В композиционных дисперсно армированных материалах, состоящих из минеральных волокон и матриц, развивается комплекс физико-химических и физико-механических процессов, определяющих устойчивость системы во времени. При этом происходят такие процессы:
взаимодействие матрицы с волокном, в результате чего изменяется состояние поверхности волокна и в зоне этого контакта образуется поверхность раздела в виде слоя новообразований, свойства которого отличны от свойств матрицы и волокна; кристаллизационные и перекристаллизационные процессы, связанные со структурообразованием матрицы и вызывающие появление в волокне напряжений под действием кристаллизационного давления; деформация матрицы, вызываемая ее усадкой или расширением и приводящая к появлению напряжений в волокне, в матрице и на поверхностях раздела; деформации, развивающиеся в композите под воздействием изменения температуры и влажности окружающей среды и вызывающие напряженное состояние волокон, матрицы и поверхностей раздела.
Если в результате физико-химических процессов образуется матрица, обеспечивается ее связь с волокнами и изменяется состояние поверхности последних, что существенно отражается на их прочности, то возникающие под действием физико-механических процессов деформации и напряжения могут привести к разрушению поверхностей раздела, матрицы в зоне ее контакта с волокнами и самих волокон. Все эти явления вызывают снижение прочности композиции.
Степень взаимного влияния матрицы и волокон, а в итоге их совместимость зависят от состава, физико-механических свойств и соотношения компонентов. В свою очередь, свойства волокон определяются их химическим составом и диаметром, а свойства матрицы — видом неорганического вяжущего вещества, наличием добавок, изменяющих свойства матрицы, температурно-влажностными условиями твердения.
Для определения условий, при которых достигается совместимость минеральных волокон и матриц, был охвачен диапазон волокон; вяжущих и добавок, обеспечивающий возможность применения (стеклоцементных композиций. В качестве армирующего компонента использовали волокна диаметром 5... 200 мкм из синтетических и природных неорганических стекол; алюмоборосиликатного бесщелочного, кальцийсиликатного и базальта. Неорганические вяжущие вещества представлены портландцементом, глиноземистым и гипсоглиноземистым расширяющимся цементами, гипсоцементнопуццолановым вяжущим (ГЦПВ) и гипсом. Добавками служили водные дисперсии полимеров: дисперсия поливинилацетата (ПВА), дивинилденхлоридный латекс ДВХБ-70, кремнийорганическая жидкость ГКЖ-94, битумная эмульсия «эмульбит». При получении композиций использовали два вида матриц минеральные с заданным водовяжущим отношением и полимерцементные с заданным полимерцементным отношением (П/Ц), которое рассчитывают по массе сухих веществ — цемента и содержащегося в водной дисперсии полимера. В последнем случае водоцементное отношение равнялось водоцементному отношению соответствующей минеральной матрицы.
В незатвердевшем состоянии в первые 1... 3 ч среда портландцементной матрицы характеризуется высокой щелочностью (концентрация ионов водорода рН = 12,7...13,1). В дальнейшем pH матриц несколько снижается и в возрасте 6 мес находится в пределах от 6,95...7,05 для гипсовой матрицы и до 12,3...12,65 для портландцементной. Промежуточное значение pH имеют матрицы из гипсоглиноземистого расширяющегося цемента при хранении на воздухе 8,95 и в воде 10,45, из глиноземистого цемента, соответственно, 9,35 и 10,65; из ГЦПВ—11,75 и 12. Полимерцементные матрицы характеризуются таким же значением pH, что и цементные бесполимерные. Для полимерцементных матриц на основе портландцемента и дисперсии ПВА с П/Ц=0, 05...0,3 в возрасте 6 мес при хранении на воздухе pH составляет 12...12,25, в воде— 12,35.
До начала схватывания цемента в процессе физико-химического, взаимодействия щелочных растворов с силикатными волокнамн, независимо от их химического состава, происходит растворение кремнезема на поверхности стекла и ухудшение состояния поверхности волокна.
