССР) был разработан состав щелочестойкого стекла Щ-15-ЖТ, а затем в России начали изготавливать

30

№ 1 - 2 січень - лютий 2011

аналогичный вариант волокон под маркой Щ-16-ЖТ. Химический состав щелочестойких волокон представлен в таблице 1.

Т а б л и ц а 1

Химический состав щелочестойких волокон

Марка Содержание основных оксидов, % по массе

стекловолокна SiO2 Al2O3 Fe2O3 ZrO2 CaO MgO Na2O K2O TiO2

Щ-16-ЖТ, Россия 72,40 1,70 1,80 5,35 7,50 - 11,16 - -

Сет - Fil, Англия 68,63 0,46 0,03 8,95 6,0 0,26 15,38 0,26 0,06

Цель исследований. Определение степени коррозионной стойкости волокон в среде твердеющего портландцемента, а также исследование влияния параметров армирующего компонента на свойства стеклоцементных композиций.

Основной материал. По данным А. А. Пащенко [1], такие натрийкальцийсиликатные стекла, содержащие оксид ZrO2, который повышает щелочестойкость, обладают и высоким пределом прочности при растяжении (рис. 1).

Как видим, прочность при растяжении зависит от диаметра волокна и чем больше его диаметр, тем меньше прочность. Для натрийкальцийсиликатных волокон падение R растяж. колеблется от 1 900 до 1 100 МПа (при D = 27 мкм).

В Англии устойчивость стекловолокон к воздействию щелочей определяют как по уменьшению диаметра [2; 3], так и по снижению прочности (R растяж.) волокон после выдержки в воде, или в стандартных агрессивных растворах [4]. Отдельные волокна закрепляют на полиэтиленовых рамках, которые затем погружают в емкость с агрессивными растворами и хранят их в ваннах с постоянной температурой. В качестве агрессивных сред для оценки коррозионной стойкости стекловолокон используют следующие растворы: 1н NaOH при 100 оС в течение 1,5 часов; насыщенный раствор Са(ОН)2 при 100 оС в течение 4 часов; синтетический раствор, моделирующий жидкую фазу цементного теста при 80 оС состав этого раствора при комнатной температуре (NaOH = 0,88 г/л, КОН = 3,45 г/л, Са(ОН)2 = 0,48 г/л, рН раствора 12,5) был выбран таким образом, чтобы воспроизвести жидкую фазу твердого портландцемента. Результаты исследования коррозионной стойкости волокон по уменьшению его диаметра приведены в таблице 2, а по уменьшению прочности при растяжении - на рисунке 2.

D волокон, мкм

Рис. 1. Графики зависимости прочности при растяжении от диаметра стекловолокон: 1 - алюмоборосиликатного; 2 - натрийкальцийсиликатного; 3 - боратного; 4 - свинцового; 5 -

силиката натри

Из рисунка 2 следует, что щелочестойкое волокно выдержало требования английского стандарта. Даже потеряв 20 МПа после испытания, оно обладало прочностью при растяжении на уровне ~ 12 МПа, в то время как алюмосиликатное волокно разрушилось ранее конца эксперимента.

Т а б л и ц а 2

Среднее уменьшение диаметра волокна (%), обработанного в агрессивных середах

31

Вісник ПДАБА

при 100°С

№ образца Стекловолокно 1н раствора NaOH, 1,5 часа Насыщенный раствор Са(ОН)2, 4 часа

1 Пирекс 22 2

2 Е 59 9

3 А 15 10

4 Щелочестойкое 5 1

Рис. 2. Прочность при растяжении стекловолокна, подвергнутого обработке синтетическим раствором при 80 оС: 1 - волокно из щелочестойкого стекла; 2 - волокно из Е-

стекла

Из табличных результатов видно, что введение в химический состав стекла ZrO2 значительно увеличивает коррозионную стойкость щелочестойкого волокна.

По данным А. А. Пащенко [1], при действии насыщенного раствора извести все волокна большей или меньшей степени теряют прочность. Изменение R растяж. щелочестойкого волокна (содержание ZrO2 ~ 6 %) и циркониевого волокна (содержание ZrO2 до 15 %) после выдержки в агрессивной среде насыщенного раствора Са(ОН)2 показано в таблице 3.

