Технология ферроцементных материалов
Рабочее определение ферроцемента — это «тонкая оболочка из высокоармированного портландцементного раствора». Как правило, толщина ферроцементных оболочек составляет от 1/2 дюйма до 2 дюймов, а армирование состоит из слоев стальной сетки, обычно со стальными арматурными стержнями, зажатыми посередине между ними. Полученную оболочку или панель из сетки пропитывают очень густым (с высоким соотношением цемента и песка) портландцементным раствором. (Можно также использовать другие гидравлические цементы.)
Технические характеристики технологии ферроцемента широко варьируются в зависимости от ее использования — от океанских судов, на которых человеческие жизни полностью зависят от материала, до небольших одноразовых предметов домашнего обихода. Хотя в этой главе рассматривается ферроцементное материаловедение в целом, на практике качество используемого ферроцемента должно соответствовать конечному использованию продукта.
АРМИРУЮЩАЯ СЕТКА
Множество различных видов армирующей сетки позволяют создавать успешные ферроцементные конструкции. (См. рисунки 16, 17.) Общее требование — гибкость. Формы с узкими кривыми требуют более гибких сеток. Проволочная сетка, самая дешевая и простая в использовании, соответствует конструкционным требованиям большинства лодок в развивающихся странах и для любого использования на суше. Это не самая рекомендуемая сетка для высокопроизводительных конструкций, таких как корпуса глубоководных морских судов.
Проволочную сетку можно сплести на месте из бухт прямой проволоки, что дает местному инженеру больше возможностей адаптировать размер сетки и диаметр проволоки к любой конкретной работе. Поскольку катушки с проволокой менее громоздки, чем сетка, этот метод также может значительно сэкономить на транспортных расходах (как морские, так и внутренние перевозки). Поскольку меньшая поверхность проволоки подвергается воздействию воздуха, этот метод может в агрессивных тропических условиях уменьшить ухудшение качества во время хранения. Для плетения сетки из проволоки можно использовать простой ручной ткацкий станок.
В большинстве случаев сетку не нужно сваривать. Неоцинкованная проволока превосходна, но при долгом хранении на открытом воздухе она заржавеет. Подходят стандартные оцинкованные сетки (оцинкованные после плетения).
Рисунок 17. Типы армирующей сетки, обычно используемые для ферроцемента (Р.Б. Уильямсон, Калифорнийский университет, Беркли)
ЦЕМЕНТ, ПЕСОК И ВОДА
Качество используемого цемента не слишком критично. Подойдет обычный портландцемент типа 1 или 2; оценки для более конкретных целей не нужны даже в судостроении. Классификация песка редко бывает важна, за исключением случаев, когда необходимо улучшить удобоукладываемость раствора. Текущий опыт показывает, что вулканического песка и пляжного песка достаточно, но песок не должен содержать избытка мелких частиц. Необходимо провести эксперименты по использованию кораллового песка вместо обычного песка, который в некоторых районах недоступен. Органический мусор и ил, которые не сцепляются с раствором, снижают прочность ферроцемента и их следует вымывать. Воду, содержащую эти примеси, также следует фильтровать и очищать; в противном случае качество воды не имеет решающего значения в общей практике.
СТРОИТЕЛЬСТВО
Тремя основными проблемными областями в ферроцементном строительстве являются приготовление раствора, нанесение раствора и отверждение. Раствор должен быть плотным и компактным. Обученный руководитель может научить оператора миксера оценивать качество раствора по тому, как он падает или скатывается с лопастей миксера. Обычная смесь: 1 часть цемента и 2 части песка. Добавляют воду для придания необходимой пастообразной консистенции (примерно 0,4 части воды по весу). Для смешивания высочайшего качества рекомендуется использовать горизонтальный миксер с лопастями; это критично для глубоководных лодок. Опыт показывает, что при землепользовании ручное смешивание также является удовлетворительным. Определить соотношение цемента и воды можно с достаточной точностью, наблюдая за консистенцией раствора. Песок обычно не имеет фиксированного содержания влаги; даже в одной и той же куче песка нижние слои обычно более влажные, чем верхние.
Для нанесения раствора на сетчатую конструкцию используются пальцы и мастерки. Использование минометов не рекомендуется, поскольку более тяжелые части раствора (например, песок) имеют тенденцию отделяться. Определенная вибрация помогает добиться полного проникновения раствора в сетку и обеспечить хорошее уплотнение. Было обнаружено, что орбитальная шлифовальная машина (простой электроинструмент, широко используемый в деревообработке) с металлической пластиной, заменяющей подушечку наждачной бумаги, обеспечивает необходимый уровень вибрации; вибрация локализована, поэтому уже нанесенный раствор не вытряхивается из сетки. Также можно создать достаточную вибрацию, используя кусок дерева с прикрепленной ручкой, хотя это не рекомендуется для строительства глубоководных лодок.
Наконец, необходимы определенные условия для адекватного отверждения раствора. Тепло и влажность большинства тропических регионов способствуют быстрому отверждению ферроцемента, но ферроцемент не должен подвергаться чрезмерному высушивающему воздействию элементов. Его следует хранить во влажном состоянии не менее 7 дней и защищать от солнца и ветра, которые снижают прочность бетона из-за высыхания поверхностной влаги.
