Композиты на минеральных заполнителях : в 2 т. 2. Проектирование составов строительных композитов.

Издательство 

Московского 

государственного 

горного 

университета 

Ин:женерно-строительная 

редакция 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С 
О 
В 
Е Т 

Председатель 

Л.А.ПУЧКОВ 

Зам. председателя 

л.хгитис 

Члены редсовета 

И. В. ДЕМЕНТЬЕВ 

А.П. ДМИТРИЕВ 

Б.А. КАРТОЗИЯ 

М.В. КУРЛЕНЯ 

В.И. ОСИПОВ 

Э.М. СОКОЛОВ 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 

В.В.ХРОНИН 

В.А. ЧАНТУРИЯ 

Е.И. ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСГВО 
московского 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРС~ 

ректор МГГУ, 

чл. -корр. РАН 

директор 

Издательства МГГУ 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАН 

академик РАН 

академик МАН ВШ 

академик РАН 

профессор 

академик РАН 

академик РАН 

Р.Г. Петроченков 

композиты 
НА МИНЕРАТIЬНЫХ 

ЗАПОЛНИТЕЛЯХ 

Том 2 

ПРОЕКГИРОВАНИЕ 
СОСТАВОВ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ 
композитов 

Допущено 

Учебно-методическим объединением 

вузов Российской Федерации по образованию 

в области горного дела в качестве учебного пособия 

для студентов вузов, обучающихся 

по специальности «Открытые горные работь1» 

направления подготовки 

«Горное дело» 

Высшее 

горное 
-------образование--------------~ 

МОСКВА 

ИЗДIОЕJIЬСГВО МОСКОВСКОГО 

ГОСУДАРСГВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 
2005 

у 
дк 622.02.2 

ББК 33.1 

П30 

Экспертиза проведена Учебно-методическим объединением высших 

учебных заведений Российской Федерации по образованию в области 

горного дела (письмо М 51-12416 от 27.09.2005) 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям кни:жным 

для взрослых. СанПиН 1.2.1253--03», утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. 

Рецензенты: 
• 
проф., д-р техн. наук МИ. Щадов (президент Международного 

горного конгресса); 
• 
проф., д-р техн. наук Л.Н. Кашпар (кафедра Горного дела Российского университета дружбы народов) 

Петроченков Р.Г. 

п 30 
Композиты на минеральных заполнителях: Учебное пособие для 

вузов: В 2 т.- М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005. Т, 2. Проектирование составов строительных композитов. 349 с. 

ISBN 5-7418-0390-3 (в пер.) 

Изложена сущнОС'IЪ формирования прочносmых свойста двух- и многокомпонентных естественных и искусстаеиных С1JЮительных композитов на основе 

минеральных запотmтелей из горных пород и отходов различных производста с 

применением неорганических, органических и дpyrnx mпов связующих. Впервые 

уделено внимание ВЛИJ1НИ10 не только продо.лъных, но и поперечных напряжений в 

составляющих на прочносmые свойстаа композитов. Рассм<nрено ВЛИJIНИе внутрениих напряжений на прочносmые свойстаа композитов. Дана классификация 

искусстаеиных С1р0ительных композитов по характеру разрушения их составляющих. Приведены исходная база данных свойста составляющих композитов, 

методики и примеры расчетов комrmекса физических и прочносmых свойста горНЪIХ пород, тяжелых, леПGIХ бетонов, полимербетонов и дpyrnx композитов. 

Для студентов вузов, обучающихся по специалънОСПI <<0ткрьпые горнъ1е 

работы>> направления подготовки «Горное дело». Может быть полезна асrшрантам, а таюке специалистам, занятым в С1JЮительной и горно-добывающей проМЬШIЛеНИОСПI. 

ISBN 5-7418-0390-3 

УДК 622.02.2 

ББК 33.1 

© Р.Г. Петроченков, 2005 
© Издательство МГГУ, 2005 

@ ДИзайн КЮIГИ. 