Т а б л и ц а 3

Изменение прочности стеклянных волокон после воздействия насыщенного раствора

Са(ОН)2

Состав волокна Время, мин воздействия насыщенного раствора Са(ОН)2 Предел прочности при растяжении, МПа Снижение прочности при растяжении, %

Натрийкальций- силикатное - 1 837 -

Натрийкальций- силикатное 6 1 359 26,02

Натрийкальций- силикатное 12 941 48,78

Циркониевое - 2 297 -

Циркониевое 6 2 271 1,04

Циркониевое 12 1 087 52,7

Анализируя табличные данные, заметим, что натрийкальциевые силикатные стекла обладают достаточно высокой коррозионной стойкостью на уровне циркониевого волокна и могут быть использованы в композициях с портландцементом. Кроме того, такие волокна обладают значительным модулем упругости - 66 000 МПа, их полное разрывное удлинение -2,7 %, при содержании волокна - 4,3 %, рекомендуемая объемная его доля в стеклоцементе -0,0325 %.

32

№ 1 - 2 січень - лютий 2011

Для дальнейшего использования щелочестойкого волокна в стеклоцементных композициях необходимо фактически определиться с оптимальной длинной волокон и их расходом. При изготовлении образцов методом распыления существует трудность установки лезвий резательной машины при изготовлении волокон длиной менее 5 мм. Кроме того, некоторые различия в свойствах композитов, вызванные изменением длины и содержания волокна, объясняются сложностью в получении однородного плотного композиционного волокнистого материала на основе многофазной цементной матрицы. Для таких материалов существует верхний предел содержания армирующих волокон, выше которого его упрочняющее действие не может быть эффективно использовано. Для изделий из стеклоцемента, приготовленных по методу напыления, оптимальное содержание волокна должно составлять около 6 %, а длина меньше 40 мм [2]. Для подтверждения этих установочных требований были проведены механические испытания стеклоцементных композиций. Результаты испытаний занесены в таблицу 4.

Т а б л и ц а 4

Прочность при изгибе и ударная прочность стеклоцемента

Содержание волокна, в % по массе Длина волокна, мм Механические свойства образцов в возрасте

7 суток 28 суток

Предел прочности при изгибе, R -^-изг.? МПа Ударная прочность будара, кДж\м2 Твердение на воздухе Твердение в воде

^изг^ МПа R-удара, кДж\м2 К-изг. , МПа Кудара, кДж\м2

2,5 10 16 6 18 8 17 7

20 20 9 21 9 19 7

30 23 7 24 10 22 6

40 25 9 28 12 27 7

5,0 10 24 13 28 14 24 10

20 32 18 38 17 32 16

30 39 17 41 22 38 17

40 40 22 42 22 38 15

7,5 10 31 20 35 15 37 17

20 41 24 49 29 41 20

30 38 23 46 28 41 22

40 44 25 53 31 48 24

10,0 10 34 32 43 30 37 28

20 32 30 46 47 33 25

30 48 26 57 38 44 27

40 43 30 53 39 42 27

Экспериментальные данные показывают, что, в отличие от сведений, представленных в работе [2], рост прочности образцов при изгибе, начиная с семисуточного возраста и по 28-е сутки происходит линейно для волокон различной длины (от 10 до 40 мм) до их расхода 7,5 %, после чего происходит либо падение прочности, либо, в некоторых случаях, остановка набора прочности. Этот процесс характерен для способа приготовления смеси методом напыления и для различных условий твердения. Следует объяснить быстрый набор прочности к семи суточному возрасту, которая к 28-суточному возрасту практически одинаковая. Увеличение R изг. образцов с содержанием волокон 7,5 % по сравнению с неармированным затвердевшим цементным тестом составляет 32-47 МПа, то есть достигается повышение прочности более чем в 6 - 9 раз. Однако, учитывая сложность технологической подготовки смесей и их нанесение, следует согласиться с авторами [2] и принять расход волокон от 2 до 6 %, а их длину менее 40 мм. Выбор оптимальных параметров стекловолокон еще раз подтверждает, что они качественно связаны со степенью гидратации цемента и изменениями пористости композиции на границе раздела волокна и матрицы.

