Влияние распушки волокон асбеста на их механическую прочность и на степень использования этой прочности в асбестоцементных изделиях
Мы познакомились с понятием предела прочности «игольчатых» недеформированных волокон хризотил-асбеста и установили, что предел прочности при растяжении таких волокон составляет около 300 кг/мм2. Мы выяснили, что деформация изгиба или скручивания значительно снижает эту величину. При изготовлении асбестоцементных изделий асбест перед формованием подвергают интенсивной распушке, при которой его волокна испытывают различные деформации: изгиб, растяжение, сдвиги и др. В результате прочность волокон резко снижается.
Л. А. Лукошкина, В. П. Дятлова и Н. М. Столяр исследовали прочность волокон хризотил-асбеста, обработанных на лабораторных и полу производственных бегунах и голлендерах, т. е. на аппаратах того же типа, которые применяет асбестоцементная промышленность. Диаметр волокон асбеста измеряли под микроскопом, а разрушающую волокна нагрузку — на приборе, используемом для определения прочности стекловолокна.
Результаты исследований многих сотен волокон приведены в виде диаграмм на рис. 10. По оси абсцисс отложены величины диаметров волокон, выраженные в мк, а по оси ординат — предел их прочности в кг/см2.
Рис. 10. Диаграмма зависимости предела прочности распушенных волокон хризотил-асбеста от их диаметра
1 — волокна, не обработанные раствором Са (OH)2;
2 — волокна, обработанные в растворе Са (OH)2 в течение 20 суток;
3 — волокна, обработанные в растворе Са (ОН)2 в течение 720 суток
Из этих данных следует, что предел прочности распушенных волокон, так же как и искусственных минеральных волокон (стеклянного и шлакового), зависит от их диаметра. С увеличением диаметра предел прочности снижается. Это объясняется различной степенью напряжения элементарных волокон, которая увеличивается в растягивающих волокнах с возрастанием их числа. Однако при растяжении нераспушенного игольчатого волокна диаметром 70 мк (предел прочности игольчатых волокон определяли при площади их сечения, равной 0,004 мм2) неравномерность напряжения элементарных волокон, очевидно, отсутствует, так как предел прочности таких иголок очень велик (около 300 кг/мм2). Следовательно, этот вопрос остается еще не решенным.
В лабораторных и полупроизводственных условиях была определена оптимальная степень распушки асбеста марок П-5-50 и П-6-45, при которой асбестоцемент имеет наиболее высокий предел прочности при изгибе. Она характеризуется выраженным в % количеством волокон с различной величиной диаметра, т. е. их распределением по размерам диаметров. Средний диаметр волокон распушенного асбеста марки П-5-50 равен 13,8 мк, а асбеста марки П-6-45 — 16,5 мк. Предел прочности при растяжении волокон асбеста в соответствии с диаграммой 1 на рис. 10 составляет для асбеста марки П-5-50 около 92 кг/мм2 и для марки П-6-45 около 74 кг/мм2.
Как известно, в процессе гидролиза основного компонента портландцемента — трехкальциевого силиката — выделяется гидрат окиси кальция. Петрографические исследования асбестоцемента, проведенные проф. Н. Н. Смирновым, показали, что в этих условиях волокна асбеста частично корродируют и соответственно изменяется их прочность.
Эти данные подтвердились также и в опытах, проведенных во ВНИИАсбестцементе. В исследованиях ВНИИАсбестцемента (Л. А. Лукошкина, Н. М. Столяр) был установлен предел прочности волокон различной степени распушки (различных диаметров) после выдерживания их в насыщенном водном растворе гидрата окиси кальция в течение 20 и 720 суток. Результаты этих исследований приведены в виде диаграмм 2 и 3 на том же рис. 10.
Сопоставляя кривые 1, 2 и 3, можно установить, что за двадцать суток пребывания в растворе прочность волокон хризотил-асбеста снизилась больше чем за последующие 700 суток. Из этого следует, что гидрат окиси кальция взаимодействует с асбестом вначале более энергично, а после того как тонкая пленка новообразований создает значительные препятствия дальнейшему прониканию извести, процесс затухает.
Толщина асбестоцементных листовых изделий обычно небольшая, и, если их омывает воздух, в котором всегда присутствует углекислота, выделившийся гидрат окиси кальция уже в течение месяца переходит в химически нейтральный карбонат кальция. Поэтому прочность волокон асбеста в изделиях этого вида можно принять по кривой 2 (см. рис. 10). В толстостенных изделиях, к которым относятся асбестоцементные трубы большого диаметра, карбонизация извести протекает медленнее, и прочность находящихся в них волокон после длительного срока твердения следует определять по кривой 3 рис. 10.
Рассмотрим, как влияет степень распушки волокон асбеста на прочность асбестоцементных изделий.
На поверхности, по которой под действием растягивающих или изгибающих нагрузок разрушились асбестоцементные изделия, часто можно заметить торчащие концы волокон асбеста. Они образуются вследствие того, что прочность закрепления части волокон в вяжущем компоненте была меньше прочности этих волокон на растяжение. Поэтому при разрушении асбестоцементного тела они были вырваны из вяжущего прежде, чем их напряжение достигло критической величины. Сопротивление этих волокон внешней нагрузке определялось не их прочностью на растяжение, а прочностью их связи с вяжущим. Следовательно, наличие на поверхности разрушения свободно торчащих волокон является доказательством того, что механические свойства волокон асбеста в изделии полностью не использованы.
Сравнивая диаметры этих волокон с диаметром волокон основной массы асбеста, входящей в состав изделия, легко убедиться, что из вяжущего компонента вырвались наиболее толстые волокна, а более распушенные волокна при разрушении изделия были разорваны.
