Роль асбеста в асбестоцементных изделиях

Общие сведения

В общем объеме асбестоцемента волокна асбеста занимают от 11 до 17%, остальные 89—83% приходятся на цементный камень. Лишь в изделиях специального назначения занимаемый волокнами асбеста объем достигает 20—25%.
Асбест резко изменяет физико-механические свойства цементного камня — предел прочности, деформативность и ударную вязкость. Сопротивляемость его динамическим нагрузкам резко возрастает. Еще в большей степени влияют волокна асбеста на свойства свежесформованной несхватившейся цементной плитки. По своим механическим и деформативным свойствам такая плитка мало чем отличается от плитки, сформованной из сырого песка, — она имеет нулевую прочность на изгиб и растяжение, и даже ничтожная деформация вызывает ее разрушение. Свежесформованный асбестоцементный лист можно свернуть в рулон, из него формуют волнистые и другие изделия более сложной формы. Предел прочности такого листа при растяжении достигает 2—3 кг/см2. Кроме того, волокна асбеста ускоряют процессы гидратации цемента и повышают химическую стойкость цементного камня.
Следовательно, асбестоцемент не является механической смесью волокон асбеста и цемента, а представляет собой систему, в которой протекают сложные физико-химические процессы, влияющие на свойства компонентов этой системы. Степень этого влияния изучена еще недостаточно.
Слабо исследовано совместное сопротивление, оказываемое волокнами асбеста и цементным камнем растяжению. Под его действием асбестоцемент удлиняется, и относительное удлинение приобретает также и цементный камень и волокна асбеста, направление которых совпадает с направлением действия растягивающих асбестоцемент сил.
Средняя величина предельной относительной деформации при растяжении распушенных волокон хризотил-асбеста достигает 3·10—3; предельная деформация массивного цементного камня около 2,3·10—4, т. е. примерно в 12 раз меньше. В асбестоцементе цементный камень располагается между волокнами асбеста тонкими прослойками, толщина которых выражается сотыми долями миллиметра, и эти тончайшие прослойки прочно связаны с поверхностью волокон асбеста.
Это давало основание предполагать, что в асбестоцементе цементный камень обладает значительно большей деформативностью, чем в массиве, и что при разрыве асбестоцемента волокна асбеста и цементного камня разрушаются одновременно. Для уточнения этого положения О. С. Волков (НИИАсбестцемент) изготовил на лабораторной установке пять серий асбестоцементных плиток и одну серию плиток из цементного теста без асбеста. Плитки изготовляли на цементах завода «Большевик» и Брянского завода и одинаковой смеске асбеста (50% марки М-5-60 и 50% марки П-6-45) при следующих весовых соотношениях асбеста и цемента: 0/100; 5/95; 10/90; 15/85; 20/80; 25/75;
Размер плиток 13x3x0,4 см. Все плитки прессовали на гидравлическом прессе при удельном давлении 100 кг/см2. После выдержки во влажной среде при нормальной температуре в течение 3, 7, 14, 28 и 90 суток шесть плиток каждой серии испытывали изгибающей нагрузкой и определяли средний предел их прочности, пористость и объемный вес. На основании этих данных расчетом определяли предельные величины прочности волокон асбеста исходя из следующих предположений: 1) разрушающей нагрузке сопротивлялись совместно как волокна асбеста, так и цементный камень; 2) цементный камень разрушался задолго до разрушения плитки и разрушившую плитку нагрузку воспринимали только волокна асбеста.
Поскольку метод расчета предельных напряжений асбестоцемента и его компонентов представляет практический интерес и позволяет более глубоко понять структуру асбестоцемента и изменения, происходящие в нем в результате гидратации цемента, этот расчет для плиток 28-суточного возраста дается с некоторыми методическими уточнениями.
В табл. 11 приведены полученные значения (средние арифметические) прочности, пористости и объемного веса цементных и асбестоцементных плиток. Асбестоцемент и цементный камень относятся к категории хрупких материалов. Испытывать такие материалы растягивающей нагрузкой сложно, а полученные результаты значительно отклоняются от средних величин. Поэтому цементные и асбестоцементные плитки испытывали изгибающей нагрузкой, и предел прочности при изгибе Rи рассчитывали по формулам для упругих материалов. Приведенные в табл. 11 величины пределов прочности при растяжении Rр плиток получены расчетом на основании практически найденных соотношений Rи/Rр  для асбестоцемента 1,8 и для цементных плиток 2. В свежесформованном негидратированном асбестоцементе весовые соотношения асбеста и цемента такие же, как и в асбестоцементной суспензии, из которой были изготовлены плитки. Соотношение объемов, занимаемых асбестом и цементом, вследствие различия их удельных весов будет иное.

Таблица 11. Пределы прочности при изгибе и растяжении величин пористости и объемного веса плиток 28-суточного возраста при различном содержании в них асбеста



Занимаемый асбестом объем Va в твердой фазе асбестоцемента, выраженный в долях единицы, рассчитываем по формуле

где а и b — процентное содержание асбеста и цемента (по весу);
βа и βц — удельные веса: асбеста 2,5 г/см3 и цемента 3,15 г/см3. Занятый цементом объем Vц = 1 — Va.
Вычисленные объемные соотношения асбеста и цемента в твердой фазе свежесформованного асбестоцемента при принятых весовых соотношениях асбеста и цемента приведены в табл. 12.

