Механические и реологические свойства полимербетона на основе ФАМ

В решениях ХХУ1 съезда КПСС по «Основным направлениям экономического и социального развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года» обоснованы и отражены ключевые вопросы подъема и прогресса строительной индустрии, В области промышленности строительных материалов, являющейся базой строительной индустрии, предусмотрено «расширять и систематически обновлять номенклатуру и ассортимент конструкционных материалов, улучшать их технико-экономические характеристики. Увеличить выпуск прогрессивных материалов, заменяющих черные и цветные металлы» [70], Создание и применение новых наиболее экономичных материалов, обладающих универсальной стойкостью к разнообразным агрессивным факторам в сочетании с требуемыми механическими свойствами, является одним из важнейших вопросов в области строительных материалов и конструкций. По отмеченной проблеме получен большой научный и практический результат благодаря работам И. Н. Ахвердова, Ю, М, Баженова, Г. М. Бартеньева, В. А. Воробьева, В. А. Воскресенского, А. Е. Десова, И. М. Елшина, А. М. Иванова, В.И.Итинско-го, А. Г. Комара, В. Н. Кулезнева, Н. А. Мощанского, В. Г. Микульского,.

B.В.Патуроева, И. Е. Путляева, И. А. Рыбьева, В. И. Соломатова, Ю. С. Черкинского, А. Е. Шейкина, П. Ф. Шубенкина и др.

Советская школа железобетона и армополимербетона занимает передовые позиции по изучению реологических свойств бетона и по-лимербетона, существенно влияющих на работу железобетонных и ар-мополимербетонных конструкций. Здесь следует подчеркнуть вклад.

C.В.Александровского, Н. Х. Арутюняна, В. М. Бондаренко, С. С. Давыдова, А. М. Иванова, А. В. Носарева, Н. Я. Панарина, И. Е. Прокоповича, А. Р. Ржаницина, И. И. Улицкого, А. И. Чебаненко, Е. Н. Щербакова, А. В. Яшина и др.

В настоящее время промышленное внедрение все в нарастающих объемах получает бетон на полимерном связующем, и в основном по-лимербетон на основе фурфурол-ацетонового мономера (ФАМ) с его сравнительно доступной и дешевой сырьевой базой получения исходного продукта поликонденоации из отходов сельскохозяйственного производства — фурфурола. Создана заводская технология изготовления конструкций из полимербетона на основе ФАМ, вступили в строй несколько цехов и автоматизированный завод по производству этих конструкций. На ближайцее время также предусмотрено строительство заводов по изготовлению армополимербетонных конструкций промышленного, сельскохозяйственного и транспортного назначения [102].

Однако, практика внедрения этого нового материала вскрывает ряд причин, сдерживающих ускоренное продвижение его в строительстве, Одна из основных причин связана с недостаточной изученностью влияния структурообразующих полимербетон факторов на его механические и реологические свойства, обусловленные физикой деформирования этого материала.

Требуют совершенствования вопросы учета физической и геометрической нелинейности при оценке напряженно-деформированных состояний конструкций из композиционных материалов на основе армо-полимербетона. Здесь существенно важным является отражение влияния характера и режима внешних воздействий на физический механизм деформирования материала, обусловливающий формирования градиентов напряжений и деформаций. Проблема градиентов напряженноI деформированных состояний является ключевой в теории армополимер-бетона и настоятельно требует своего разрешения.

Целью работы является исследование комплекса вопросов, определяющих механические и реологические свойства конструкционного полимербетона на основе ФАМ с учетом влияния структурообразующих материал факторов, характера и режима внешних силовых воздействий (кратковременных, длительных и их сочетаний) с последующей экспериментальной проверкой полученных результатов. При этом область исследований ограничена всесторонней оценкой физики деформирования и разрушения полимербетонного элемента конструкции в допредельных, предельных (критических) и запредельных состояниях в условиях осевого и внецентренного нагружения с выявлением градиентов напряжений и деформаций материала, существенно важных для развития и совершенствования норм проектирования армо-полимербетонных конструкций. Поставленная цель и результаты анализа опубликованных экспериментально-теоретических исследований, а также данных опытно-промышленного внедрения полимербетонов предопределили следующие конкретные задачи исследований:

— обосновать структурообразующий фактор, комплексно оценивающий влияние поведения структурной композиции на механические и реологические свойства полимербетона и выявить его оптимальное количественное значение;

— проанализировать имеющиеся представления физического механизма деформирования композиционных материалов и обосновать избранную модель реакции структуры полимербетона на внешние воздействия;