Продукты взаимодействия ионов кальция с гидратированной поверхностью кремнезема высокодисперсны и вследствие этого склонны к образованию коллоидной структуры, препятствующей растворению исходных компонентов и возникающих гидросиликатов кальция (при глиноземистых цементах — гидрогеленита и гидроалюминатов кальция). Это приводит к значительному замедлению процессов взаимодействия твердеющего цемента со стеклянным волокном и стабилизации первоначально возникающих метастабильных фаз. Так как известь растворяется значительно скорее кремнезема, последний может гидратироваться не переходя в раствор. В результате гидросиликаты (главным образом мелкокристаллические низкоосновные типа CSH (В)) или гидроалюминаты образуются на поверхности волокна сначала в отдельных местах, по-видимому в местах дефектов поверхности, а с течением времени вся поверхность покрывается гидросиликатами (портландцементы) или гидроалюминатами (глиноземистые цементы) кальция, образующими вокруг волокна плотную поликристаллическую оболочку, препятствующую дальнейшему взаимодействию твердеющего цемента со стеклянным волокном. На этом завершается первый этап развития слоя новообразований, образующих в контактной зоне так называемые поверхности раздела. Они представляют собой переходную область, в пределах которой происходит физикохимическое и механическое взаимодействие между составляющими стеклоцемента. В теории о композитах эта область рассматривается как особая составляющая композиционного материала, которая обладает специфическими механическими свойствами, отличными от свойств как матрицы, так и волокна. Толщина (до 5 мкм), микромеханические свойства (микротвердость, микрохрупкость и трещиностойкость) и время стабилизации (10...190 ч) свойств поверхностей раздела стеклоцемента определяются составом волокна и видом вяжущего, температурно-влажностными условиями твердения и возрастом композиции.
Для алюмоборосиликатного волокна, в зависимости от вида вяжущего вещества, стабилизировавшиеся микротвердость, трещиностойкость и микрохрупкость поверхностей раздела в 1,4...7, 2; 2,5...18, 5 и 1,1...4,3 раза, соответственно, ниже, чем у исходного волокна.
Рентгеноспектральный микроанализ электронным зондом показал, что распределение кальция, кремния, алюминия и других элементов в стеклянных волокнах, находящихся в цементных и полимерцементных матрицах на основе портландцемента и других вяжущих, независимо от состава волокна, возраста стеклоцемента и условий термовлажностной обработки, равномерно.
Отсутствуют диффузионные зоны проникновения кальция, кремния, алюминия и других элементов из волокна в матрицу или из матрицы в волокно. При определении состава вещества по показателю светопреломления новых соединений на границе волокно— матрица, также не обнаружено.
На втором этапе, соответствующем переходу матрицы в твердое состояние, возникает жесткая связь матрицы с поверхностью раздела, а последнего — со стеклянным волокном, усиливающаяся за счет преобразования кристаллогидратов поверхности раздела в дефекты поверхности волокна и создающая как бы шпоночное соединение волокна с матрицей.
После завершения структурообразования происходит интенсивное изменение механических и микромеханических характеристик матрицы. Значение модуля упругости изменяется во времени и различно у матриц разных составов. Модуль упругости волокон лишь в 1, 5... 2, 5 раза больше чем портландцементных матриц и в 3... 12 раз больше чем матриц из гипсоглиноземистого расширяющегося цемента, гипса, ГЦПВ и полимерцементных на основе портландцемента.
Микротвердость матриц зависит от их состава и вида неорганического вяжущего, возраста и условий твердения композиции и максимального значения достигает непосредственно у поверхности раздела. Микротвердость цементных матриц, в зависимости от вида цемента, больше чем поверхностей раздела в 1, 9... 13, 6 раза, а матриц полимерцементных, гипсовых и из ГЦПВ меньше чем поверхностей раздела. Микротвердость массивного стекла и волокон постоянна в любом месте их поперечного сечения, независимо от расстояния до поверхности раздела, состава стекла и вяжущего, возраста и условий твердения композиции. Это также подтверждает отсутствие изменений в структуре волокна под действием физико-химических процессов, происходящих в твердеющем цементе.
