Прочность жидкостекольных дисперсно-наполненных композитных материалов
|
Известно, что существуют три типа разрушения бетонов: «по заполнителю», «по контактному слою “связующее — заполнитель”» и «по связующему». При использовании в качестве заполнителя свинцовой дроби разрушение «по заполнителю» и «по границе раздела фаз “связующее — заполнитель”» не реализуется вследствие высокой пластичности свинца. Отсюда прочность радиационно-защитных жидкостекольных бетонов, наполненных свинцовой дробью, будет определяться только прочностью связующего.  Декомпозицией интенсивных свойств жидкостекольных композитов установлено, что прочность связующих определяется следующими рецептурными факторами: видом, количеством и дисперсностью наполнителя, а также видом и концентрацией добавок. При использовании выбранных дисперсных фаз, имеющих показатели свойств, соответствующие нормативам, доминирующее значение имеет степень наполнения материала (рис. 84 и 85). Анализ указанных рисунков показывает, что зависимость прочности материала от степени наполнения дисперсными фазами имеет экстремальный характер, адекватно описываемый математической моделью вида  где vf — объемная доля наполнителя; а — прочность вяжущего, МПа; b, с, d — эмпирические коэффициенты, характеризующие влияние степени наполнения (значения коэффициентов приведены в табл. 52).  Анализ табл. 52 показывает, что существует определенная закономерность между значениями эмпирического коэффициента b, характеризующего влияние наполнителя, и прочностью материала: с увеличением абсолютных значений b наблюдается снижение прочности композита. Каждый наполнитель, вследствие различий в физико-химических свойствах, будет оказывать индивидуальное влияние на прочность материала. Теоретически прочность композиционного материала может быть представлена как сумма вкладов, вносимых вяжущим Fm и дисперсной фазой Fj.  Учитывая структуру материала, Fm и Ff запишем следующим образом:  где Sуд — удельная поверхность наполнителя; ρf — средняя плотность материала наполнителя; А, В — коэффициенты, характеризующие влияние вяжущего и наполнителя, соответственно. Значительный научный и практический интерес представляет установление закономерностей во влиянии структуры материала и геометрических парам дисперсной фазы на коэффициенты А и В. Для этого с использованием экспериментальных данных зависимостей прочности при сжатии связующего по граничным условиям определяют значения коэффициентов A и В:  где Rm — прочность вяжущего; Rm0 — прочность вяжущего без воздушных пор. Коэффициент А имеет единицу измерения [Па], а коэффициент В—[H/M], что аналогично единице измерения поверхностного натяжения. Коэффициент А для всех составов дисперсно-наполненных жидкостекольных композитов имеет одинаковое значение, равное 7,92 МПа, а значения коэффициента В различны. Анализ показывает, что коэффициент В имеет сложную зависимость от дисперсности наполнителя и определяется содержанием модификатора и равномерностью распределения частиц наполнителя в смеси (рис. 86).  Анализ рис. 86 показывает, что при одном способе совмещения компонентов коэффициент В возрастает с увеличением диаметра частиц дисперсной фазы. При незначительном изменении состава наполнителя введение модификатора и изменение технологии совмещения компонентов приводит к увеличению величины вклада наполнителя в прочность композита. Такое изменение значений коэффициента В хорошо согласуется с теорией Дж. Ленга, в соответствие с которой крупнодисперсный наполнитель оказывает более интенсивное влияние на прочность композитов. Прочность бетонов зависит от их структуры; для бетона, имеющего структуру «с плавающими зернами заполнителя», его введение приводит к снижению прочности бетона; для типа «структура с контактным расположением зерен» — зависимость Rб=f(vз) имеет экстремальный характер, величина которого зависит от плотности каркаса заполнителей и прочности его зерен. Как правило, смещение координаты оптимального количества заполнителя vз,opt достигается использованием интенсивных способов формования, т.е. при подведении большего количества внешней энергии к бетонной смеси наблюдается смещение величины vз,opt в область больших степеней наполнения. При этом, при прочих равных условиях, величина прочности бетона закономерно снижается. Исследование изменения прочности радиационно-защитных жидкостекольных бетонов в зависимости от их состава и технологии изготовления показало, что с увеличением давления прессования прочность бетонов закономерно возрастает, а увеличение степени наполнения связующего приводит к снижению прочности бетонов (рис. 87).  Анализ рис. 87 показывает, что полученная зависимость адекватно описывается асимптотической функцией вида  где Rmax — максимальная прочность бетона, МПа; a и b — эмпирические коэффициенты; P — давление прессования, МПа. Значения эмпирических коэффициентов приведены в табл. 53.  Рациональное значение давления прессования определится из условия  где Δ — погрешность определения прочности бетона; P*, Pmax — рациональное и максимальное давления прессования, равные:  С учетом А величина P* равна:  При значении Δ ≤ 5 % Р*. для состава бетона № 1 равно 15 МПа, а для состава № 2 — 20 МПа. Коэффициент трещиностойкости, расчет которого произведен по формуле  показывает, что kтр имеет достаточно высокие значения и изменяется в широком диапазоне — от 0,3 до 0,7. Таким образом, выявлено влияние дисперсной фазы на прочность материала и его трещиностойкость: показано, что вклад наполнителя в прочность композита возрастает с увеличением диаметра его частиц. Установлено, что концентрационные зависимости прочности имеют классический экстремальный характер; полученные закономерности изменения прочности дисперсно-наполненных жидкостекольных материалов от вида и количества наполнителя позволяют определить оптимальные степени их наполнения. Введение свинцовой дроби приводит к закономерному снижению прочности материала (в 4 раза), что обусловливается высокими деформативными свойствами заполнителя (E = 14...18 ГПа, μ = 0,45). При прессовании прочность бетонов асимптотически увеличивается; в зависимости от степени наполнения связующего рационально проводить прессование при давлениях 15...20 МПа. |
