автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Исследование особенностей формирования соединений между металлической матрицей и неметаллическим заполнителем при создании металлобетонных композиций

На правах рукописи

РУБЦОВА ЕЛЕНА ГРИГОРЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЙ МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ ПРИ СОЗДАНИИ МЕТАЛЛОБЕТОННЫХ КОМПОЗИЦИЙ

05.23.05- Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 2000

г

Работа выполнена в Воронежской государственной архитектурно-строительной академии на кафедре "Металлические конструкции и сварка в строительстве".

Научный руководитель

■ доктор технических наук, профессор А.М.Болдырев

Научный консультант

- кандидат технических наук, профессор А.С.Орлов

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Ю.Б.Потапов

-кандидат технических наук А.Н.Рощупкин

Ведущая организация Воронежский государственный

технический университет

Защита состоится " 06 " и ни я_ 2000 г. в " " час." оо" мин.

на заседании диссертационного совета Д 063.79.01 в Воронежской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 394006, г.Воронеж, ул. 20-летия Октября, д.84, ауд.20, к.З

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, просьба выслать по указанному адресу

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан "_"_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.В.Власов

НЗЗ,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Перспективность применения металлобетонов, сочетающих пластичную металлическую матрицу и твердые и прочные неметаллические армирующие компоненты, определяется совокупностью физико-механических и эксплуатационных свойств, так как с одной стороны пластичная матрица позволяет изделию работать в условиях растягивающих и изгибающих напряжений, ударных нагрузок, повышенных температур, а с другой стороны жесткий каркас из гранул обеспечивает высокую прочность при сжатии. Удешевление металлобетонных изделий, по сравнению с металлическими, обеспечивается за счет замены части металла менее дорогим неметаллическим заполнителем. А по сравнению с традиционными мегаллокомпозитами - за счет замены дорогостоящих армирующих элементов (высокопрочных волокон, тугоплавких мелкодисперсных частиц и др.) отходами различных производств (металлургических шлаков, керамического и стеклянного боя, отходов абразивов и камнепиления, стекловат-ного производства, отсева щебня и т.п.). При этом решаются вопросы утилизации отходов и снижения техногенной нагрузки на окружающую среду.

Наиболее рационально применение металлобетонов в конструкциях, испытывающих ударные, динамические, сжимающие нагрузки с одновременным воздействием агрессивных сред, температуры, радиации. Это могут быть несущие конструкции подземных сооружений, плиты, хранилища радиоактивных отходов и защитные сооружения, аэродромные покрытия, плиты полов в "горячих" цехах и т.д.

При создании металлобетонов из-за недостаточной разработки теоретических положений возникают проблемы, связанные с выбором компонентов, для обеспечения изделий необходимым комплексом свойств. Отсюда вытекает цель исследования.

Цель работы - создание новых металлобетонных композиций на основе изучения природы и закономерностей образования соединений между металлической матрицей и неметаллическим заполнителем.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• сформулировать критерии выбора матриц и заполнителей в металлобе-тонах;

• определить природу связи и механизмы образования адгезионных соединений между компонентами;

• разработать методы оценки технологической прочности и условия сохранения сплошности композита в процессе изготовления;

• разработать методику оптимизации геометрических параметров заполнителей и матриц для прогнозирования прочности металлобетонов;

• создать новые композиции и разработать методы их изготовления.

Научная новизна работы. На основе разработанной классификации типов адгезии в металлобетонных композициях установлено, что в пределах одного соединения между металлическими матрицами и многокомпо-

нентными заполнителями связь носит смешанный характер и характеризуется разными механизмами (от механической до физико-химической адгезии). Реализуемые механизмы связи будут определяться фазами, выходящими на поверхность заполнителя. Раскрыты закономерности изменения механических свойств металлобетонных композитов в зависимости от диаметра заполнителя, толщины прослойки и масштабного фактора (абсолютного размера гранул). Установлено, что для типичных металлобе-тонов зависимость носит экстремальный характер: чем больше прочность заполнителя, тем сильнее упрочняется матрица, и увеличение размера гранул способствует возрастанию прочности композиции в целом до определенного уровня, определяемого максимальным контактным упрочнением металлической прослойки и влиянием абсолютных размеров гранул. При дальнейшем возрастании размеров гранул, прочность композиции начинает снижаться из-за подавления эффекта контактного упрочнения усилением действия масштабного фактора.

Практическая ценность работы.

1. Определены принципы выбора компонентов в металлобетонных композициях с учетом их теплофизических, механических свойств, а также их кристаллографических особенностей.

2. Разработана методика оценки оптимальной температуры заливки металла, обеспечивающей минимальные напряжения и отсутствие трещин в матрице при кристаллизации.

3. Разработана методика оптимизации прочностных свойств металлобетонных композиций.

4. Создан новый экономичный металлобетон с пониженной радиационной проницаемостью на основе свинцовой матрицы и стекол, содержащих оксиды свинца и бора.

5. Разработаны новые способы изготовления металлобетонных изделий с применением металлургических и сварочных технологий, защищенные двумя патентами РФ.

Достоверность полученных результатов и выводов по .работе обеспечена обоснованным комплексом теоретических исследований с использованием компьютерного моделирования и физико-механических методов исследований (рентгеноструктурного, металлографического и радиографического), применением методов статистической обработки результатов, а также опытными испытаниями и их положительным практическим эффектом. Результаты работы нашли применение в учебном процессе.

Работа проводилась в соответствии с межвузовской научно-технической программой "Архитектура и строительство", грантов по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 8 научно-технических конференциях ВГАСА, международных конференциях "Сварка и родственные технологии в строительстве и стройиндусгрии" в 1994 г. в Москве, "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" в 1995 г. в Белго-

роде, Международном симпозиуме памяти Одинга "Синергетика. Структура и свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии" в 1996 г. в Москве, "Повышение эффективности сварочного производства" в 1996 г. в Липецке, "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений" в 1997 г. в Белгороде; российской конференции с международным участием "Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-97" в 1997 г. в Воронеже, "Петровских чтениях" - "Металлургия сварки и сварочные материалы" в 1998 г. в Санкт-Петербурге, международной научно-практической конференции-школа-семинаре "Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века" в 1998 г. в Белгороде, Пятых академических чтениях PA ACH в 1999 г. в г. Воронеже.

Публикации. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 17 печатных работах, в том числе - 2 патента РФ.

На защиту выносится:

1. Основы методики выбора компонентов в металлобетонах.

2. Классификация адгезионных соединений по механизмам взаимодействия между компонентами в металлобетонах.

3. Методика оценки технологической прочности металлической матрицы при кристаллизации в условиях стеснения усадки заполнителями.

4. Методы расчета напряжений в компонентах металлобетона при изготовлении (оценка сплошности компонентов и границы раздела между ними).

5. Расчетный метод оптимизации геометрических размеров компонентов для получения композитов с заранее заданными свойствами.

6. Новый экономичный металлобетонный композит системы свинец-стекло, содержащее оксиды свинца, для защиты от радиоактивного излучения.

7. Способы изготовления металлобетонов, основанные на индукционной и электрошлаковой технологиях.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, общие выводы, список использованных источников и приложения. Вся работа изложена на 220 страницах машинописного текста, включает 18 таблиц, 64 рисунка, список литературы из 122 наименования, 10 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе подробно рассмотрены имеющиеся в настоящее время сведения по разновидностям металлобетонов, способам их получения, физико-механическим свойствам, методам исследования, областям применения. Проанализировано более 60 видов металлобетонных композиций, разработанных и исследованных В.И.Соломатовым, Ю.Б.Потаповым с сотрудниками, Г.А.Задворневым и др. В работе отмечена перспективность металлобетонов и обращено внимание на недостаточную изученность дан-

(

ного класса композиционных материалов: компоненты металлобетонов обычно подбираются эмпирическим путем, т.к. отсутствуют научно-обоснованные методики их выбора, практически отсутствуют сведения о взаимодействии металлических расплавов и неметаллических многокомпонентных поверхностей оксидного типа, нет данных по влиянию коэффициентов термического расширения материалов и температурных режимов на совместимость матриц и заполнителей и сохранение сплошности компонентов, границ раздела и всего композита в целом, практически нет разработок по прогнозированию прочностных свойств металлобетонов в зависимости от свойств матриц и заполнителей, их геометрических размеров.

Как уже отмечалось, металлобетон - композиционный материал, сочетающий металлическую матрицу и неметаллические заполнители, поэтому возможны общие подходы к изучению металлобетонов и классических композиционных материалов с металлическими матрицами. При создании и изучении композиционных материалов достигнуты значительные успехи, поэтому был проведен анализ литературных данных по проблеме в смежных областях науки и техники: получение композиционных материалов с металлической матрицей, сварка и пайка разнородных материалов, литейное производство и производство керметов.