ПРИМЕЧАНИЕ ДЛЯ АРХИТЕКТОРОВ И ИНЖЕНЕРОВ
Как и в случае обычного железобетона, механические свойства ферроцемента в значительной степени зависят от свойств цементирующей матрицы и арматурной стали. Кажущаяся растяжимость ферроцемента представляет собой значительное отличие от свойств обычного железобетона, поскольку дисперсная арматура меняет наблюдаемую картину растрескивания. На микроскопическом уровне цементная матрица реагирует таким же образом, но на макроскопическом уровне первые трещины от растяжения обычно появляются при более высоких уровнях напряжения, чем в неармированном растворе.
Схватывание портландцемента является основной реакцией при производстве ферроцемента. Этот процесс схватывания идентичен процессу затвердевания обычного бетона, но если ожидается высокий уровень производительности, необходимо принять особые меры предосторожности. Например, для создания непроницаемой тонкой оболочки раствор должен иметь низкое соотношение воды и цемента. Также необходим правильный период влажного отверждения. Оба этих идеала с готовностью ценятся инженерами и архитекторами, но их достижение в полевых условиях может потребовать особого внимания.
Рисунок 20. Три стадии типичной кривой растяжения-деформации для ферроцемента (Валкус, И.Р. [Лодзинский технический университет, Польша] и Т.Г. Ковальский [Университет Гонконга], «Ферроцемент: исследование». Бетон [Лондон]. Том .5, №1, февраль 1971 г.)
На рисунке 20 показана типичная кривая растяжения-деформации ферроцемента. На стадии I материал ведет себя линейно упруго, при этом как арматура, так и матрица упруго деформируются. Затем, по мере увеличения нагрузки, цементная матрица трескается, и начинается стадия II, когда происходит изменение наклона кривой растяжения-деформации. Показано, что напряжение при первой трещине можно увеличить за счет увеличения площади поверхности стали, подвергающейся воздействию цемента, за счет уменьшения диаметра проволоки, за счет увеличения объема арматуры. Эти трещины очень мелкие и их можно увидеть только при специальном освещении или при микроскопическом исследовании. Для большинства целей материалы не изменяются при загрузке в эту область, которая составляет практический рабочий предел ферроцемента. Наконец, стадия III соответствует последним стадиям деформации, когда полную нагрузку несет арматура. Предел напряжения стадии III можно спрогнозировать, учитывая максимальную несущую способность только стальной арматуры.
Чтобы представить механические свойства в перспективе, важно иметь в виду, что происходит переход от характерного поведения ферроцемента к поведению обычного железобетона и что большая часть использования ферроцемента в развивающихся странах, вероятно, будет приходиться на это или около него. переход. Одной из важных задач в будущем развитии ферроцемента будет рациональная система проектирования, охватывающая реакцию конструкции на нормальные условия, а также окончательное поведение конструкции. В этой области необходимы инженерные исследования.
Влияние водоцементного соотношения на пористость оказывает большое влияние на усадку, прочность и проницаемость конечного продукта. Однако практический верхний предел водоцементного соотношения для ферроцемента зависит от приемлемого значения проницаемости, поскольку из рисунка 21 ясно, что ферроцемент, изготовленный из строительного раствора с водоцементным соотношением более примерно 0,6, имеет очень высокую проницаемость.
Рисунок 21. Зависимость между проницаемостью и водоцементным соотношением (по весу) для зрелых портландцементных паст (цемент гидратированный 93%). (Р.Б. Уильямсон, Калифорнийский университет, Беркли)
Основным требованием для изготовления водонепроницаемого раствора является строгий контроль соотношения вода/цемент, при этом удобоукладываемость достигается за счет градации и количества песка, а также за счет необязательного использования определенных добавок. Это также рецепт изготовления высококачественного обычного бетона. Ферроцемент не так прощает небрежность, как обычный бетон, и в полевых условиях он требует новой степени контроля по сравнению с простотой техники заливки бетона.
Нанесение раствора и обеспечение его проникновения в слои сетки, не оставляя воздушных карманов (проблема в ферроцементных конструкциях), является особенно серьезной проблемой в судостроении.
Поскольку ферроцементное армирование имеет несколько иную цель, чем обычный железобетон, применяются следующие два соображения:
- Соответствующее покрытие для защиты стали от коррозии необходимо, поскольку почти при каждом применении ферроцемента долговечность и устойчивость к воздействию окружающей среды зависят от тонкого слоя строительного раствора поверх стальной сетки и его способности защищать легко подвергающуюся коррозии стальную сетку.
- Желательно располагать сетку как можно ближе к поверхностям.
В тонкой оболочке ферроцемента эти соображения противоречат друг другу; поэтому в наружных слоях необходимо использовать сетку с высокой удельной поверхностью (проволоки малого диаметра) и использовать минимально возможное водоцементное соотношение для достижения наименьшей проницаемости и наибольшей защиты арматуры от коррозии.
ПРИМЕЧАНИЕ. Морская вода предъявляет дополнительные требования к ферроцементу. Лодки для морского использования должны быть оштукатурены цементом, устойчивым к воздействию сульфатов. Поверхность также следует покрыть краской или другим герметиком, чтобы еще больше уменьшить проникновение соленой воды.