В период интенсивного роста прочности матриц в них и в композите возникают значительные деформации, вызываемые усадкой или расширением цементного камня (до 0, 7 % от усадки и 0, 15 от расширения) и изменением температуры окружающей среды.
Рис. 1. Зависимость модуля упругости Em матриц из минеральных и полимерминеральных вяжущих от возраста (а — на воздухе; б — в воде):
1 — портландцемент; 2 — портландцемент жидкость ГКЖ—94. П/Ц=0, 0025; 3 — гипсоглиноземистый расширяющийся цемент; 4 — портландцемент и дисперсия ПВА, П/Ц=0, 05; 5 — портландцемент и эмульбит, П/Ц=0, 10; 6 — портландцемент и латекс ДВХБ=70, П/Ц—0, 07; 7 — портландцемент и дисперсия ПВА, П/Ц— —0, 10; 8 — ГЦПВ; 9 — портландцемент и дисперсия ПВА, П/Ц=0. 15; 10- то же, П/Ц=0, 20; 11— гипс: 12 — портландцемент и дисперсия ПВА, П/Ц=0. 4.
В результате воздействия описанных процессов в поверхностях раздела, в волокне и, следовательно, в матрице возникают напряжения, о появлении которых свидетельствуют изохромы напряжений, видимые в поляризованном свете при микроскопических исследованиях композиций и извлеченных из них волокон. Это напряженное состояние создает условия для третьего этапа — разрушения волокон или поверхностей раздела, выражающегося в образовании в них трещин. Интенсивность возникновения и частота образования трещин зависят от многих факторов, из которых основные: температурно-влажностные условия твердения и возраст композиций, продолжительность и параметры тепловлажностной обработки, объемное содержание, диаметр и состав волокон.
В композициях портландцементная матрица — алюмоборосиликатное волокно малых диаметров (6... 7 мкм) при твердении на воздухе первые трещины на поверхности раздела и в волокнах возникают во второй половине первого месяца твердения матрицы, а наиболее интенсивно развиваются в возрасте 1, 5... 2, 5 мес. Если диаметр волокон 15... 20 мкм, первые трещины обнаруживаются в возрасте 1... 1, 5 мес, а наиболее интенсивно развиваются в возрасте 2... 3 мес, после чего дальнейшее образование трещин и разрушение волокон незначительно. При твердении стеклоцемента в воде интенсивность образования трещин снижается. Первые трещины на поверхности раздела и в волокнах диаметром 6... 7 мкм и 15... 20 обнаруживаются в возрасте, соответственно, 1... 1, 5 и 2... 3 мес. В дальнейшем они развиваются менее интенсивно, чем в условиях воздушного твердения. Под действием гидротермальной обработки первые трещины появляются через 3... 4 ч, а наиболее интенсивное их развитие происходит после 7... 10 ч пропаривания. Увеличение времени пропаривания не вызывает дальнейшего трещинообразования. Автоклавная обработка такого композита вызывает более интенсивное развитие трещин.
В композициях портландцементная матрица — грубое алюмоборосиликатное волокно (диаметр 100... 150 мкм) трещины в волокнах не появляются как при естественном твердении, так и при их гидротермальной обработке. Трещины поверхностей раздела незначительны по сравнению с диаметром грубых волокон. Автоклавная обработка стеклоцемента с волокнами диаметром 100...150 мкм вызывает образование трещин в поверхностях раздела и волокнах. Расстояние между трещинами — в пределах 7... 15 диаметров волокон. Аналогичная картина и в композициях с волокнами других составов, в т. ч. с базальтовыми.