На основе литературного обзора и научного анализа была сформулирована указанная выше цель работы и намечены задачи, решение которых необходимо для ее достижения.

Во второй главе сформулированы основные принципы выбора матриц и заполнителей, обеспечивающие оптимальную структуру и свойства металлобетонов:

1) принципиальная возможность установления устойчивых связей между компонентами;

2) сохранение сплошности металлической матрицы, заполнителей и зоны соединения между ними при изготовлении металлобетонов;

3) возможность прогнозирования и оптимизации прочностных свойств композита;

4) экономические аспекты.

Известно, что на установление и развитие прочных связей определенное влияние оказывают природа и свойства компонентов, поэтому в работе проведен анализ матриц и заполнителей с точки зрения совместимости по физико-механическим, теплофизическим и технологическим свойствам, кристаллографическим характеристикам.

Установлено, что температуры плавления большинства литейных сплавов на основе алюминия, свинца, меди и цинка позволяют совмещение с заполнителями, обладающими не очень высокой термостойкостью (кварцсодержащими породами, стеклами и т.д.). Как следует из анализа те-плофизических свойств, металлы и их сплавы имеют больший коэффициент теплового расширения (сжатия) при нагревании чем неметаллические материалы, что может вызвать растрескивание менее прочного компонента, как при изготовлении металлобетонов, так и в процессе их эксплуатации.

I

i

На основе проведенного исследования кристаллографических параметров металлов и заполнителей кристаллического типа сделан вывод, что подстройка решеток матрицы и заполнителя и эпитаксиальный рост возможны только в случае сильного искажения решетки металла, либо если в состав минералов входят оксидные фазы, содержащие металл матрицы.

Проведенный анализ показывает разнообразие выбора сплавов матриц и широкие возможности для создания металлобетонных композиций с заранее заданными свойствами. Целесообразность применения тех или иных металлов и сплавов определяется не только их свойствами, но и стоимостью.

Предложена новая классификация типов связей (рис.1) между компонентами в металлобетонах, в основание которой положен механизм взаимодействия между матрицами и заполнителями. Прочность связи меняется от минимальной, обусловленной механической адгезией, до максимальной, которая определяется физико-химической адгезией, физическая адгезия занимает промежуточное положение. Установлено, что в металлобетонных композитах, в отличие от известных соединений, где реализуются однотипные связи, связь в пределах одного соединения будет определятся разными механизмами в зависимости от выхода на поверхность заполнителя той или иной фазы, т.е. связь смешанная.

Для проверки возможности образования связи между металлами и многокомпонентными оксидными заполнителями по смешанному механизму было изучено смачивание расплавами AJ12, свинца, олова, ПОС 61, MJT3, ЦА4М1 подложек из гранита, мрамора, силикатных стекол, оксидной керамики, результаты которых представлены на рис. 2. Исследования проводились по методу "сидячей" капли. Выбор металлов и сплавов для исследования их взаимодействия с неметаллическими подложками обусловлен относительно низкой температурой плавления и тем, что данные металлические материалы традиционно используются в качестве матриц для металлобетонов.

Проведенные исследования смачиваемости металлическими расплавами неметаллических подложек показали, что:

Сплав системы Al-Si (AJI2) не смачивает поверхности гранита, мрамора, оксидной керамики и стекла до температур 1000 °С независимо от использования покровных флюсов и обработки подложек поверхностно-активными веществами.

Высокие значения угла смачивания для сплава AJI2 при взаимодействии с указанными подложками позволяют предположить наличие наиболее слабого взаимодействия - механической связи между сплавом и подложкой. Вместе с тем исследования границы раздела в металлобетонном образце АЛ2-гранит методами рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-4М показали наличие реакционной фазы А120з, которая не проявляла ,ь в отдельно взятых исходных компонентах. Это позволяет сделать вывод о существовании реакционной оксидной связи между АЛ 2 и гранитом.

Классификация металлобетонов по типам адгезии и связей между матрицей и заполнителем

Рис. 1

Проведенные металлографические исследования образцов из мегал-лобетона также выявили на границе раздела алюминий-гранит вновь образованную фазу. Такое несоответствие данных, полученных разными методами исследования, можно объяснить следующим. В методе покоящейся капли используется малое количество металлического расплава и, соответственно, площадь контакта металла с подложкой невелика, а так как алюминий может реагировать с кварцем, входящим в состав гранита в объеме 5...20 %, то, возможно, данного количества кварца, выходящего на поверхность гранитной подложки, не достаточно для инициации процесса смачивания. Для рентгеноструктурного и металлографического анализа были использованы более массивные образцы, в которых площади контакта матрицы и заполнителя достаточно для образования реакционной связи.

§ 120 >>

100 80 60 40 20 0

Рис. 2. Зависимость угла смачивания от вида металла и подложки

Сплавы МЛЗ и ЦА4М1 смачивают поверхности всех исследованных материалов (рис. 2) при температуре 600-700 °С. В этих соединениях связь реакционная оксидная, так как цинк и магний способны образовывать химические соединения с БЮг и СаО, входящими в состав стекол и мрамора.

Расплавы олова, свинца и сплавы олово-свинец (ПОС 61) также смачивают все вышеуказанные неметаллические поверхности (рис.2). С увеличением температуры краевой угол уменьшается и достигает минимальной величины при 500 °С. Прочность сцепления капель свинца со всеми неметаллическими подложками (кроме стекол) после затвердевания невысока,

О Мрамор О Керамика О Стекло О Г ранит

—

— -

- | * 1 1 — — г

1

Металлы и сплавы

I I

10

поэтому можно предположить физическую адгезию. Наибольшая прочность сцепления между металлом и подложкой наблюдалась для композиции свинец-стекло. Это позволяет предположить наличие физико-химического взаимодействия в зоне контакта указанной пары.

На основании анализа свойств металлических матриц и заполнителей и экспериментального исследования их взаимодействия можно рекомендовать для металлобетонов следующие сочетания: 1) литейные алюминиевые сплавы (АЛ2) - гранит (или кварцсодержащие породы), оксидные огнеупорные керамики; 2) свинец - стекла, содержащие оксиды свинца, гранит, керамики, мраморная крошка; 3) олово и сплавы олова со свинцом - силикатные стекла, гранит, керамики, мраморная крошка.

В третьей главе проведено изучение временных напряжений, возникающих при изготовлении металлобетонов, и оценена вероятность разрушения в процессе их изготовления (так называемая "технологическая прочность").

При кристаллизации матрицы в условиях торможения усадки заполнителями в случае исчерпания прочности матрицы в двухфазной зоне вследствие хрупкого межкристаллитного разрушения при наличии жидкой фазы по границам зерен металла, возможно образование горячих трещин. Горячие трещины - один из распространенных и трудноустранимых браков при литье. Если горячие трещины не образуются, то при дальнейшем охлаждении композита возникают временные напряжения в матрице, заполнителе и на границе между ними из-за разности коэффициентов термического расширения, упругих модулей разнородных матриц и заполнителей. Поэтому для оценки запаса технологической прочности металлобетона необходимо рассмотреть две задачи: а) оценить вероятность образования горячих трещин при затвердевании металлической матрицы; б) определить уровень временных напряжений в компонентах и на границе раздела при остывании композиции с температуры пластично-упругого перехода.

Из теории технологической прочности известно, что наиболее вероятным интервалом образования трещин, называемых "горячими" или "кристаллизационными" является температурный интервал хрупкости (ТИХ). Верхняя граница ТИХ соответствует температуре перехода от жид-котвердого к твердожидкому состоянию. Нижняя граница ТИХ лежит несколько ниже температуры неравновесного солидуса. В температурном интервале хрупкости наблюдается провал прочностных и пластических свойств металла. Поэтому в нем наиболее вероятно исчерпание пластичности, обусловленное ростом временных напряжений, и образование хрупких "горячих" трещин в кристаллизующейся матрице или на границе раздела между ней и заполнителем.

В работе дан анализ возможности образования горячих трещин при затвердевании матрицы. Для этой цели на основе реологической модели Каширцева проведена оценка вероятности возникновения горячих трещин в процессе кристаллизации матричного расплава при изготовлении металлобетона (запас технологической прочности). В предложенной нами моде-

ли предполагается, что прослойка металлической матрицы кристаллизуется как миниотливка в форме, стенки которой представляют материал заполнителя, и между отливкой и формой существует абсолютный контакт. Основные уравнения модели представлены в следующем виде:

<т =

ехрС-

Е,л-Е2^ Л2Е{ес | Е1Е2

' (Е,+Е2)2 Е,+Е2

<т = а, - А{1 - ехр/-а(1 -г0))}-В{1- ехр[-Ь(1 -1С)]}

ес1, еслисг < о,

если а > а.