33

Вісник ПДАБА

Ударная прочность стеклоцементных композиций возрастает с увеличением длины и содержания волокна, причем одинаковые показатели прироста прочности наблюдаются в 7- и 28-суточном возрасте образцов, твердевших при нормальной влажности и в воде. Твердение армированных образцов на воздухе приводит к повышению R удара на 10 - 17 МПа для композиций, содержащих волокна длиной L = 20, 30, 40 мм при максимальном их расходе 10 %. Этот прирост прочности объясняется следующим. При твердении в воде цемент гидратирует в большей степени. Продукты гидратации заполняют пустоты в матрице так же, как и между волокон. Общая пористость композиционного материала, таким образом, уменьшается по сравнению с образцами воздушного твердения. Волокна поэтому становятся менее гибкими, уменьшается сила трения между моноволокнами. Эти обстоятельства, вероятно, приводят к снижению ударной прочности композита. При воздушном хранении коррозионное действие цемента на стекловолокно проявляется слабее. Увеличение пористости образца является в данном случае преимуществом, так как уменьшает прочность сцепления волокна с матрицей. Большая часть волокна при этом в результате приложения нагрузки к образцу остается неповрежденной, что и определяет работу разрушения или ударную прочность композитов с хрупкой матрицей. Ударная прочность стеклоцемента повышается с увеличением длины волокна, что также объясняется возможностью более легкого «выдергивания» волокон из матрицы. Количественно R удара армированных образцов в возрасте 28 суток твердения на воздухе, содержащих 10 % волокон, при изготовлении их методом распыления, больше прочности неармированного затвердевшего цементного теста в 15 - 25 раз (29 - 55 МПа) (табл. 5, рис. 3).

Анализируя результаты испытаний, можно сказать, что сохраняется общая прочностная закономерность - R^^. меньше Rmiv в два раза. С увеличением длины стекловолокон и их процентного содержания происходит увеличение RjMim.. Точкой перегиба является содержание волокон более 6 %, что объясняется повышением общей пористости и снижением средней плотности, по причинам, описанным выше, из-за разных условий твердения цементного камня R^i™. на воздухе выше, чем в воде. Стабильно ведут себя композиции с длиной волокон 30 мм. У них наблюдается рост прочности с расходом волокон более 6 %. Видимо, стекловолокна такой длины следует использовать совместно с полимерными волокнами. Прочность при растяжении стеклоцемента больше прочности при растяжении цементного камня, армированного полимерными волокнами примерно в 5 раз, а неармированного цементного камня - на 10,3 - 19,5 МПа, то есть в 8 раз.

При 2 % расходе волокон плотность образцов сохраняет плотность матрицы, с увеличением их содержания и длины отрезков происходит снижение средней плотности из-за повышения пористости композиции. Практическая линейная зависимость уменьшения плотности от роста содержания волокон наблюдается у отрезков с длиной 30 мм.

Т а б л и ц а 5

Прочность при растяжении стеклоцемента

№ п\п Марка волокна Метод изготовления образцов Условия твердени я Длина волокон, мм Предел прочности при растяжении, МПа

содержание волокон, в %

2 4 6 8

1 Щ-16 ЖТ напыление Воздух 10 5 10 16 15

2 Щ-16 ЖТ напыление Воздух 20 7 12,5 18,5 17

3 Щ-16 ЖТ напыление Воздух 30 7,5 13 17,5 21

4 Щ-16 ЖТ напыление Воздух 40 9 15 21 22

5 Щ-16 ЖТ напыление Вода 10 8 13 18 17,5

6 Щ-16 ЖТ напыление Вода 20 7 12,5 15 17

7 Щ-16 ЖТ напыление Вода 30 6 12,5 17,5 13

8 Щ-16 ЖТ напыление Вода 40 5,5 11,5 14,5 14,5

34

№ 1 - 2 січень - лютий 2011

а

*

Р

О

(0

Q.