— раскрыть механизм реформирования и разрушения полимербетона в запредельной области, установить контуры этой области и составляющих ее зон;

— создать аналитический аппарат для количественной оценки взаимосвязи между критическими (предельными) и равновесными состояниями полимербетона, разработать теоретический метод прогнозирования длительного сопротивления полимербетона в нелинейной постановке задачи;

— обосновать по результатам анализа экспериментально-теоретических исследований феноменологические характеристики, служащие базисом для оценки и прогнозирования механических и реологических свойств полимербетона, отражающей физическую нелинейность и влияние структурообразующих факторов;

— выявить взаимосвязь между простыми (ступенчато-прерывными) и непрерывными (коммутативными) режимами нагружения и обосновать феноменологические характеристики градиентов напряженно-деформированных состояний для сжатых конечных элементов (СКЭ), из которых формируется расчетная схема элемента конструкции;

— создать алгоритм процессов расчета по разработанным автором методам прогнозирования и оценки напряженно-деформированных состояний конструктивных элементов на основе численных методов и современной вычислительной техники.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— установлено существенное влияние объемного отношения матрицы структуры к заполнителям на механические и реологические свойства полимербетона на основе ФАМ в широком диапазоне изменения указанного структурообразующего фактора;

— показана приемлемость избранной модели поведения макроструктуры полимербетона, как тела двухкомпонентного строения, когда формирование компонентов определяется режимом внешних воздействий и другими факторамиповедение принятой модели отражается формированием специальной реологической фигуры, характеризующей напряженно-деформированные состояния материала с помощью трех взаимосвязанных обобщенных безразмерных параметров;

— впервые выявлен контур запредельной области, состоящей из двух зон, которые формируются вследствие накопления двух видов необратимых деформаций, обусловленных природой ползучести, т. е. реологическими свойствами полимербетона, и псевдоползучестью материала, т. е. механическим разрушением или распад см его структуры;

— раскрыт механизм деформирования полимербетона в запредельной области и показано, что характер диаграмм, отражающих процесс разрушения материала, определяется режимом нагружения, содержанием арматуры и количественным значением структурообразунъ щего факторавыраженная ниспадающая ветвь диаграммы сжатия полимербетона наблюдается в запредельной области лишь при определенных сочетаниях отмеченных первых двух факторов;

— разработан аналитический подход к оценке равновесных напряженно-деформированных состояний, наблкщаемых ниже уровня и на уровне длительного сопротивления полимербетона и описываемых степенными функциямиустановлена взаимосвязь между предельными (критическими) и равновесными состояниями, позволяющая определять механические характеристики полимербетона, вводимые в расчет конструкции с учетом физической нелинейности;

— разработана методика прогнозирования длительного сопротивления полимербетона;

— обоснованы феноменологические характеристики, служащие базой для оценки и прогнозирования напряженно-деформированных состояний полимербетона в допредельной области и на ее границах с учетом влияния структурообразующего фактора;

— впервые раскрыта взаимосвязь между простыми (ступенчато-прерывными) и непрерывными (коммутативными) режимами нагружения, позволяющая производить количественную оценку градиентов напряженно-деформированных состояний, возникающих при внецентренном нагружении элемента конструкции.

Главные из отмеченных позиций новизны работы, которые автор защищает, являются вопросы раскрытия механизма деформирования полимербетона в допредельной и запредельной областях, аналитической оценки и прогнозирования напряженно-деформированных состояний с учетом влияния внешних (режимных) и внутренних (структурообразующих) факторов, базирующиеся на анализе объективных результатов экспериментальных исследований, а также опытных данных, опубликованных в печати.

Практическое значение работы определяется следующим:

— разработан метод прогнозирования длительного сопротивления конструкционного полимербетона с всесторонней оценкой компонентов предельного напряжения и предельно-максимальной равновесной деформации, имеющей первостепенное практическое значение при расчете конструкций по методике предельных состояний;

— выявлена взаимосвязь между предельными (критическими) и равновесными состояниями полимербетона с учетом сочетаний внешних длительных и кратковременных нагрузок (усилий), позволяющая аналитическим путем устанавливать механические характеристики, вводимые в расчет конструкции с учетом физической нелинейности;

— выявлены резервы работоспособности полимербетона, скрытые в запредельной области, с помощью установления контуров зон этой области и с учетом влияния структурообразующих факторов;

— сформулированы феноменологические основы прогнозирования напряженно-деформированных состояний в допредельной области и на ее границах, имеющих важное значение при расчете конструкций в предельной стадии и в стадии Эксплуатации ее;

— разработан простой метод установления градиентов напряженно-деформированных состояний для смежно-расположенных конечных элементов (КЭ), на базе которого разрешается алгоритмизация процесса расчета конструктивного элемента.