где А = е СЛ1

Ьс а-Ь'

В = с-есЯ,

(1)

а-Ь'

а-Ь

е сЕ1 + у-Е1Е2£ с'о- + Е2

Л 2 ^ 2

а.Ь = —

\_Л , Л 2

1± + ^(е1+Е2)

I

Е ¡Е 2 Л ¡Л 2

где Е,, Е: - модули Юнга двухфазной зоны, Па;

Я ,, Л 2- коэффициенты вязкости при растяжении, Пас;

£ с - скорость деформирования, определяется скоростью кристаллизации Б: £с = аЭ, с-1;

а - линейный коэффициент термического расширения двухфазной зоны, К-';;

а 3 - предел текучести расплава, Па;

/0 - время, при котором с = а с.

Решение уравнений (1) позволяет определить уровень напряжений в кристаллизующемся металле. Сопоставляя его с известными зависимостями предела прочности металла от температуры, можно оценить запас технологической прочности. •

Вероятность возникновения горячих трещин зависит от скорости кристаллизации металлической матрицы. В свою очередь скорость кристаллизации связана с температурой заливки Т3 матричного расплава при изготовлении металлобетонов. В работе на основе подходов, сформулированных Г.Ф.Баландиным, разработана методика расчета температуры заливки матричного расплава

■ Т -| ~Тн)

■ ' Кс(1-К3) •

т,

где К3 - коэффициент заполнения; срРр сзРз

Кс^

ср, с3 - теплоемкости соответственно расплава и заполнителей, Дж/(кг'К); рр,р3 - плотности расплава и заполнителей, кг/м3; Т0 - заданная температура расплава (температура ликвидуса), °С; Тн - начальная температура заполнителей, °С.

На рис. 3 представлен пример графика для определения температуры заливки для свинца в зависимости от количества стеклянного заполнителя (коэффициента заполнения К3) и его начальной температуры Т„.

Рис. 3. Зависимость температуры заливки свинца от количества заполнителя из стекла ЗС-4

Увеличение количества заполнителей (К3) и снижение температуры формы приводит к росту температуры заливки, подогрев формы с заполнителями - снижает ее.

Установлено, что на уровень напряжений в матрице оказывает влияние предварительный подогрев формы: чем больше подогрев формы, тем меньше скорость кристаллизации и, соответственно, ниже напряжения. Чем крупнее миниотливка (больше толщина прослойки матрицы между заполнителями), тем медденнее происходит кристаллизация и меньше уровень напряжений. Экспериментальные исследования подтвердили, что в изученных сочетаниях АЛ2-кварцевое стекло, АЛ2-гранит, напряжения, возникающие в процессе затвердевания, ниже предела прочности кристаллизующегося алюминиевого сплава, поэтому горячие трещины в рассматриваемых условиях кристаллизации не образуются.

Для оценки временных напряжений и деформаций при остывании ме-таллобетонных композиций от температур ниже пластично-упругого перехода металла в работе используется усовершенствованная нами модель Lee

Еш "сферическая гранула в сферической матрице переменной толщины". В предложенной схеме расчета учитывается зависимость упругих модулей и коэффициентов термического, расширения материалов от температуры с помощью вводимого коэффициента связи р.

г, ~а-ё(1-Р), (3)

8={1-а*Т). (4)

(1-а,ЛТ)

где а, - коэффициент термического расширения матрицы, К"1; аг - коэффициент термического расширения гранулы, К-'; 5 - коэффициент несоответствия термического расширения матрицы и гранулы; а - начальный радиус поры в металле, м; г, - радиус гранулы в матрице, м; А Т - температурный интервал охлаждения. Временные напряжения и деформации в матрице и грануле возникают из-за различия коэффициентов термического расширения и упругих свойств материалов. Напряжения рассматривали в зависимости от температуры и на каждом этапе охлаждения сравнивали с пределом прочности материалов матрицы и гранулы, т.е. решалась задача механики разрушения. В начале нарастания напряжений матрица ведет себя как упругое тело, а при достижении напряжений уровня, определяемого критериями Мизеса - как пластичное.

Для расчета напряжений в грануле заполнителя применяли уравнение и2 = ЗК2 ■ [~-~-^ + а2ЛТ], (5)

где К2 - модуль всестороннего сжатия гранулы, Па. Для матриц в упругой области напряжения и деформации вычисляли по формулам

(аг), = 20ег + ЗК,а1А Т, (а^! =(?£, +ЗК]а}Л Т.

(6)

(ег),=-2(£1)^-232(1-р)2(1-5(1-р) )(а/г)3. (7)

где (агг)г радиальные напряжения в матрице, Па; (<т,)] - тангенциальные напряжения в матрице, Па; (ег )],(£,)] - радиальные и тангенциальные деформации в матрице; Сг - модуль сдвига матрицы, Па; К]- модуль сжатия матрицы, Па. В пластичной зоне

(ег), = (ат)1[2/3 + 21п(г/га)]-ЗК1сс,АТ, Л = (о„)1[3 / 5 + 21п(г / т^)]-ЗК,а,А Т.

где (<тт )j,- предел текучести матрицы, Па; га - радиус зоны пластической деформации в матрице, м.

, Для расчета временных, напряжений и деформаций была составлена программа в среде Maple 5.0 и произведен расчет напряжений для пар свинец-стекло ЗС-4, алюминий-кварц, алюминий-кварцевое стекло. Как следует из полученных данных наименьшие величины напряжений и деформаций • наблюдаются при температуре пластично-упругого перехода матрицы (550 К), в процессе охлаждения происходит их рост и максимум достигается при комнатной температуре (рис. 4).

Наибольший уровень деформаций и напряжений в матрице зафиксирован на границе раздела, с увеличением расстояния от гранулы происходит их резкое уменьшение.

Для изученных композиций: свинец-сгекло ЗС-4, алюминий-кварцевое стекло, алюминий-кварц временные напряжения в матрице во всем интервале температур охлаждения ниже предела текучести металла, в гранулах -ниже предела прочности, т.е. напряжения упругие и разрушения не происходит. Напряженно-деформированное состояние в данных композициях таково, что гранула находится в состоянии всестороннего сжатия, а на матрицу действуют растягивающие напряжения. Сплошность данных композиций при остывании нарушаться не будет.

Предложенные в работе методики оценки вероятности образования горячих трещин при кристаллизации матрицы, а также временных напряжений и деформаций при остывании компонентов позволяют подобрать материалы для матрицы и заполнителя, задать технологические режимы охлаждения и минимизировать уровень временных напряжений в металло-бетонных композициях.

а, 1

МПа 14о}'-----

100"

120;

80 ■

60-

1 - предел 1

2 -тангенц рице, (а,.

3 - радиал!

4 - напряжения в грануле, Oj

40; ■

2

& on

350 -----------

'500

550 т,К

-20:

4

Рис.4. Зависимость временных напряжений в композиции алюминий-кварц и предела текучести алюминия (ат) 1 от температуры

В четвертой главе для прогноза прочности металлобетонов предложена новая методика, сочетающая модель двухкомпонентного зернистого композита и расчет контактного упрочнения в мягких металлических прослойках с учетом масштабного фактора, проявляющегося с увеличением размеров неметаллических гранул.

Для металлобетонов определена оптимальная толщина прослойки: установлено, что минимальные размеры прослойки должны обеспечить возможность протекания капиллярных явлений (и смачивания) в жидкой фазе, т.е. полное заполнение зазоров между заполнителем жидким расплавом, а максимальные - возникновение эффекта контактного упрочнения. Показано, что оптимальная толщина прослойки в металлобетонах должна быть в пределах, при которых обеспечиваются наилучшие механические свойства металлической матрицы (1...3 мм).

Проведен расчет характеристик прочности металлобетонного композита на основе метода прогнозирования приведенных упругих свойств компонентов через интенсивность средних напряжений в каждом компоненте. Если за предельные значения средних интенсивностей касательных напряжений в компонентах принять величины 42 / За; и -12 / За2 соответственно, то начало разрушения материала произойдет при выполнении одного из равенств

<тк=Пип-.1273(Ц;Ц) , (9)

К' К2

где К1 и К2 - коэффициенты концентрации напряжений соответственно в матрице и заполнителе.

Если прочность композиции будет определяться прочностью матрицы (сг; « сг2), то формула для расчета будет иметь вид

ск=Кг~[ТЛЦ, К1

Кх=п/4 + 1/(з4зХ). (10)

Х = Ь/й.

Кх - коэффициент контактного упрочнения относительная толщина прослойки;

1г - толщина прослойки, м; с1 - диаметр гранул, м. а если прочность композиции будет определяться прочностью заполнителя (0-3 »<Т]), то

ак=еауЦ73^. (11)

К

где £а - коэффициент, учитывающий абсолютные размеры гранул.

