Связь волокон асбеста (сцепление) с затвердевшим цементом (цементным камнем)

Прочность связи волокон асбеста и цементного камня зависит от механических, химических и кристалло-химических процессов, происходящих в твердеющем асбестоцементе. Механическая связь проявляется в результате усадки цементного камня, при которой он обжимает волокна асбеста и на их контакте возникают силы трения.

Петрографические исследования асбестоцемента, проведенные Н. Н. Смирновым, показали, что выделяющийся в процессе гидратации цемента гидрат окиси кальция корродирует волокна асбеста.

Процесс заключается в химическом соединении извести с находящимися на поверхности волокон кремний-кислородными тетраэдрами и образовании гидросиликатов кальция. Это увеличивает связь продуктов гидратации с волокнами асбеста. Рассмотренные связи появляются преимущественно в ранние сроки твердения цементного камня.

Дальнейшее усиление связи цементного камня с волокнами асбеста обусловлено кристаллизацией и перекристаллизацией в более крупные кристаллы продуктов гидратации клинкерных минералов, преимущественно гидросиликатов и, частично, гидроферритов кальция. Часть этих кристаллов начинает расти с поверхности волокон асбеста и они связывают волокна асбеста с кристаллизующимися новообразованиями цементного камня. Такой вид связи, медленно развивающейся длительное время, обеспечивает, по-видимому, наиболее прочную связь волокон асбеста с цементным камнем. Этим объясняется то, что разница в прочности изделий, изготовленных на более длинноволокнистых и более коротковолокнистых сортах асбеста, к годичному сроку их твердения в значительной степени нивелируется.

Прочность связи волокон асбеста с цементным камнем обычно определяют следующим образом. Иголку асбеста осторожно отделяют от куска жилы асбеста и заделывают в цементное тесто, а после определенного срока твердения выдергивают из него на разрывной машине. Поверхность контакта иголки с цементным камнем определяют под микроскопом, а предельную величину связи выявляют делением силы, затраченной на выдергивание, на площадь контактной связи.

При таких определениях получаются большие отклонения от средних величин. Из-за существенной разницы в характере поверхностей асбестовой «иголки» и распушенного волокна остается неясным, насколько эти результаты могут характеризовать связь распушенного волокна с цементным камнем.

О. С. Волков (НИИАсбестцемент) предложил определять прочность связи распушенного волокна с цементным камнем непосредственно в асбестоцементных плитах, изготовленных на цементах различного минералогического состава. Величину прочности связи в этом случае находят расчетным методом исходя из предельного напряжения волокон асбеста (см. ниже).

Этот метод представляет практический интерес.

Асбестоцементные плитки изготовляли на смеске асбеста, содержащей 50% асбеста марки М-5-60 и 50% — П-6-45 при весовом соотношении асбеста 15% и цемента 85%. На лабораторной установке отформованные плитки прессуют на гидравлическом прессе при удельном давлении 100 кг/см². Цементные плитки формуют из цементного теста нормальной густоты.

Наиболее сложно определять величину поверхности распушенного волокна, которая зависит от его длины и диаметра (если допустить, что она имеет форму цилиндра).

Для получения надежных данных под микроскопом были замерены длины и диаметры 7766 волокон и определены их средние величины.

Средняя арифметическая величина длины волокон оказалась равной 1,04 мм.

Результаты замеров диаметров волокон были разбиты на группы в зависимости от их размеров, вычислены в процентах удельные площади сечений каждой группы волокон (общую площадь всех замеренных волокон при этом принимали за 100%) по формуле ·100, где dx — диаметр волокон данной группы, nх — число волокон в данной группе и y — число групп. Полученные данные приведены в виде диаграммы распределения волокон по квадратам их диаметров, которая характеризует распределение волокон по площади их сечения. Эта диаграмма показана на рис. 9.

Так как величины деформаций волокон асбеста в растягиваемом асбестоцементе не зависят от их диаметра, то и величины их напряжений также не зависят от диаметров волокон. Следовательно, усилие, передаваемое цементным камнем волокну асбеста, пропорционально площади его сечения; площадь же контакта, по которому цементный камень передает волокну растягивающую его силу, пропорциональна поверхности контакта. Отсюда следует, что напряжение на контакте волокон асбеста прямо пропорционально размерам диаметров волокон. Когда у части волокон (с наибольшими диаметрами) напряжение сдвига на контакте с цементным камнем превысит предельную величину, связь с цементным камнем у них будет нарушена, волокна перестанут воспринимать нагрузку и она целиком передастся оставшимся волокнам, сохранившим связь с цементным камнем. В случае если нагрузку перестанет воспринимать существенная часть волокон, асбестоцементное изделие разрушится.

Предположим, что из цементного камня вырвутся наиболее толстые волокна, суммарная площадь сечения которых достигнет 20% общей площади сечения волокон, заключенных в асбестоцементной плитке.

По диаграмме рис. 9 найдем наименьший диаметр этих волокон асбеста. Для этого проведем параллельно оси абсцисс прямую, соответствующую 80% удельного веса волокон, до пересечения с кривой, и из этой точки опустим перпендикуляр на ось абсцисс. По шкале находим, что наименьший размер диаметров этой группы волокон равен 44 мк. Этот размер мы и примем для расчета предельной величины связи волокон с цементным камнем. Как уже отмечалось, средняя арифметическая величина длины волокон составила 1,04 мм. Так как более длинные волокна требуют для расщепления до диаметра определенного размера несколько большей затраты работы, примем, что взятое нами для расчета волокно имеет длину, на 50% превышающую среднюю арифметическую величину длины волокон взятой нами смески асбеста, т. е. примем

Для вычисления напряжений сдвига σс, возникающего на контакте связи волокна и цементного камня, пользуются следующей формулой, выражающей зависимость этого напряжения от предельного напряжения растяжения волокон:

Величины Rp.в определим по результатам испытания асбестоцементных и цементных плиток, аналогично расчету, приведенному в табл. 15.

Описанным выше методом была определена прочность связи волокон асбеста с цементом шести различных заводов. Для асбестоцемента с объемным весом 1,83 г/см³ после 28-суточной выдержки при нормальной температуре и влажности она составила в среднем около 60 кг/см.

Аналогичные расчеты плоских листов с объемным весом 1,6 г/см³ показывают, что минимальная величина прочности связи волокон асбеста с цементным камнем в 28-суточном возрасте может быть принята равной 43 кг/см².