Выясним, какой же должна быть минимальная тонина распушки волокон асбеста, чтобы прочность их закрепления в вяжущем была не меньше их прочности на растяжение.
В железобетонных изделиях, чтобы прочно закрепить в бетонном теле концы арматуры, их загибают в виде крюка. Это позволяет армирующему бетон стальному пруту в любом месте по его длине воспринимать расчетную нагрузку.
Волокна асбеста, находящиеся в асбестоцементных изделиях, воспринимают нагрузку от цементного камня. Прочность этой связи (сцепления) недостаточна для передачи концам волокон полной нагрузки, которую может выдержать волокно, что приводит к неравномерной напряженности волокон по их длине. Принципиальная схема распределения напряжений по длине волокна показана на рис. 11. Для дальнейших расчетов условно принимаем, что максимальное напряжение волокна будет на середине его длины, как это показано на рис. 12.
Рис. 11. Схема распределения напряжений по длине волокна
Рис. 12. Диаграмма расчетных напряжений волокон асбеста в асбестоцементе
Выделим в растягиваемом асбестоцементном теле волокно асбеста и изучим характер распределения напряжений по его длине. Введем следующие обозначения: длина волокон l в см, диаметр dв в см.
Определим напряжение рассматриваемого нами волокна в сечении а — а (см. рис. 12), отстоящем на расстоянии х от его конца. Усилие, растягивающее волокно в этом сечении, обозначим через Nx. Оно возникает под действием на асбестоцементное тело внешней нагрузки, передаваемой волокну асбеста цементным камнем, вследствие чего на поверхности контакта волокна асбеста с вяжущим возникают напряжения сдвига т. С увеличением нагрузки напряжение т будет возрастать.
Поверхность контакта волокна с цементом слагается из двух
величин — величины поверхности торца волокна, равной 
см2,
и величины боковой поверхности волокна на длине х, равной пdвxсм2. Следовательно:
Усилие Nx вызывает в сечении волокна а — а напряжение растяжения σx кг/см2. Выражая это усилие через площадь поперечного сечения волокна и напряжение σх, которое оно вызывает в сечении а — а волокна, мы будем иметь другое выражение усилия:
Приравниваем правые части уравнений (1) и (2):
Из формулы (3) и рис. 12 следует, что волокно напряжено по длине неравномерно. Напряжение в различных сечениях волокна возрастает почти пропорционально расстоянию сечения от конца волокна. Приняв в формуле (3) х =lb/2 и разделив все члены уравнения на , получим напряжение волокна σр в его среднем сечении:
Вследствие того что распушенных волокон выражается двузначным числом, мы можем без большой погрешности пренебречь единицей, т. е. не принять в расчет торцовые поверхности волокна, влияние которых незначительно. Тогда напряжение средней части волокна выразится очень простой формулой
Когда напряжение сдвига, возникающее на контакте поверхности волокна с цементным камнем, достигнет критической величины Rc, волокно приобретает максимальное напряжение, которое в средней его части выразится
Поскольку при выводе формулы (5) значение максимального напряжения волокна принято в соответствии с диаграммой на рис. 12, то и степень использования механических свойств асбеста в асбестоцементных изделиях определяется не только длиной волокна, но и величиной отношения длины волокна к его диаметру. Следовательно, при более тонкой распушке асбеста (если применять более тонко смолотый цемент) можно на коротковолокнистых сортах асбеста вырабатывать изделия, прочность которых будет приближаться к прочности изделий, изготовленных на асбесте с большей длиной волокон.
В предыдущем параграфе (§ 2) мы приняли в качестве расчетной минимальную величину предельной прочности связи RCB волокон хризотил-асбеста с цементным камнем в асбестоцементных изделиях 28-суточной выдержки:
при объемном весе асбестоцемента 1,6 г/см3 — 43 кг/см2; при объемном весе асбестоцемента 1,83 г/см3 — 60 кг/смг. Подставляя эти значения Rc.в в формулу (1), получим:
для изделий 28-суточной выдержки с объемным весом около 1,83 г/см3
для непрессованных изделий 28-суточной выдержки с объемным весом около 1,6 г/см3
Определим, какое же отношение длины к диаметру должны иметь волокна асбеста оптимальной распушки для того, чтобы их армирующие свойства были использованы при растяжении полностью. Приняв предел прочности на растяжение волокон асбеста с учетом потери прочности в результате коррозии RP.B равным 6300 кг/см2 и подставив эту величину в формулы (6) и (7), выражающие максимальное напряжение волокна асбеста в изделиях с объемным весом 1,6 г/см3 (который обычно имеют непрессованные листы) и объемным весом 1,83 г/см3 (характерным для труб и прессованных плоских листов), получим: для прессованных изделий
для непрессованной продукции
Следовательно, если асбест будет распушен до такой степени, что даже у наиболее толстых волокон отношение их длины к диаметру не будет меньше приведенных величин, то при изломе асбестоцементного изделия 28-суточного возраста все волокна в плоскости разрушения будут разорваны. Как уже отмечалось, прочность связи волокна асбеста с затвердевшим цементом со временем возрастает. Поэтому у асбестоцементных изделий с большими сроками выдержки волокна асбеста и при меньших отношениях их длины к диаметру также не будут вырываться из затвердевшего цемента.
Приведенные величины, характеризующие прочность связи волокон асбеста с затвердевшим цементным камнем и отношение длины волокон к их диаметру, относятся к асбестоцементу, изготовленному на портландцементе марки не ниже 400 и содержащему не менее 50% трехкальциевого силиката. Такой цемент соответствует требованиям, предъявляемым асбестоцементной промышленностью.