Исследование методами оптической и электронной микроскопии контактных зон массивного стекла, базальта и волокон того же состава с портландцементной матрицей показывает наличие четкой границы между стеклом, базальтом или волокном и поверхностью раздела. Не обнаружено признаков их растворения или других форм химического разрушения. В зоне контакта массивного стёкла с портландцементной матрицей происходит периодическoe разрушение матрицы на глубину до 50... 60 мкм. При постоянных температурно-влажностных условиях разрушения не происходит. Изменение температурно-влажностных условий приводит к возникновению напряжений, разрушающих поверхность раздела и примыкающие к нему области матрицы. Наблюдается отрыв поверхности раздела от стекла, часто с отрывом частичек стекла. На стекле остаются частицы поверхностей раздела длиной 20... 40 мкм, связанные со стеклом адгезионными связями, превосходящими прочности поверхности раздела. При высокой адгезии цементной матрицы к стеклу и высокой прочности матрицы появляется трещина между поверхностью раздела и матрицей — происходит их полное разделение. Если таким образцам на 1... 2 мес обеспечить постоянные температурно-влажностные условия, разрушившаяся поверхность раздела восстанавливает монолитность и становится не отличима от матрицы.
Таким образом, в цементной матрице непрерывно возникают деформации и напряжения, вызванные процессами структурообразования: усадки или расширения цементного камня, ростом кристаллов гидратных соединений или их разрушением, изменениями температуры и влажности внешней среды. В стекловолокне не происходят такие внутренние процессы, но оно, находясь в цементном камне, становится преградой для развивающихся в нем деформаций. Вследствие этого на поверхности раздела возникают напряжения. Матрица, обладая большой жесткостью, определяемой ее модулем упругости, передает их стеклу. Величина этих напряжений пропорциональна площади контакта матрицы со стеклом и модулю упругости матрицы и обратно пропорциональна площади поперечного сечения стекла в рассматриваемом объеме:
где Ост — напряжения в стекле, МПа; Ем —модуль упругости матрицы, МПа; Sк — площадь контакта матрицы со стеклом на единице длины образца, м2; Fст — площадь поперечного сечения стекла, м2.
Контактная зона между волокнами и матрицей на основе глиноземистого и гипсоглиноземистого цементов характеризуется четкостью границ раздела, как это наблюдалось и в стеклоцементе на основе портландцемента, независимо от возраста стеклоцемента и условий его выдерживания. Контактная зона между алюмоборосиликатными волокнами и гипсовой матрицей, также как и в рассмотренных выше композициях, характеризуется четкой границей раздела между стеклом и гипсом, трещины на волокнах не образуются. Композиция системы алюмоборосиликатное волокно — матрица из ГЦПВ также характеризуется возникновением поверхностей раздела из мелкокристаллических гидросиликатов кальция и ростом сцепления матрицы со стекловолокном. В этих композициях, независимо от их возраста и толщины поверхности раздела, волокна не растрескиваются.
Стеклоцемент с полимерцементными матрицами на основе портландцемента в сочетании с любыми стеклянными волокнами (в том числе и базальтовыми) отличается меньшей толщиной поверхности раздела, которая уменьшается с увеличением полимерцементного отношения. При определенных значениях полимерцементного отношения полностью исключается этап образования поверхностей раздела. Это значительно снижает действие процессов второго и третьего этапов и способствует уменьшению величины жесткой контактной связи матрицы с волокном, исключает образование трещин на поверхностях раздела и волокнах. Контактные зоны между стекловолокном и полимерцементными матрицами при любых температурно-влажностных условиях характеризуются четкостью границ раздела без каких-либо промежуточных зон. Отсутствуют трещины также на волокнах с эластичными покрытиями.
Используемая литература: Бирюкович К. Л. и др.
Б64 Стеклоцемент в строительстве / К. Л. Бирюкович, Ю.
Бирюкович, Д. Л. Бирюкович.— К.: Буд1вельник, 1986.— 96
ил.— Библиогр.: с. 96.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com