Издательство МГГУ, 2005 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ 

ПРОЧНОСГНЫХ 

СВОЙСГВ 

ЕСГЕСГВЕННЫХ 

И ИСКУССГВЕННЬIХ 

композитов 

ПО РАЗЛИЧНЫМ 

ТЕОРИЯМ ПРОЧНОСГИ 

РАЗРУШЕНИЯ 

ИХ СОСГАRЛЯЮЩИХ 

Глава 

5 

5.1 

К ПРОБЛЕМЕ РАЗРАБОТКИ 
ПРИIЩИПИАЛЬНО НОВОЙ ТЕОРIШ 

ПРОЧНОСТИ ЕСТЕСТВЕННЫХ 

И ИСКУССТВЕННЫХ ДВУХ
И МНОГОКОМПОНЕНТНЪIХ КОМПОЗИТОВ 

Для композиционных материалов с нерегулярными структурами до настоящего времени все еще не разработана общая теория их прочности, удовлетворяющая имеющемуел экспериментальному материалу [1--6, 22-24, 33-37, 100, 128, 150- 164, 
166-176]. Эта теория должна в первую очередь связывать физические свойства естественных (горные породы) и искусственных 

композиционных материалов (бетоны, полимербетоны и др.) со 

свойствами их составляющих (компонентов) и их объемным относительным содержанием. Прочностные и упругие свойства естественных и искусственных композиционных материалов взаимосвязаны между собой через аналогичные свойства составляющих. При 

этом на эти взаимосвязи влияют характеристики состава и структуры композитов. Всегда имеется возможность за счет вариации 

свойств и содержания составляющих получать более дешевые композиционные материалы с лучшими прочностными и эксплуатационными (долговечность, морозостойкость и т. д.) характеристиками. 

Прежде всего для двухкомпонентных композитов должны быть установлены конценrрационные зависимости их прочностных свойств 

от аналогичных свойств составляющих. Естественно, что на данном этапе это можно сделать для композитов в пределах тех ограничений, которые изложены в первой главе учебного пособия. 

В этой главе изложены выводы формул для расчета прочностных свойств горных пород и строительных композитов на их 

основе. Указанные гетерогенные среды и их составляющие рассматриваются в рамках линейных физических полей и в квазии
7 

зотропном приближении свойств составляющих. В основном использована вторая классическая теория прочности (разрушение составляющих композитов по Сен-Венану). 

Впервые при выводе зависимостей прочностных свойств композJПОв от их составов учитываются поперечные напряжения в 

составляющих композитов [1- 6, 22-24, 42, 43]. Рассмотрены 

четыре расчетные модели прочностных свойств двухкомпонентных композJПОв. Первая модель основана на использовании при 

выводе упругих свойств композитов гипотезы о существовании 

упругого потенциала. Вторая основана на модели композита сфера (включение) в сфере (матрица). Третья основана на модели композита, состоящей из комбинации последовательной и параллельной схем. Четвертая основана на расчете упругих свойств композита по модели Фойхта- Рейсса- Хилла. 

Подробно проанализированы концентрационные зависимости 

прочностных свойств тяжелых, легких бетонов и полимербетонов 

от прочностных и упругих свойств их составляющих. Теоретически рассмотрено и на практике проверено влияние внуrренних напряжений в составляющих композJПОв на их прочностные свойства. В гл. 6 на основе результатов, полученных в гл. 5, даны классификации композитов по свойствам составляющих и их влиянию на свойства композитов. 

Одним из главных факторов, влияющих на прочность и долговечность композиционных материалов, является неоднородность 

напряжений и деформаций по их составляющим, вызываемая механическим или тепловым воздействием на композиты. Естественно, что прочностные и эксплуатационные характеристики композита будут оптимальны тогда, когда суммарные напряжения в 

составляющих композита, вызванные тем или иным воздействием 

физических полей или их комбинаций на композит, будут распределены по составляющим оптимальным образом. При этом необходимо учитывать также внутренние остаточные напряжения, 

уже имеющиеся в составляющих композита. Однако в настоящее время отсутствует физически обоснованная методика, которая позволила бы подбирать составы всех без исключения каменных композиционных материалов с заданными прочностными и 

8 

деформационными свойствами [1-6, 20, 24, 25,33-37,42-44, 
52, 150- 159 и др.]. Еще хуже обстоит дело с металлическими 

композитами и керамикой, имеющими как хрупкие, так и пластические составляющие, к тому же получаемыми при высоких 

температурах (например, порошковые композиты [128]). 