Предложенная схема расчета прочности композита учитывает коэффициент контактного упрочнения матрицы и коэффициент, определяющий снижение прочности неметаллических заполнителей при увеличении их размеров.

При этом в случае выполнения неравенства К'а^К2а 1 > 1, разрушение начинается с матрицы, а в случае выполнения обратного неравенства К'сг/К'СГ] < 1 разрушение начинается с заполнителя.

На рис. 5 приведены графики зависимости прочности композиции от диаметра гранул заполнителя с учетом выбора толщины прослойки, обеспечивающей эффект максимального упрочнения (толщина для данной литейной технологии равна 3 мм). Анализ зависимости показал, что чем больше прочность заполнителя, тем сильнее упрочняется матрица, и увеличение размера гранул способствует возрастанию прочности композиции в целом до некоторого уровня, определяемого максимальным контактным упрочнением и влиянием масштабного фактора (абсолютных размеров гранул). При дальнейшем возрастании размеров гранул, прочность композиции начинает снижаться из-за подавления эффекта контактного упрочнения уменьшением прочности гранул.

При малых диаметрах прочность композиции определяется прочностью матрицы до тех пор, пока с возрастанием размеров гранул и уменьшением относительной толщины прослойки не начинает проявляться контактное упрочнение.

о",

МП а

1. зависимость, построенная "на основе разработанной мо-_

дели при Л = 3 мм;

2. кривая, построенная на ос-„нове испытаний образцов;

3. экспериментальная кривая, -построенная с учетом запаса-

прочности (коэффициента

"•7177).

190

170

150

130

110

с110-\м

1 2 3 4 5

Рис. 5. Графики зависимости прочности металлобетонной композиции АЛ2-стекло от диаметра стеклянных гранул

Для проверки модели прогнозирования прочностных свойств метал-лобетонов были проведены механические испытания образцов с матрицами из АЛ2 и технического свинца с заполнителями в виде стеклянных шариков (стекло ЗС-4) диаметром 3, 5, 7, 10, 15 мм. Коэффициент заполнения опре-

! I

17

делялся с учетом оптимальной толщины прослойки, которая для данного метода изготовления образцов литьем назначалась равной 3 мм.

В разработанную модель прогнозирования прочностных характеристик металлобетонного композита заложен запас прочности, определяемый коэффициентом 42/1, который характеризует уровень напряжении, при котором начинается разрушение в одном из компонентов композиционного материала, и поэтому абсолютный предел прочности, характерный для данной композиции, занижен на величину 4ТТз (более жесткие условие данной модели). Этот факт необходимо учитывать при испытании реальных образцов.

Предел прочности образцов, определенный по эксперименту, выше рассчитанного по модели (кривая2, рис. 5), а при коррекции экспериментальных значений на -42/3, получаем значения несколько ниже рассчитанных (на 2... 10 МПа) (кривая 3, рис. 5). Разница расчетных и экспериментальных значений составляет 5... 10 %.

Полученные экспериментальные результаты подтверждают закономерности изменения прочности и согласуются с теоретическими, рассчитанными по модели прогнозирования прочности для металлобетонных композитов.

В пятой главе на примере создания нового материала для защиты окружающей среды от радиоактивного излучения рассмотрены методы разработки новых металлобетонов с заранее заданными свойствами.

На основе теоретических и экспериментальных данных предложен новый композит со свинцовой матрицей и заполнителем из стекол, содержащих оксиды свинца и бора (стекло марки ЗС-4). Выбор заполнителя для металлобетона с антирадиационными свойствами определяется необходимостью получения высокоплотного материала с минимальной пористостью и трещиноватостью. Получение такого композита возможно лишь при физико-химической связи между матрицей и заполнителем.

Показано, что такая надежная связь обеспечивается применением стекла с оксидами свинца, которые на поверхности заполнителя вступают в химическую реакцию со свинцовой матрицей, образуя физико-химические связи в зоне контакта матрица-заполнитель. Наличие свинцовых оксидов (цо 30 %) в стекле обеспечивает максимальное ослабление у-излучения и способствует торможению и задержке быстрых нейтронов. Оксиды бора обеспечивают задержку тепловых нейтронов, т.к. бор имеет большое сечение захвата этих нейтронов.

Выбор аморфного материала в качестве заполнителя, каким является стекло, обусловлено также тем, что этот материал, в отличие от традиционных кристаллических (тяжелых и особо тяжелых бетонов), практически не подвергается разупрочнению при радиационном облучении.

Применение свинца в качестве матрицы обеспечивает также высокую технологическую прочность материала, что гарантирует получение металлобетона без внутренних трещин.

(

Как уже было показано ранее, прочностные характеристики металло-бетонов можно регулировать размерами частиц заполнителя. В работе на основании теоретических и экспериментальных исследований установлены оптимальные размеры частиц стеклянного заполнителя в антирадиационном металлобетоне, обеспечивающие его максимальную прочность.

Были проведены исследования влияния количества стеклянного заполнителя на коэффициент ослабления излучения металлобетона свинец-стекло ЗС-4. Установлено, что увеличение количества стеклянного заполнителя в свинцовую матрицу уменьшает коэффициент ослабления (рис. 6). Поэтому для сохранения эффективности ослабления радиации защитный слой из металлобетона должен быть увеличен на 25...40 % по сравнению с чистым свинцом.

На диаграмме рис. 6 представлены коэффициенты ослабления для разных материалов при величине энергии излучения 1,25 МэВ. Как видно из диаграммы, радиационная проницаемость предлагаемых металлобего-нов ниже чем у чистого свинца, но больше чем у железа.

0.7

т т т я £ ч

о О О ° о

п Г> со

£ г? г?

о с* о ТО о

Металлобетон

Рис. 6. Диаграмма значений коэффициентов ослабления для разных материалов

Показано, что замена дорогостоящего свинца новым антирадиационным металлобетоном позволяет сэкономить 5... 15 % свинца и дает существенный экономический эффект при сохранении норм радиационного воздействия на окружающую среду.

Дана технико-экономическая оценка применению металлобетона на основе свинца с заполнителем из отходов электровакуумного стекла, содержащего оксиды свинца. Экономия затрат только на основные материалы при производстве 1 м} антирадиационных металлобетонных плит состава свинец 60 % - стекло 40 % по сравнению с изготовлением 1 м3 свинцовых

! >

19

плит, традиционно применяемых для защиты, составляет в настоящее время около 340 тысяч рублей.

В работе на основании литературного анализа и наших предварительных исследований показано, что традиционные литейные технологии изготовления металлобетонных композитов не всегда обеспечивают необходимую экономичность и свойства изделия. Сделан вывод о целесообразности разработки новых методов изготовления металлобетонов, основанных на технологиях индукционной плавки и электрошлакового переплава.

При индукционном методе предварительно подготовленная смесь металл + неметаллический заполнитель помещается в форму, затем с помощью индуктора производится расплавление металлической матрицы. Преимущества индукционного метода получения изделий из металлобетона по сравнению с традиционной литейной технологией - это, во-первых, значительная экономия металла (25-50 %) из-за отсутствия системы питателей и прибыльной части. Во-вторых, уменьшается трудоемкость изготовления и экономится энергия за счет исключения операций заливки, отрезки питателей и прибылей, предварительного подогрева формы.

Равномерный индукционный нагрев заготовки по всему сечению обеспечивает получение изделий с высокой точностью размеров, плотной структурой и качественной поверхностью, не требующей обработки. При этом индукционный метод применим для изготовления металлобетонов как с легкоплавкими, так и с тугоплавкими металлическими матрицами.

При электрошлаковом методе изготовления металлобетонов использована технология электрошлакового переплава металлов. Преимущества электрошлакового метода определяются отсутствием плавильных и нагревательных печей, упрощенной технологией изготовления, экономией металла за счет отсутствия питателей и прибылей. Изделия, изготовленные по этому методу, имеют плотную структуру, равномерное распределение армирующих компонентов, качественную матрицу за счет направленной кристаллизации металла и поверхность хорошего качества.

. В заводских условиях по электрошлаковой технологии были изготовлена образцы металлобетонов с матрицей из алюминия и гранитными заполнителями разной крупности. Оба способа изготовления металлобетонов защищены патентами РФ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для получения металлобетонов с заданными свойствами необходим выбор матрицы и заполнителя с учетом их физико-химических свойств. Эти свойства, в основном, определяют характер взаимодействия матрицы и заполнителя в зоне их контакта и прочностные свойства металлобетонов.

2. Впервые установлено, что для металлобетонов с многофазными заполнителями характерен смешанный вид связи между матрицей и заполнителем.

!

3. При выборе компонентов и разработке технологии изготовления мегал-лобетонов необходимо учитывать опасность появления трещин при кристаллизации матрицы. Для предотвращения горячих трещин необходим выбор матричных сплавов с наименьшей склонностью к горячеломкости и предварительный подогрев заполнителей.

