К современным строительным конструкциям предъявляют повышенные требования по качеству бетона. Особенно это актуально при сооружении крупных гидротехнических сооружений, где нужна повышенная прочность бетона на сжатие и особенно на растяжение. Одним из способов достижения необходимых
характеристик является создание анизотропных бетонов, т.е материал имеющий направленную структуру, что может гарантировать повышенную прочность в определенных направленияхАнизотропи́я (от др.-греч. ἄνισος – неравный и τρόπος – направление) – различие свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии.В отношении одних свойств среда может быть изотропна, а в отношении других – анизотропна; степень анизотропии также может различаться.
Анизотропия является характерным свойством кристаллических тел -кристаллическая решетка которых не обладает высшей – кубической симметрией Причиной анизотропности кристаллов является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул.
Помимо кристаллов, естественная анизотропия – характерная особенность многих материалов биологического происхождения, например, деревянных брусков.
Анизотропия свойственна жидким кристаллам, движущимся жидкостям (неньютоновским – особенно).
Анизотропией особого рода в масштабах всего кристалла или его областей обладают ферромагнетики и сегнетоэлектрики.
Во многих случаях анизотропия может быть следствием внешнего воздействия (например, механической деформации, воздействия электрического или магнитного поля и т.д.). В ряде случаев анизотропия среды может в какой-то степени (а в некоторой слабой степени – часто) сохраняться после исчезновения вызвавшего ее внешнего воздействия.
Известно, что в процессе изготовления изделий из плотного или ячеистого бетона возникает анизотропия его свойств, в том числе и прочности. Причина возникновения анизотропии в материалах преимущественная ориентация их структурных элементов. Объяснить возникновение анизотропия бетона можно ориентирующим действием.
В вибрационном или звуковом поле суспензии частицы некруглой формы ориентируются по их наибольшей оси перпендикулярно направлению распространения колебания или вибрации. Ориентация пемзомерной частицы происходит под действием момента вращения от -пары сил, образующейся в результате обтекания частицы потоком окружающей ее жидкости. Ориентация свободно суспензированных частиц имеет место лишь при условии, если плотность частиц отличается от плотности жидкости. Процесс ориентирования частиц происходит до тех пор, пока их размер остается меньше длины звуковой волны.
Механизм ориентации может быть рассмотрен на примере поведения пластинки при непрерывном обтекании ее потоком идеальной жидкости. Струйки потока при обтекании пластинки будут иметь, примерно такой вид, как показано на рисунке.
Ориентации пластинки в потоке жидкости
Статическое давление потока жидкости на пластинку в равных точках ее поверхности зависит от скорости, которую в этих точках имеет жидкость. Наибольшее давление будет в тех точках пластинки, где течение прекращается. Этим, так называемым критическим, точкам соответствуют точки А и В на передней и поверхности пластин. В этих точках появляется пара сил, момент которой поворачивает пластинку.
На рисунке видно, что изменение направления потока на обратное благодаря симметрии картины не изменит направления момента вращения.
Поэтому пластинка, находящаяся в переменном потоке жидкости, направление которого периодически «изменяется, как это имеет «место при вибрационном воздействии, будет – поворачиваться в том же направлении, как и в постоянном потоке, устанавливаясь поперек потока.
При прочих равных условиях, чем крупнее частицы суспензии и больше интенсивность вибрации, тем больше момент вращения и быстрее – частицы ориентируются.
Микроскопические исследования дробленных частичек извести, песка, цемента в других компонентов ячеистобетонной смеси, а также компонентов смеси для плотного «бетона показывают, что основная масса их неизомерна. Центры кристаллизации и кристаллические частицы, образующиеся в результате гидратации вяжущего в процессе виброформования изделий из бетона.
Бетон является высоконцентрированной суспензией, поэтому в процессе формования под действием направленной вибрации неизомерные частицы ориентируются. Наименьшая длина волны – в ячеистобетонной смеси, она равна 0.4–0,5 м.
При твердении бетона, особенно ячеистого, в процессе вызревания частицы бетона и вновь образованные кристаллы фиксируются о ориентированном состоянии, образуя так называемую строчечную структуру. для строчечной структуры характерно, что пределы прочности и направлении волокон компонентов бетона наибольшие.
Для качественной и количественной оценки эффекта ориентации анизотропию прочности были отформованы изделия из тяжелых и легких бетонов различных размеров на виброплощадках плотный силикатный бетон на молотой извести и молотом песке; плотный бетон на цементе и немолотом речном песке [1].
Результаты испытаний контрольных образцов размером 10х10 см выпиленных изделий, прошедших автоклавную обработку доказали, что предел прочности при сжатии во всех случаях больше направлении, перпендикулярном направлению вибрации, т. е. «вдоль волокон». Величина превышения прочности составляет 9–20 %. Предварительно для более объективной оценки полученных данных все контрольные образцы были подвергнуты неразрушающим испытаниям на приборе «Бетон-ЗМ». Во всех случаях импульсная скорость ультразвука, характеризующая прочность изделий при сжатии, имела большее значение в направлении, перпендикулярном направлению вибрации.
Направленная вибрация в процессе формования ориентирует неизоморфные частицы бетона, что является причиной анизотропии его свойств. Вибрацию можно использовать для управления анизотропией многих изделий и материалов, в сырьевом составе которых имеются не изомерные компоненты. Существуют также способы использовать ориентирующее действие магнитного поля на физические свойства цемента [2].
Также вызывает большой интерес влияние анизотрапии бетона на его выносливость и виброползучесть. При нагрузке, расположенной перпендикулярно слоям бетонирования, виброползучесть бетона примерно в 1,7 раза больше, чем при нагрузке, расположенной параллельно.
При нагрузке, расположенной параллельно слоям бетонирования, предел прочности в 1,1 – 1,15 раза выше, чем при нагрузке, расположенной перпендикулярно; относительные пределы выносливости в направлении параллельно и перпендикулярно слоям бетонирования практически одинаковы. Таким образом, можно считать, что относительный предел выносливости практически не зависит от ориентации сжимающей силы к слоям бетонирования.
А если остановиться на анизотропии ячеистого бетона то можно констатировать что в идеале свойства ячеистого бетона во всех направлениях должны быть одинаковыми, что обусловлено сферической формой макропор. Однако при вспучивании ячеистобетонной смеси газовые пузырьки ( ячейки), как правило имеют большую ось (диаметр) в направлении вспучивания и меньшую ось в направлении перпендикулярно вспучиванию и поэтому прочность бетона, как правило, больше направлении перпендикулярно вспучиванию смеси.
При правильном использовании анизотропности бетонов, можно в достаточной степени улучшить некоторые свойства, как бетона, так и конструкции в целом.
Библиографическая ссылка
Комарова К.С. АНИЗОТРОПИЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНОВ // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 3-1. ;URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=12009 (дата обращения: 22.12.2024).