Внедрение результатов исследований заключалось в использовании их при создании, разработке и совершенствовании инструктивно-нормативных документов по проектированию и осуществлению конструкций и технологического оборудования из полимербетонов и армополимербетонов. В частности, результаты теоретических разделов работы служили основой для разработки «Руководства по определению механических и реологических свойств конструкционных полимербетонов» (задание ОП-86, 2879−49 МЦМ СССР). Результаты экспериментально-теоретических исследований были использованы при составлении «Инструкции по проектированию и изготовлению баковой аппаратуры из армополимербетонов «BCH-0I-78» (МЦМ СССР), «Руководства по проектированию полимербе-тонных конструкций с напрягаемой и ненапрягаемой арматурой» и ря-г да других документов, перечисленных в заключительном разделе диссертации.

Апробация работы. Отдельные вопросы диссерта-* ции были изложены на научно-технических конференциях: МИИТа (вторая конференция молодых ученых и специалистов, октябрь 1981 г.) — в г. Саратове («Новые композиционные материалы в строительстве», сентябрь, 1981 г.) — в г. Новосибирске (Юбилейная научно-техническая конференция «Повышение надежности и эффективности работы железнодорожного транспорта», ноябрь 1982 г.) — в г. Николаеве (Координационное совещание по проблеме: «Длительное сопротивление бетонных и железобетонных конструкций», октябрь 1983 г.) — в г. Пензе (Семинар по теме: «Решение проблемы охраны окружающей среды путем использования отходов промышленности в композиционных материалах», октябрь 1983 г.).

Исследования автора выполнялись в соответствии с координационным планом и комплексной целевой программой научно-исследовательских работ по проблемам: «Полимербетоны» (НИШБ Госстроя СССР, план на I98I-I985 г. г.), «Прогнозирование длительных сопротивлений конструкционных подимербетонов» (02.01. Минвуза УССР, этап программы на I98I-I985 г. г.).

По результатам проведенных исследований опубликовано 13 статей и получено авторское свидетельство.

Диссертация изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 50 иллюстраций и 26 таблиц. Работа состоит из семи разделов, включая введение и общие выводы, списка использованной литературы из 137 наименований и приложения.

— 2337. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1. Исследованы основные вопросы, определяющие формирование структурной композиции полимербетона, которая обуславливает его физико-механические свойства. Среди многообразия структурообразующих факторов избран обобщающий, как объемное отношение связующего (матрицы структуры) Vce к сумме заполнителей, и впервые выполнены комплексные экспериментальные исследования по оценке влияния этого фактора на механические и реологические свойства полимербетона на основе ФАМ.

Установлено, что в диапазоне изменения объемного отношения связующего к заполнителям Vce/V3 от 0,381 до 0,899 оптимальным является значение Vce/Уз = 0,5−0,55, а соотношение «полимер-наполнитель» П/Н=0,66. При этих значениях структурообразующих факторов получаем полимербетон на основе ФАМ в наилучшей мере отвечающий требованиям, предъявляемым к конструкционным материалам.

2. Представление полимербетона как «структура в структуре» предопределило логический подход к выбору и обоснованию физической модели, как тела двухкомпонентного строения, особенностью которой является принцип формирования компонентов поведения структуры во взаимосвязи и взаимозависимости между реакцией структуры материала и внешними воздействиями, наиболее полно отражающей меч ханизм деформирования полимербетона.

3. На основе принятой модели поведения структуры полимербетона раскрыт механизм деформирования материала с помощью специальной реологической фигуры, возникающей и сопровождающей сам процесс деформирования. Всякий реологический процесс, при котором не наблюдается признаков разрушения полимербетона, находится в допредельной области 0R.KKCid.6d0, в противном случае он окажется в запредельной области RK&sKSKSiSa&s.

4. Механизм деформирования полимербетона в допредельной области характеризуется формированием трех взаимосвязанных видов деформаций: мгновенно-обратимой 6С, деформацией упругого последействия Gp и остаточной Он • При этом каждой деформации соответствует и определенная ей зона (рис.7Л).

Механизм разрушения полимербетона раскрывается в запредельной области, формируемой развитием двух видов необратимых (остаточных) деформаций, обусловленных в общем случае природой, ползучести (Ас) и псевдоползучестью (As) матариала (рис. 7.1).