4. С использованием разработанной методики была проведена оценка уровня напряжений, возникающих при затвердевании матрицы, с учетом теплофизических свойств компонентов, температуры заливки матрицы и температуры предварительного подогрева заполнителей. Разработана методика оценки температуры заливки матричного расплава в зависимости от объемной доли заполнителей и их начальной температуры.

5. Разработана методика оценки напряжений, возникающих в компонентах и на границе раздела между ними, при охлаждении металлобетонного композита. Установлено, что максимальные напряжения для наиболее распространенных сочетаний компонентов возникают на границе раздела между матрицей и заполнителем, а величина их для изученных сочетаний не превышает предел прочности матриц и заполнителей.

6. Разработана новая методика для прогнозирования прочностных свойств двухкомпонентного металлобетона, учитывающая эффект контактного упрочнения в мягких прослойках матрицы и размеры хрупких неметаллических гранул заполнителей. Установлено, что оптимальная толщина прослойки матрицы, обеспечивающая максимальную степень контактного упрочнения и заполнение пространств между заполнителем расплавом матрицы, для большинства исследованных композиций лежит в пределах 2-3 мм.

7. Механические свойства металлобетонов в пределах одного состава металл-заполнитель можно регулировать за счет размеров частиц заполнителя. Зависимость предела прочности композита от диаметра заполнителя с увеличением диаметра имеет вид кривой с максимумом. Рост прочности композита до максимума обусловлен преобладанием эффекта контактного упрочнения, нисходящая ветвь кривой связана с разупрочнением вследствие подавления эффекта контактного упрочнения тенденцией снижения прочности при увеличении размера гранул.

8. Разработаны и запатентованы экономичные и высокопроизводительные способы получения металлобетонных изделий: индукционный и электрошлаковый.

9. На основе разработанной методики выбора компонентов изготовлен новый металлобетонный композит со свинцовой матрицей и заполнителем из отходов стекольного производства (боя электровакуумного стекла, содержащего оксиды свинца)., обладающий пониженной радиационной проницаемостью. Предложенный металлобетон содержит 20-40% заполнителей и использование его для защитных сооружений позволяет экономить до 15% дорогостоящего свинца.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Сварочные технологии получения металлобетонов для строительных конструкций // Конф. МАТИ им. Циолковского, посвященная 50-летию кафедры сварки - М.: 1993,- С.47.

2. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Анализ механизмов образования соединений металлической матрицы с неметаллическим наполнителем в металлобетонах //Междунар. конф. "Сварка и родственные технологии в строительстве и стройиндустрии" - М.: ЦРДЗ,- 1994,- С.93-97.

3. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Влияние размерных факторов и количества заполнителя на прочность металлобетонных композиций И Междунар. конф. "Современные проблемы строительного материаловедения" - Самара: СГАСА,- 1995,- С. 52-53.

4. Болдырев A.M., Орлов A.C.,Рубцова Е.Г. Проблемы подбора материалов металлических матриц и неметаллических наполнителей в металлобетонах // Междунар. конф. "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" - Белгород: Бел-ГТАСМ,- 1995,-С. 65-66.

5. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Влияние диаметра наполнителя и степени наполнения на прочность металлобетонных композиций // Междунар. конф. "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" - Белгород: БелГТАСМ,-1995,- С. 64-65.

6. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Подбор оптимальной структуры в металлобетонных композитах // Междунар. симпозиум "Синергетика. Структура и свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии",- М.: РАН, ЦРДЗ,- 1996,- С. 228-230.

7. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Использование сварочных и металлургических технологий для получения металлобетонных композиций // Междунар. конф. "Повышение эффективности сварочного производства".- Липецк: ЛГТУ,- 1996.- С.

8. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Влияние размеров наполнителя и коэффициента наполнения на прочностные свойства металлобетонов // Известия вузов. Строительство,- 1996.- N 6.- С. 53-56.

9. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Исследование смачиваемости металлическими расплавами минеральных заполнителей в металлобетонах И Междунар. конф. "Промышленность стройматериалов и строй-индустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений"; часть 5 "Проблемы строительного материаловедения и новые технологии".-Белгород: 1997.- С. 42-44.

10. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Модель расчета остаточных напряжений при изготовлении композита // Российс.конф. "Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-97". - Воронеж: 1997.- С. 18-19.

11. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Структурообразование и свойства композиционных строительных материалов - металлобетонов //

"Материалы и упрочняющие технологии - 98", Сб. VI Российской научно-технической конференции,- Курск: КГТУ.- 1998.- С. 124-127

12. Болдырев A.M., Орлоз A.C., Рубцова Е.Г. Особенности образования соединений между матрицей и армирующими компонентами в строительных композиционных материалах / Сб. докладов "Металлургия сварки и сварочные материалы",- С-Пегербург, СПбГТУ, 1998.- С.219-224

13. Болдырев А.М., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Особенности формирования соединений между металлической матрицей и неметаллическим заполнителем при создании металлобетонов / Вестник отделения строительных наук,- вып.2,- М.: 1999.- С. 81-88.

14. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Структурообразование и свойства металлобетонов //Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века: Сб. докл. Междунар. конф.-шк.-сем. молод. учен, и асп. -Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1998.-Ч.2.-С.314-318.

15. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Влияние свойств материалов на выбор компонентов для создания металлобетонных композитов //Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы пятых академических чтений РААСН.- Воронеж: Воронеж, гос. арх.-строит. акад. - 1999,- С.60-64.

16. 2083525 (Патент РФ). 6 С 04 В 32/00. Способ изготовления металлобетонных изделий / Болдырев А.М., Орлов A.C., Григораш В.В., Рубцова Е.Г. - N 93052824/03; Заявл. 12.11.93; Опубл. 10.07.97; Бюл. N 19.

17. 2062766 (Патент РФ). 6 С 04 В 32/00. Способ изготовления металлобетонных изделий / Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г.- N 93029402/33; Заявл. 26.05.93; Опубл. 27.06.96; Бюл. N 18.

Лицензия ЛР № 020450 от 4 марта 1997 г. Лицензия ПЛД № 37-49 от 3 октября 1998 г.

Подписано в печать 24.05.2000 г. Формат 60x84,1/16. Объем 1 п.л. Бумага для множительных аппаратов Тираж 120 экз. Заказ № /57

394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д.84. Воронежская государственная архитектурно-строительная академия

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ И ПОДХОДЫ К ПОДБОРУ КОМПОНЕНТОВ.

1.1. Металлобетоны. Их разновидности, составы, физико-механические свойства и методы исследования, способы получения, области применения.

1.1.1. Разновидности и физико-механические свойства металлобетонов.

1.1.2. Влияние технологии изготовления на свойства металлобетонов.

1.1.3. Области применения металлобетонов.

1.2. Основные закономерности образования связи между разнородными материалами.

1.2.1. Контактные явления на границе раздела компонентов в композиционных материалах с металлическими матрицами.

1.2.2. Соединения, получаемые при пайке разнородных материалов.

1.2.2.1. Классификация соединений по типам спаев.

1.2.2.2. Методы оценки смачиваемости.

1.2.3. Кристаллизация, как этап развития связей между материалами.

1.3. Временные и остаточные напряжения, как фактор, влияющий на прочность связи между разнородными материалами.

1.3.1. Оценка технологической прочности металлических матриц.

1.3.2. Влияние внутренних напряжений на прочность границ раздела между разнородными материалами.

1.4. Анализ методов прогнозирования механических свойств в композиционных материалах.

1.5. Выводы по главе 1.

1.6. Цели и задачи работы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ СВЯЗИ МЕЖДУ

КОМПОНЕНТАМИ В МЕТАЛЛОБЕТОНАХ.

2.1. Основные принципы выбора матриц и заполнителей в металлобетонах.

2.2. Изучение свойств компонентов металлобетонных композиций.

2.2.2. Физико-механические свойства заполнителей (наполнителей).

2.2.3. Физико-механические и технологические свойства металлических матриц.

2.3. Сравнительный фазовый и структурный анализ матриц и заполнителей.

2.4. Классификация адгезионных соединений в металлобетонах.

2.5. Экспериментальное исследование механизмов связи на границе раздела матрица-заполнитель.

2.5.1.Исследование смачивания неметаллических подложек расплавами металлов.

2.5.1.1. Выбор методики исследования.

2.5.1.2. Методика обработки результатов исследований.

2.5.1.3. Изучение смачивания металлами и сплавами образцов из горных пород и искусственных материалов

2.5.1.4. Зависимость контактного угла от температуры исследования.

2.5.2. Изучение границы раздела между компонентами методами рентегеноструктурного анализа.