Таблица 12. Объемные соотношения асбеста и цемента в свежесформованном асбестоцементе
Доля объема в % Весовое содержание асбеста в %
5 10 15 20 25
занимаемого асбестом Va
                » цементом Vц
6,2
93,8
12,3
87,7
18,2
81,8
24
76
29,6
70,4

В результате гидратации цемента пористость асбестоцемента через 28 суток твердения снижается в среднем примерно на 18%.
Зная пористость асбестоцемента 28-суточного возраста (см. табл. 11), делением ее величины на 0,82 мы определим пористость свежесформованного асбестоцемента, указанную в табл. 13.

Таблица 13. Пористость свежесформованного асбестоцемента в % при содержании асбеста (П)
Цемент Содержание асбеста в %
5 10 15 20 25
Завода «Большевик»
Брянского завода
36
33
38
38
40
39
42
40
43
41,5

После этого можно определить объем, занимаемый асбестом в единице объема асбестоцемента, или площадь, занимаемую асбестом в 1 см2 сечения асбестоцемента, что в цифровом выражении то же самое. Размер этой площади сохранится неизменным при всех сроках твердения асбестоцемента. Для этого надо указанные в табл. 12 значения Vа помножить на величину 1 — П/100 , выражающую долю объема, занимаемого твердой фазой в общем объеме асбестоцемента. Величину П берем из табл. 11.
Вычисленные размеры площади fa приведены в табл. 14.

Таблица 14. Площадь fа в см2, занимаемая асбестом в 1 см2 сечения асбестоцементной плитки, в зависимости от содержания в ней асбеста
Цемент Содержание асбеста в %
5 10 15 20 25
Завода «Большевик»
Брянского завода
0,04
0,041
0,076
0,076
0,115
0,111
0,139
0,144
0,168
0,173

Товарный асбест содержит волокна асбеста, пыль и галю. Две последние составляющие не армируют цементный камень и являются инертными наполнителями.
Процентное содержание пыли и гали в смеске асбеста (М-5-60— 50% и П -6-45 — 50%) ≈ 16,5%.
Обозначаем площадь, занятую асбестом в 1 см2 сечения асбестоцемента fа, площадь, занятую волокнами асбеста, fb·a = fa · 0,835, и площадь, занятую пылью и галей, fп·г = fa · 0,165. Как показывает рентгеноанализ, пористость распушенных волокон асбеста не превышает 2—3%, поэтому мы можем без большой погрешности считать их плотным телом.
Поскольку пористость асбестоцемента с увеличением содержания в нем асбеста возрастает, расчет сопротивления цементного камня при растяжении асбестоцемента также ведется по его плотной массе (за вычетом пор). Обозначаем пористость цементного камня Пц и предел его прочности при растяжении R'к. Предел прочности при растяжении лишенного пор (плотного) цементного камня R''п.к = 
Предельное сопротивление цементного камня в 1 см2 сечения асбестоцемента   Площадь fц, занимаемую цементом в 1 см2 сечения наших плиток, выраженную в см2, определяем, вычитая из 1 см2 площадь, занятую асбестом (из табл. 14) и порами (из табл. 11).
Предельное сопротивление волокон асбеста R'в.a при растяжении асбестоцемента определяется разностью:

При растяжении асбестоцемента напряжение отдельных волокон асбеста зависит от их расположения по отношению к направлению растяжения асбестоцемента. В рассматриваемом случае (ориентация волокон в плоскости плитки и отсутствие их линейной ориентировки) предельное напряжение волокон асбеста, совпадающих с направлением растяжения асбестоцемента, можно определить по формуле
Если же предположить, что цементный камень разрушился до момента разрушения плиток и, следовательно, предельное напряжение плитки Rа.ц восприняли только волокна асбеста, то предельные напряжения R''в.a последних рассчитывают по следующей формуле:

Все необходимые данные для расчета предельных напряжений R'в.a и R''в.a приведены в табл. 15.

Таблица 15. Результаты испытаний асбестоцементных и цементных плиток

Примечание. При вычислении пределов прочности волокон асбеста R'в.a и R''в.a мы исходили из предположения, что волокна в одинаковой степени напряжены по всей их длине. Фактически по длине волокна напряжены неравномерно и у их концов напряжения меньше, чем в средней части. Этот вопрос мы подробно рассмотрим в следующем параграфе. Поэтому полученные величины R'в.a и R''в.a занижены.

Из таблицы видно, что цементный камень участвует в сопротивлении асбестоцементных изделий разрушающим нагрузкам. В противном случае невозможно было бы объяснить, почему прочность волокон асбеста с увеличением их содержания в изделии снижается почти в два раза.
Очевидно, волокна асбеста и находящиеся между ними тонкие прослойки цементного камня настолько прочно связаны между собой, что при растяжении асбестоцемента сопротивляются растягивающим силам как единое целое; они одновременно разрушаются при л достижении волокнами асбеста предельных напряжений. Цементный камень, связывая волокна асбеста в монолит, участвует в сопротивлении действующим на асбестоцементное изделие нагрузкам и выполняет также вторую роль, вовлекая в это сопротивление волокна асбеста. Волокна асбеста стремятся вырваться из окружающего их цементного камня, что вызывает на поверхности их контакта с цементным камнем напряжения сдвига. В том случае, когда эти напряжения превзойдут прочность связи поверхности волокна с цементным камнем, эта связь будет нарушена, и волокно перестанет участвовать в сопротивлении действующим на асбестоцементное изделие нагрузкам. Очевидно, что прочность связи волокон асбеста возрастает с развитием поверхности этой связи, т. е. с возрастанием степени распушки волокон асбеста. Следовательно, для нормирования их распушки важно знать, хотя бы приблизительно, прочность этой связи.


Асбестоцемент