Эмпирические формулы, используемые, например, для подбора составов бетонов, приводят в отдельных случаях из-за неполного учета физических свойств крупных заполнителей к расхождению расчетных (по полуэмпирическим зависимостям) и 

экспериментальных значений их прочностных свойств до 1 ,5 и 

более раза [151, 153, 159 и др.]. С увеличением прочностных свойств 

обеих составляющих прочностные свойства композитов чаще всего 

возрастают. Однако увеличение прочностных свойств двухкомпонентных композитов происходит, как правило, не по формуле 

арифметического средневзвешенного [1- 6, 24, 28-30, 33-37, 
42, 43, 53, 96, 100, 109, 117, 150-174 и др.]. В отдельных случаях 

наблюдаются обратные явления. Например, с увеличением прочности крупного заполнителя прочность бетонов в отдельных случаях может уменьшаться [161]. Так как различие упругих свойств составляющих композиционных материалов приводит к неоднородности напряжений и деформаций в композиционных материалах, 

то их прочность будет определяться не только прочностью самих 

составляющих, но и концеmрациями нормальных и поперечных 

напряжений в последних. В принципе возможно, что разрушение в 

композиционном материале из-за этих концентраций напряжений, а также наличия генезисных напряжений может начаться в 

первую очередь по составляющей с большей прочностью. Однако 

такие ситуации на практике встречаются редко, так как материалы, обладающие большими значениями модулей упругости, имеют 

также и большие значения пределов прочности. 
· 

Данные положения согласуются с выводами о разрушении 

бетонов (основные строительные композиты), сделанными Б.Г. 

Скрамтаевым [170, 171], А.И. Вагановым [150], Ю.Е. Корниловичем [151, 172], С.Е. Фрайфельдом [173] и другими исследователями. Однако они определяли прочность бетонов через прочностные и упругие (модуль Юнга) свойства составляющих и их объ
9 

емное относительное содержание, т. е. не учитывали различия коэффициентов Пуассона составляющих композитов, а значит, и 

поперечные напряжения в них. При этом они основывались на 

моделях бетона, представляющих собой систему параллелъно работающих элементов, в результате чего формулы, предложенные 

этими исследователями, не отвечали большинству экспериментальных данных, поэтому они не нашли широкого применения. 

Проведеиные теоретические и экспериментальные исследования, включая работы [1- 6, 22-24 и др.] и материалы предшествующих глав учебного пособия, позволят в конечном итоге 

разработать обобщенную методику подбора составов композитов для получения строительных изделий с заданными и оптимальными свойствами различного целевого назначещiЯ. Однако 

это можно сделать только на основании решения вопроса о распределении средних по зернам нормальных и поперечных напряжеlШЙ в составляющих композита с учетом вида его напряженного состояния (решение вопроса приведенов гл. 3). Причем 

предполагается использование при производстае строительных 

композитов не только кондиционных заполнителей, но и заполнителей на основе отходов переработки пород и некондиционных горных пород, а также других видов отходов, например отходов строительной индустрии и бывших в употреблении материалов. Эта методика должна учитывать различие физико-механических свойств составляющих композитов и позволит получать максимально высокие значения их потребительских свойств, в 

первую очередь прочностных свойств, а также <<ЭксплуатационНЫХ» характеристик при возможно меньшей себестоимости производства изделий из композиционных материалов. Данная методика также позволит решать и обратную задачу, т. е. производить расчет оптимальных параметров разрушения естественных 

(горных пород) и искусственных композиционных материалов. 

Существует множество теорий прочности твердых тел, в том 

числе и гетерогенных материалов (например, горных пород). Однако практически все теории прочности разрабатывались или для твердых тел с однородной С'Iрукrурой или для твердых тел с дефекта
10