2.5.3. Металлографический анализ металлобетонных образцов .104 2.6. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ

МЕТАЛЛОБЕТОНОВ.

3.1. Технологическая прочность металлической матрицы в процессе кристаллизации при изготовлении металлобетонов.

3.2. Расчет температуры заливки для разных сочетаний металл-заполнитель

3.3. Расчет напряжений при затвердевании металлической матрицы

3.4. Исследование возникновения остаточных напряжений в металлобетонах.

3.4.1. Модель упругой деформации в системе гранула-заполнитель.

3.4.2. Модель пластической деформации в матрице.

3.4.3. Расчет напряженно-деформированного состояния для систем алюминий-кварцевое стекло, алюминий-кварц и свинец-стекло

3.5.Выводы по главе 3.

ГЛАВА4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ

МЕТАЛЛОБЕТОННЫХ КОМПОЗИЦИЙ

4.1. Разработка методики для прогноза механических свойств в металлобетонах.

4.1.1 .Определение оптимальной толщины металлической прослойки с учетом ее контактного упрочнения.

4.1.2. Влияние абсолютного размера на прочность гранул неметаллического заполнителя.

4.1.3. Определение прочности компонентов металлобетона.

4.1.4. Определение коэффициента заполнения.

4.1.5.Программа расчета прочности и результаты.

4.2. Экспериментальная проверка модели прогнозирования прочностных свойств металлобетонных композитов.

4.2.1. Изготовление образцов для испытаний.

4.2.2. Результаты определения прочности.

4.2.3. Обсуждение результатов эксперимента.

4.3. Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. НОВЫЕ МЕТАЛЛОБЕТОННЫЕ КОМПОЗИЦИИ И

СПОСОБЫ ИХ СОЗДАНИЯ.

5.1. Разработка композитов на основе свинца и изучение их радиационной проницаемости.

5.1.1. Предпосылки для разработки металлобетонов со свинцовой матрицей.

5.1.2. Исследование радиационной проницаемости металлобетонов.

5Л .2.1. Методика проведения эксперимента.

5Л.2.2. Обсуждение результатов эксперимента.

5.2. Технико-экономическая эффективность изготовления металобетонов состава свинец - отходы стекольного производства.

5.2. Способы изготовления металлобетонов

5.2.1. Индукционный метод изготовления металлобетонов.

5.2.2. Электрошлаковый метод изготовления металлобетонов.

5.3. Выводы по главе 5.

В настоящее время широкое применение композиционных материалов с металлическими матрицами в строительстве сдерживается сложностью и высокой стоимостью их производства. Однако, существуют определенные "узкие" места, где традиционные строительные материалы из-за недостаточной прочности, ударной вязкости, пластичности, теплостойкости и стойкости к агрессивным воздействиям, не в состоянии обеспечить необходимый уровень прочностных и эксплуатационных свойств, например, полы "горячих" цехов, хранилища радиоактивных отходов, отделки шахт, аэродромные покрытия для самолетов с вертикальным взлетом и т.д. Решение проблемы состоит в удешевлении процесса изготовления изделий из композиционных материалов и замены части дорогостоящего металла более дешевым заполнителем.

Попытка создания такого материала привела к разработке металло-бетонов. Металлобетоны сочетают пластичную металлическую матрицу и твердые и прочные неметаллические армирующие компоненты. Перспективность применения подобных материалов определяется совокупностью физико-механических и эксплуатационных свойств, т.е. с одной стороны пластичная матрица позволяет изделию работать в условиях растягивающих и изгибающих напряжений, ударных нагрузок, повышенных температур, а жесткий каркас из гранул дает прирост прочности при сжатии. Удешевление изделий из металлобетона по сравнению с металлическими происходит за счет замены части металла менее дорогим заполнителем, а по сравнению с традиционными композитами с металлической матрицей состоит в том, что вместо специально изготовленных армирующих элементов (высокопрочных волокон, керамических мелкодисперсных частиц и т.д.), в металлобетонах в качестве заполнителей (наполнителей) возможно использование отходов различных производств (металлургических шлаков, керамического и стеклянного боя, отходов абразивов и камнепиления, минера7 ловатного и стекловатного производств, отсева щебня) как крупных, так и мелких фракций. Приоритет разработки металлобетонных изделий принадлежит В.И.Соломатову, Ю.Б.Потапову с сотрудниками, Г.А.Задворневу и др.

Наиболее рационально применение металлобетонов в конструкциях, испытывающих ударные, динамические, сжимающие нагрузки с одновременным воздействием агрессивных сред, температуры, радиации. Это могут быть несущие конструкции подземных сооружений, плиты, хранилища радиоактивных отходов и защитные сооружения, аэродромные покрытия, плиты полов в "горячих" цехах и т.д.

При создании металлобетонов из-за недостаточной разработки теоретических положений возникают проблемы, связанные с подбором компонентов для обеспечения изделий необходимым комплексом свойств. Отсюда вытекает цель исследования.

Цель работы - создание новых металлобетонных композиций на основе изучения природы и закономерностей образования соединений между металлической матрицей и неметаллическим заполнителем.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• сформулировать критерии выбора матриц и заполнителей в металлобе-тонах;

• определить природу связи и механизмы образования адгезионных соединений между компонентами;

• разработать методы оценки технологической прочности и условия сохранения сплошности композита в процессе изготовления;

• разработать методику оптимизации геометрических параметров заполнителей и матриц для прогнозирования прочности металлобетонов;

• создать новые композиции и разработать методы их изготовления.

Научная новизна работы. На основе разработанной классификации типов адгезии в металлобетонных композициях установлено, что в преде8 лах одного соединения между металлическими матрицами и многокомпонентными заполнителями связь носит смешанный характер и характеризуется разными механизмами (от механической до физико-химической адгезии). Реализуемые механизмы связи будут определяться фазами, выходящими на поверхность заполнителя. Раскрыты закономерности изменения механических свойств металлобетонных композитов в зависимости от диаметра заполнителя, толщины прослойки и масштабного фактора (абсолютного размера гранул). Установлено, что для типичных металлобе-тонов зависимость носит экстремальный характер: чем больше прочность заполнителя, тем сильнее упрочняется матрица, и увеличение размера гранул способствует возрастанию прочности композиции в целом до определенного уровня, определяемого максимальным контактным упрочнением металлической прослойки и влиянием абсолютных размеров гранул. При дальнейшем возрастании размеров гранул, прочность композиции начинает снижаться из-за подавления эффекта контактного упрочнения усилением действия масштабного фактора.

Практическая ценность работы.

1. Определены принципы выбора компонентов в металлобетонных композициях с учетом их теплофизических, механических свойств, а также их кристаллографических особенностей.

2. Разработана методика оценки оптимальной температуры заливки металла, обеспечивающей минимальные напряжения и отсутствие трещин в матрице при кристаллизации.

3. Разработана методика оптимизации прочностных свойств металлобетонных композиций.

4. Создан новый экономичный металлобетон с пониженной радиационной проницаемостью на основе свинцовой матрицы и стекол, содержащих оксиды свинца и бора. 9

5. Разработаны новые способы изготовления металлобетонных изделий с применением металлургических и сварочных технологий, защищенные двумя патентами РФ.

Достоверность полученных результатов и выводов по работе обеспечена обоснованным комплексом теоретических исследований с использованием компьютерного моделирования и физико-механических методов исследований (рентгеноструктурного, металлографического и радиографического), применением методов статистической обработки результатов, а также опытными испытаниями и их положительным практическим эффектом. Результаты работы нашли применение в учебном процессе.

Работа проводилась в соответствии с межвузовской научно-технической программой "Архитектура и строительство", грантов по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук. На защиту выносится:

1. Основы методики выбора компонентов в металлобетонах.

2. Классификация адгезионных соединений по механизмам взаимодействия между компонентами в металлобетонах.

3. Методика оценки технологической прочности металлической матрицы при кристаллизации в условиях стеснения усадки заполнителями.

4. Методы расчета напряжений в компонентах металлобетона при изготовлении (оценка сплошности компонентов и границы раздела между ними).

5. Расчетный метод оптимизации геометрических размеров компонентов для получения композитов с заранее заданными свойствами.

6. Новый экономичный металлобетонный композит системы свинец-стекло, содержащее оксиды свинца, для защиты от радиоактивного излучения.

7. Способы изготовления металлобетонов, основанные на индукционной и электрошлаковой технологиях.

10

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Для получения металлобетонов с заданными свойствами необходим выбор матрицы и заполнителя с учетом их физико-химических свойств. Эти свойства, в основном, определяют характер взаимодействия матрицы и заполнителя в зоне их контакта и прочностные свойства металлобетонов.

2. Впервые установлено, что для металлобетонов с многофазными заполнителями характерен смешанный вид связи между матрицей и заполнителем.