£

25

20

15

10

5

-*-40

10

б

2

4

6

8

Содержание волокон, %

Рис. 3. Графики зависимости предела прочности при растяжении образцов цементного камня, армированного стекловолокном различной длины, изготовленных методом распыления,

твердевших (а) на воздухе и (б) в воде

Точка перегиба вновь лежит в пределах 6 % содержания волокон. Снижение средней плотности ниже 2 000 кг/м3 композиции, в которых длина стекловолокон равна 40 мм, объясняется, видимо, увеличением общей удельной поверхности, создаваемой наполнителем, что и ведет к резкому понижению плотности.

Т а б л и ц а 6

Плотность стеклоцементных композиций

№ образца Марка волокна Метод изготовления Условия твердения Длина волокон, мм Придел прочности при растяжении, кг/м3103

Содержание волокон, в %

2 3 4 5 6 7 8

1 Щ-16 ЖТ Распыление Воздух 10 2,18 2,16 2,13 2,12 2,11 2,09 2,08

2 Щ-16 ЖТ Распыление Воздух 20 2,23 2,21 2,20 2,18 2,16 2,12 2,07

3 Щ-16 ЖТ Распыление Воздух 30 2,22 2,20 2,17 2,14 2,12 2,08 2,06

4 Щ-16 ЖТ Распыление Воздух 40 2,16 2,15 2,14 2,13 2,1 2,09 1,99

35

Вісник ПДАБА

Рис. 4. Графики изменения средней плотности образцов цементного камня, армированного стекловолокном различной длины, изготовленных методом распыления, твердевших на воздухе

Выводы. Волокно Щ -16 ЖТ обладает достаточной коррозионной стойкостью в среде твердеющего портландцемента; прочность при изгибе повышается с увеличением длины волокон и их содержания до 7,5 %; прочность при растяжении повышается с увеличением длины волокон и их содержания до 6 %; прочность при ударе повышается с увеличением длины волокон и их содержания до 10 %. Практически линейная зависимость падения плотности от роста содержания волокон наблюдается у отрезков с длиной 30 мм.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Армирование неорганических веществ минеральными волокнами / Пащенко А. А. и др. -М.: Стройиздат. - 1988. - 200с.

2. Ali M. A., Mafumdar A. and Singh B. Propertes of glass fibre cement the effect of fibre length and fibre coatent. J Maer Sci, Vol 10, 1975, p.p. 1732-1740

3. Mazumdar A. J. and Ryder J. F. Glass Technol., 9(1968)78.

4. Mazumdar A. J. and Ryder J. F. Sci Ceram., 5(1970)539.

5. ДСТУ Б В. 2.7.-23-95 Растворы технические. Общие технические условия.

6. ДБН В.2.6.-22-2001. С41 Приложение Б обязательное. Термины и определения. Государственные строительные нормы Украины. Устройство покрытий с применением ССС.

7. ГОСТ 5802-86 Растворы строительные. Методы исследований.

8. ГОСТ 25238-82 Цемент для строительных растворов. Технические условия.

9. ГОСТ 8736-85 Песок для строительных работ. Технические условия.

10. ДСТУ-ПБВ.2.7-126 Смеси строительные сухие модифицированные. Общие технические условия.

УДК 622.4:532.5.95.2

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕДАЧИ ХЛАДОНОСИТЕЛЯ В ШТАТНЫХ СИСТЕМАХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Ф.А. Корсун, соис.

Ключевые слова: ПСРХ - подземная система распределения хладоносителя; СКРВ-система кондиционирования рудничного воздуха; ТВД - теплообменник высокого давления; ГР-гидрораспределитель; ГУ - гидравлический удар.

Проблема. Для обеспечения микроклимата в глубоких шахтах Донбасса применяются центральные станции холодильных машин, расположенных на поверхности шахт, от которых хладоноситель передается на глубокий горизонт по системе кондиционирования рудничного воздуха и теплообменных устройств.

36