Впервые показано формирование контура запредельной области, состоящей из «буферной» (линзообразной) зоны, образуемой накоплением необратимых деформаций Ас и краевой, где завершается формирование деформаций As" обусловленных чисто механическим разрушением или распадом материала (рис. 7.1). С помощью этих зон представляется возможность оценивать резервы работоспособности полимербетона, скрытые в запредельной области.

5. Впервые доказано, что полная исчерпывающая деформация полимербетона пятикомпонентна (6s = 6o + 6p+'6h4'Ac+As)• Выявлены границы изменения закритических состояний по признакам исчерпания прочности и деформативности материала с учетом влияния арматуры на механизм деформирования и разрушения полимербетона в запредельной области.

6. Предложен новый подход к математической интерпретации контурных кривых структурных диаграмм при равновесных напряженно-деформированных состояниях, наблюдаемых ниже и на уровне длительного сопротивления материала и описываемых степенными функциями.

Аг :

4:

• .' /. &euro-к &euro-с iv- ?4 • 6з<4 — .Л.

Рис. 7 .'I. 'Допредельная O&K&U&Q? запрсдедыШяГ. ' • ' • • : — •. Rk Rsk Sk Si Sd? sd 6 dd& К Rk' (по автору)' ', ' ^ области и их составные зоны для" полимербетона (при сжатии).

Установлена взаимосвязь между предельными (критическими) и равновесными состояниями — полимербетона, позволяющая оценивать и определять механические характеристики материала, вводимые в расчет конструкции с учетом физической нелинейности.

7. Разработана новая методика прогнозирования состояния длительного сопротивления полимербетона, главными характеристиками которого являются предел длительного сопротивления Ra. и предельно-максимальная равновесная деформация £а, которые причисляются к категории неслучайных величин. Задача прогнозирования решается в нелинейной постановке.

8. Установлено, что феноменологической основой прогнозирования и оценки напряженно-деформированных состояний полимербетона в допредельной области и на ее границах (рис. 7.1) служат параметрический показатель cL и, введенные автором, показатель в сочетании с модулем Са, характеризующие наследуемую упругость материала при всех промежуточных и предельных равновесных состояниях.

9. Проведенные экспериментальные исследования, а также анализ опытных данных многих других авторов подтвердил все основные положения, выдвинутые и освещенные в теоретических разделах диссертации. Результаты расчетов по различным задачам исследований соответствуют экспериментальным и вполне удовлетворительно согласуются с опытными данными.

10. Предложен новый метод к решению вопроса о статистической интерпретации расчетных характеристик композиционных материалов, получаемых при кратковременных режимах статического нагружения стандартных образцов.

11. Представлен новый подход к решению проблемы описания напряженно-деформированных состояний с учетом влияния изменчивости внешних силовых воздействий. Этот подход позволил автору впервые раскрыть природу градиентов напряжений и деформации, являющейся ключевой проблемой в теории расчета конструкций из композиционных материалов. При этом феноменологическая основа градиентов ха- «рактеризуется параметрами Yc и Сс •.

Результаты выполненных исследований были использованы:

— при разработке «Инструкции по проектированию и изготовлению баковой аппаратуры из армополимербетона» БОН 01−78 (ШЩ СССР), 1979;

— при составлении «Руководства по проектированию, изготовлению и монтажу коррозионностойких конструкций эстакад и рамных фундаментов под оборудование для сильноагрессивных сред» НИИпром-строй, 1980;

— при разработке новых инструктивно-нормативных документов по проектированию конструкций из полимербетонов («Инструкция по проектированию армополимербе тонных конструкций зданий и сооружений», «Руководство по проектированию полимербетонных и армополи-мербетонных конструкций с напрягаемой и ненапрягаемой арматурой^.

— при составлении специального «Руководства по определению механических и реологических свойств конструкционных полимербетонов» ;

— при составлении руководства «Расчет армополимербетонных конструкций на полиэфирных смолах с учетом температурных воздействий», 1982.

Результаты исследований были доложены автором на научно-технических конференциях: МИИТа (вторая конференция молодых ученых и специалистов, октябрь 1981 г.) — в г. Саратове («Новые композиционные материалы в строительстве», сентябрь 1981 г.) — в г. Новосибирске (Юбилейная научно-техническая конференция: «Повышение надедности и эффективности работы железнодорожного транспорта % ноябрь 1982 г.) — в г. Николаеве (Координационное совещание по проблеме „Длительное сопротивление бетонных и железобетонных конструкций“, октябрь 1983 г.) — в г"Пензе (Семинар по теме: „Решения проблемы окружающей среды путем использования отходов промышленности в композиционных материалах“, октябрь 1983 г»). По теме исследований получено авторское свидетельство (см, приложение).