3. При выборе компонентов и разработке технологии изготовления металлобетонов необходимо учитывать опасность появления трещин при кристаллизации матрицы. Для предотвращения горячих трещин необходим выбор матричных сплавов с наименьшей склонностью к горячеломкости и предварительный подогрев заполнителей.

4. С использованием разработанной методики была проведена оценка уровня напряжений, возникающих при затвердевании матрицы, с учетом теплофизических свойств компонентов, температуры заливки матрицы и температуры предварительного подогрева заполнителей. Разработана методика оценки температуры заливки матричного расплава в зависимости от объемной доли заполнителей и их начальной температуры.

5. Разработана методика оценки напряжений, возникающих в компонентах и на границе раздела между ними, при охлаждении металлобетонного композита. Установлено, что максимальные напряжения для наиболее распространенных сочетаний компонентов возникают на границе раздела между матрицей и заполнителем, а величина их для изученных сочетаний не превышает предел прочности матриц и заполнителей.

6. Разработана новая методика для прогнозирования прочностных свойств двухкомпонентного металлобетона, учитывающая эффект контактного упрочнения в мягких прослойках матрицы и размеры хрупких неметаллических гранул заполнителей. Установлено, что оптимальная толщина

189 прослойки матрицы, обеспечивающая максимальную степень контактного упрочнения и заполнение пространств между заполнителем расплавом матрицы, для большинства исследованных композиций лежит в пределах 2-3 мм.

7. Механические свойства металлобетонов в пределах одного состава металл-заполнитель можно регулировать за счет размеров частиц заполнителя. Зависимость предела прочности композита от диаметра заполнителя с увеличением диаметра имеет вид кривой с максимумом. Рост прочности композита до максимума обусловлен преобладанием эффекта контактного упрочнения, нисходящая ветвь кривой связана с разупрочнением вследствие подавления эффекта контактного упрочнения тенденцией снижения прочности при увеличении размера гранул.

8. Разработаны и запатентованы экономичные и высокопроизводительные способы получения металлобетонных изделий: индукционный и электрошлаковый.

9. На основе разработанной методики выбора компонентов изготовлен новый металлобетонный композит со свинцовой матрицей и заполнителем из отходов стекольного производства (боя электровакуумного стекла, содержащего оксиды свинца)., обладающий пониженной радиационной проницаемостью. Предложенный металлобетон содержит 20-40% заполнителей и использование его для защитных сооружений позволяет экономить до 15% дорогостоящего свинца.

190

1. Аршинов В.А. Об искусственных сталекамнях,- М.: Техника.-1932.-№ 117/144.

2. Композиционные строительные конструкции / Ю.Б.Потапов, В.П.Селяев, Б.М.Люпаев.- М.: Стройиздат, 1984,- 100 с.

3. Задворнев Г.А. Создание конструктивных элементов сооружений в горных породах низкотемпературной плазмой и их расчет: Автореф./// дис.докт.техн.наук.- Новосибирск, 1972, 39 с.

4. Соломатов В.И., Потапов Ю.Б. Метон новый конструкционный материал // Строительные материалы.- 1978. - № 3. - С. 18-19.

5. Потапов Ю.Б., Соломатов В.И., Лаптев Г.А. Метоны высокоэффективные композиты // Известия вузов. Строительство.- 1996.-№9. - С. 76-86.

6. Эффективные композиционные строительные материалы и конструкции / В.И.Соломатов, Ю.Б.Потапов, К.Ч.Чощшиев, М.Г.Бабаев.- Ашхабад: Ылым, 1991.- 268 с.

7. Задворнев Г.А. Плазменные технологии для строительства.- Новосибирск.: СО АН СССР.- 1986, 26 с.

8. Задворнев Г.А. Плазменные технологии в строительном производстве // Сварочное производство.- 1993,- № 4.- С. 15-17.

9. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки.- Ч.2.- М.: Машиностроение, 1979,- 335 с.

10. Шоршоров М.Х., Красулин Ю.Л. О природе физико-химических явлений в сварных и паянных соединениях // Сварочное производство.-1967.-№12.

11. Шоршоров М.Х. Физико-химическое взаимодействие компонентов в композиционных материалах / Композиционные материалы; Под ред. А.И.Манохина.- М.: Наука,- 1981,- С. 11-18.

12. Долгов Ю.С., Сидохин Ю.Ф. Вопросы формирования паяного шва.- М.: Машиностроение, 1973.- 136 с.

13. Композиционные материалы. / Под ред. Л.Браутман, Р.Крок; Пер. с англ.- М.: Мир, 1978. (Поверхности раздела в металлических композитах; Т.1 / Под ред. А.Меткалф).

14. Портной К.И., Салибеков С.Е., Светлов И.Л., Чубаров В.М. Структура и свойства композиционных материалов,- М.: Машиностроение, 1979.- 255 с.

15. Матусевич A.C. Композиционные материалы на металлической основе.- Минск: Наука и техника, 1978.- 216 с.

16. Специальные способы литья / В.А.Ефимов, В.Н.Бабич, Г.А.Анисович и др.: Справочник,- М.: "Машиностроение", 1991.- 436 с.

17. Найдич Ю.В. Контактные явления в металлических расплавах.-К.: Наукова думка, 1972,- 197 с.193

18. Волокнистые композиционные материалы / Пер. с англ.- Под ред. Бокштейна С.З.- М.: Мир,- 1967,- 284 с.

19. Li Qiong, Dunand David С., Mortensen A. Interface structure in infiltrated composites of aluminium reinforsed with alumina-silica fiber preforms // Met.Trans.A.- 1991,- 22.- N 5,- p. 1126-1128.

20. Ray S. Cast metal matrix compozites An overview// Indian J.Technol. - 1990.- 28.-N6-8.-p. 368-377.

21. Metal matrix composites (MMC) // Mater. + Manuf.- 1992.-9 N3,-p. 23.

22. Stephenson T. Silica-Aluminium alloy composites; a kinetic study // Mater. Sci and Eng. A.- 1991.- 135.-p. 101-104.

23. Mortensen A. Processing structure and properties of metal matrix composites // Res. Mater.: Annu Rept.- Mass. Inst. Technol.- Cambridge .-1991.-p. 159-164.

24. Caron S., Masouhave J. Fabrication of MMCs by a botton mixing foundry process // Fabr. Particul. Reinforced Metal Compos.- Pros. Int. Conf.-Montreal.- 17-29 Sept. 1990,-Materials Park (Ohio).- 1990.-p. 107-113.

25. Aluminium: MMCs ready for exploration // Eng. Mater, and Des.-1989.-N JULY.-p. 32-35.

26. Yoon Hyung-Suk, Okura Akimitsu. The influence of interfacial reaction on the strength of C/Al composites // Met. Abstr. Light and Alloys.-Vol. 24 (1990-1991).-Osaka.- 1991.-p. 98-100.

27. Hunt Margaret. Form and function in metal matrix composites // Mater. Eng.- 1990,- 107,- N 6,-p. 27-32.

28. Molins R. Microstructural and analitical characterization of АЬОз -(Al-Mg) compozite interfaces//Mater. Sci and Eng. A.- 1991. 135.- p. 111-117.

29. Rawal Suraj P. Interfacial bonds in cast Cr-Mg composites // Interface Polym., Ceram. and Metal Matrix Compos. Proc.- 2nd Int. Conf. Compos. Interfaces.- Cltveland, Ohio.- 13-17 June 1988.- New York etc.- 1988,-p. 179-187.

30. Charles D. Metal matrix composites ready for take off? // Metals and Mater.- 1990,- 6 N 2.-p. 78-82.194

31. Nourbaksh Said, Margoling Harold. Processing of continuons-ceramic-fiber-reinforced intermetallic composites by pressure casting // Mater. Sei and Eng.A.- 1991.- 144 N 1-2,-p. 133-141.

32. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. M.: Химия, 1974,- 416с.

33. Семенов А.П. О двух взглядах на явление схватывания металлов // Автоматическая сварка.- 1961.- № 3.- С. 52-60.

34. Бачин В.А. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлами.-М.: Машиностроение, 1986,- 184 с.

35. Лоцманов С.Н., Петрунин И.Е. Пайка металлов,- М.: Машиностроение, 1966.- 252 с.

36. Справочник по пайке / Под ред. С.Н.Лоцманова, И.Е.Петрунина,

37. B.П.Фролова.- М.: Машиностроение, 1975.- 407 с.

38. Еременко В.Н. Поверхностные явления и их роль в процессе жид-кофазного спекания и пропитка пористых тел жидкими металлами // Современные проблемы порошковой металлургии,- К.: ИПЛ АН УССР, 1972,1. C. 43-45.

39. Баландин Г.Ф., Васильев В.А. Физико-химические основы литейного производства.- М.: Машиностроение, 1971,- 216 с.

40. Nogi Kiyoshi, Iwamoto Nobuga. Weffing phenomena at high temperature. Part 1,- Trans. JWRI.- 1991.- 20 N 2,- p. 311-317.

41. Kenner Knecht S. MCC studies via the investment casting proccess // Fabr. Particul. Reinforced Metal Compos.: Proc. Int. Conf., Montreal, 17-29 Sept.- 1990,-Material Park (Ohio).- 1990,- p. 87-100.

42. Лашко Н.Ф., Лашко C.B. Пайка металлов.- M.: Машиностроение, 1967,- 368 с.

43. Петрунин И.Е. Физико-химические процессы при пайке.- М.: Высш.школа, 1972.- 280 с.

44. Безбородов В.Г., Анцупова В.Н., Шершнева Т.А. Механизм адгезионного взаимодействия стекла с металлом // Известия вузов. Строительство.- 1996.- № 11,- С. 128-132.195

45. Данилов В.И. Строение и кристаллизация жидкостей,- К.: ИПЛ АН УССР, 1956,- 424 с.

46. Мусин P.A., Конюшков Г.В. Соединение металлов с керамическими материалами,- М.: Машиностроение, 1991,- 224 с.

47. Каширцев Л.П. Анализ горячеломкости алюминий кремниевых сплавов // Физика и химия неорганических материалов.- 1977,- № 5.-С. 141-147.

48. Вишняков Я.Д., Пискарев В.Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах.- М.: Металлургия, 1989,- 254 с.

49. Горчаков Г.И., Лифанов И.И., Терехин Л.Н. Коэффициенты температурного расширения и температурные деформации строительных материалов.- М.: Изд-во комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, 1968.- 168 с.

50. Современные методы оптимизации композиционных материалов / Вознесенский В.А., Выровой В.Н., Керш В.Я. и др.- К: Будеельник, 1983.-144с.

51. Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов,- М.: Мир, 1982,- 232 с.

52. Бугаков И.И., Глотова Ю.К., Демидова И.И. и др. Исследование напряжений и разрушения наполненных полимеров на стадии отверждения // Проблемы прочности.- 1984.- № 10.- С. 50-53.

53. Головченко Ю.Б., Бур дун Е.Т. Концентрация напряжений в полубесконечной упругой среде с полым шаровым включением // Проблемы прочности,- 1986,- № 2,- С. 57-60.

54. Разрушение конструкций из композитных материалов / И.В.Грушецкий, И.П.Димитриенко, А.Ф.Ермолаенко и др.; Под ред. В.П.Тамужа, В.Д.Протасова.- Рига: Зинатне, 1986.- 264 с.

55. Заболоцкий A.A., Игнатова Н.П. Исследование механизма разрушения волокнистых композиционных материалов с учетом физико-химического взаимодействия компонентов // Проблемы прочности,- 1985.-№ 3,- С. 64-69.196

56. Гукасян JT.E. Влияние объемной доли волокон и энергоемкости матрицы на механизм разрушения и стабильность прочности бороалюми-ния // Металловедение и термическая обработка металлов.- 1984,- № 8,-С. 17-21.

57. Композиционные материалы./ Под ред. Л.Браутман, Р.Крок; Пер. с англ.- М.: Мир, 1978 (Разрушение и усталость; Т.5 / Под ред. Л.Браутман).- 484 с.

58. Разрушение / Пер. с англ.; Под ред. Г.Либовица.- М.: Мир, 1976. (Разрушение неметаллов и композитных материалов, Т.7).

59. Бобрышев А.Н., Козомазов В.Н., Бабин Л.О., Соломатов В.И. Синергетика композитных материалов,- Липецк: НПО "ОРИУС", 1994.-153с.

60. Бобрышев А.Н., Прошин А.П., Соломатов В.И. Фрактальные структуры дисперсно-наполненных композитов // Известия вузов. Строительство.- 1994,- № П.- С. 65-69.

61. Бобрышев А.Н., Соломатов В.И., Козомазов В.Н. Решеточная структура композитов // Известия вузов. Строительство.- 1994.- № 5-6.-С. 25-29.

62. Бобрышев А.Н., Калашников В.И., Квасов Д.В. и др. Эффект усиления свойств в дисперсно-наполненных композитах // Известия вузов. Строительство.- 1996,- № 2.- С. 48-52.

63. Механика композитных материалов / А.Н.Гузь, Л.П.Хорошун, Г.А.Ванин и др. Киев: Наук.думка, 1982. (Механика материалов. Т.1).

64. Ицкович С.М. Заполнители для бетона.- Минск: Вышейшая школа, 1983.- 214 с.

65. Ахвердов И.Н. Теоретические основы бетоноведения.- Минск: Вышейшая школа, 1991.- 188 с.

66. Виноградов Б.Н. Влияние заполнителей на свойства бетона.- М.: Стройиздат, 1979.- 224 с.

67. Андриевский А.Р., Спивак И.И. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе.- Челябинск: Металлургия, 1989.- 368 с.

68. Новикова С.Н. Тепловое расширение твердых тел. М.: Наука, 1974. 294 с.

69. Физико-химические свойства окислов / Справочник. Под ред. Г.В.Самсонова.- М.: Металлургия, 1969.- 456 с.

70. Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М.: Машиностроение, 1988,- 272 с.

71. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник: 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Металлургия, 1983.- 352 с.

72. Алюминий. Свойства и физическое металловедение / Справочник. Под ред. Дж.Е.Хэтча.- М.: Металлургия, 1989.- 422 с.

73. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: Справочное издание.- М.: Металлургия, 1989.- 384 с.

74. Литье под давлением / М.Б.Беккер, М.Л.Заславский, Ю.Ф.Игнатенко и др.- М.: Машиностроение, 1990,- 400 с.

75. Кеглоу Ю.П., Захариевич K.M., Карташевская М.И. Металлы и сплавы,- Кишинев: Картя Молдовеняскэ, 1977.- 264 с.

76. Минералогические таблицы / Справочник. Под ред. Е.И.Семенова.- М.: Недра, 1981,- 399 с.

77. Болдырев A.M. Металлобетоны. Анализ механизмов образования связей между связующим и наполнителем // Вестник отделения строительных наук,- М.: 1996.-вып. 1.-С. 119-122.198

78. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Особенности формирования соединений между металлической матрицей и неметаллическим заполнителем при создании металлобетонов / Вестник отделения строительных наук,- вып.2.- М.: 1999,- С. 81-88.

79. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. Изд. четвертое, стереотипное. М.: Наука, 1969.- 576 с.

80. Новиков И.И. Горячеломкость цветных металлов и сплавов.- М.: Наука, 1966.- 299 с.

81. Lee Eun U. Thermal stress and strain in a metal matrix composite with a spherical reinforcement particle // Met.Nrans. A.- 1992.-23 N8,p. 2205-2210.

82. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1968,- 192 с.

83. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Модель расчета остаточных напряжений при изготовлении композита // Рос-сийс.конф."Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-97".-Воронеж: 1997.-С.18-19.199

84. Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение: Справочное издание. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982,- 480 с.

85. Красулин Ю.Л. Взаимодействие металла с полупроводником в твердой фазе.- М.: Наука, 1971,- 120 с.

86. Метелкин И.И., Павлова М.А., Поздеева Н.В. Сварка керамики с металлами.- М.: Металлургия, 1977,- 160 с.

87. Иванова B.C. Разрушение материалов.- М.: Металлургия, 1979.-166 с.

88. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Влияние размерных факторов и количества заполнителя на прочность металлобетонных композиций // Междунар. конф. "Современные проблемы строительного материаловедения" Самара: СГАСА.- 1995,- С. 52-53.

89. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Подбор оптимальной структуры в металлобетонных композитах // Междунар. симпозиум "Синергетика. Структура и свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии".- М.: РАН, ЦРДЗ.- 1996.- С. 228-230.

90. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Влияние размеров наполнителя и коэффициента наполнения на прочностные свойства металлобетонов // Известия вузов. Строительство,- 1996,- N 6,- С. 53-56.

91. Прошин А.П., Бормотов А.Н., Соломатов В.И. Актуальные проблемы строительного материаловедения // Тезисы докладов третьих академических чтений,- Саранск: Изд-во Мордовского Университета.-1997.-С. 68-69.

92. Козлов В.Ф., Трошкин Ю.С. Справочник по радиационной безопасности.- М.: Атомиздат, 1967,- 276 с.

93. Либерман H.A. Цены и себестоимость строительной продукции.-М: Финансы и статистика, 1997.- 240 с.

94. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Сварочные технологии получения металлобетонов для строительных конструкций // Конф. MATH им. Циолковского, посвященная 50-летию кафедры сварки -М.: 1993.-С.47.