Проектирование и анализ методом конечных элементов экологически безопасных моноармированных и гибридноармированных фиброгеополимеров

Введение. Один из приоритетов стратегии научно-технического развития Российской Федерации — противодействие техногенным, биогенным, социокультурным и иным источникам опасности для общества и экономики [1]. Важнейшая задача экологической безопасности — разработка технологических способов и технических средств [2], ресурсосбережения [3] и комплексной переработки техногенных материалов [4], получение на их основе продукции с высокими эксплуатационными характеристиками [5].

Трансдисциплинарные подходы обеспечивают новый уровень развития строительных композиционных смесей. Для прогресса в этой сфере важно уйти от действующих шаблонов проектирования строительных материалов [6]. Для снижения сложности рецептур и стоимости компонентов следует использовать данные различных наук: материаловедения, физики, химии, геологии, нанотехнологий и т. д. К тому же новому композиту можно задать определенные эксплуатационные характеристики [7].

Улучшение физико-механических, эксплуатационных, защитных и экологических свойств современных модифицированных композитов базируется на:

• оптимизации рецептур и технологий;
• использовании нетрадиционных видов природного и техногенного сырья [8].

Известно, что экономическая эффективность проектов во многом определяется применением высокотехнологичных стройматериалов [9]. У современных композитов — хорошие перспективы в промышленном и гражданском строительстве [9]. Нередко их используют для уникальных проектов и объектов, которые будут эксплуатироваться в различных условиях [10].

При производстве описанных выше материалов, как правило, задействуют одну из двух инновационных стратегий:

• рециклинг для производства так называемых «зеленых» материалов [11];
• создание «умных» бетонов для мониторинга состояния строительных конструкций [12].

Отметим, что в нормативной базе, регулирующей строительное проектирование, нет рекомендаций по использованию техногенных отходов в качестве наполнителей для бетона. Перспективные подходы обсуждаются в литературе. Как правило, речь идет о комплексной переработке отслуживших шин, а также о волокнистых материалах — техногенных отходах производства минеральной ваты [13]. Однако оба эти решения недостаточно изучены и протестированы на практике.

Следует упомянуть также возможность применения технического углерода и отходов ТВМ. Однако и в этом случае нет адекватных научных выводов, которые доказали бы практическую целесообразность внедрения таких композитов в строительную практику [14].

Цель представленной работы — исследование и проектирование методом конечных элементов неармированных и гибридноармированных фиброгеополимеров. В рамках данного исследования решали две задачи: проектирование гибридноармированных фиброгеополимеров и анализ балок из них методом конечных элементов. Это необходимо для реализации заявленной цели, а также в целом для создания экологически безопасных строительных материалов.

Материалы и методы. Вяжущей основой для изготовления фиброгеополимеров служили спекшиеся частицы (корольки), извлеченные из отходов базальтовой ваты — техногенных волокнистых материалов (TBM). В качестве щелочной активирующей жидкости использовалась комбинация раствора силиката натрия и гидроксида натрия. Мелким заполнителем выступал полифракционный кварцевый песок с удельным весом 2,67. Максимальный размер крупного заполнителя, используемого в этом исследовании, не превышает 12 мм, что увеличивает удобоукладываемость бетона. Фибру из металлокорда отработавших шин термически обрабатывали и нарезали. Фибру из TBM получали путем измельчения базальтовой ваты. Авторы установили, что иногда реальные технические свойства фибр отличаются от заявленных производителями, и именно эти, настоящие, параметры приводятся в таблице 1.

Изучали поведение балок размером 1 000×200×100 мм из гибридноармированных фиброгеополимеров. Их анализировали методом конечных элементов при изгибе и сдвиге. Прогиб геополимербетонных балок считают, чтобы предотвратить недопустимые деформации и обеспечить нормальную эксплуатацию конструкций. Метод конечных элементов подходит для компьютерной обработки, может применяться в решении задач по механике твердого тела, механике жидкости, теплопередаче и вибрациям.

Результаты исследования. Разработаны составы экологически безопасных фиброгеополимерных смесей, которые показали удовлетворительные характеристики удобоукладываемости (таблица 2). Удобоукладываемость обеспечивает качественную, безопасную транспортировку геополимерной смеси к месту укладки.

Композиты затвердевали в течение 28 дней при обычных, специально не заданных условиях. Их итоговые механические свойства обобщены в таблице 3. Доказаны высокие значения прочности при сжатии (до 46,67 МПа) и изгибе (до 10,19 МПа). Установлена крайне важная разница в показателях отношения прочности при изгибе и сжатии для исследуемых и традиционных материалов — 1:4 и 1:10 соответственно. Высокий модуль упругости (более 25 ГПа) особенно значим для проектировщиков и инженеров, т.к. определяет способность материала сопротивляться деформациям, то есть прочность и устойчивость строительных конструкций. Составы с наилучшими характеристиками в таблице 3 выделены цветом.

Задачи статики решались методом конечных элементов. Ниже описана последовательность анализа в программной среде Ansys.

1. Задание алгоритма.
2. Указание геометрии.
3. Указание и определение свойств материала (модуль упругости и коэффициент Пуассона).

Для моделирования использовали геополимерную балку с тремя степенями свободы в каждом узле. Она перемещается и упруго деформируется в направлениях x, y, z.

Модуль упругости бетона:

(1)

где E_c — кратковременный статический модуль упругости, МПА; R_сж. — прочность при сжатии, МПа.

Коэффициент Пуассона обычно меньше 0,5. В [15] приводятся значения от 0,18 до 0,24, в [16] называли цифры от 0,23 до 0,32.

Сетчатая разбивка производится на основе геометрии структуры. Визуализация анализа на изгиб в Ansys представлена на рис. 1–11.

Сравнение экспериментальных и теоретических результатов прогиба приводится в таблицах 4, 5 и на рис. 12–17. Геополимерный бетон — упругопластичный материал, поэтому график «напряжения — деформации» нелинейный.

Таким образом, моделирование методом конечных элементов балок из моноармированных и гибридноармированных фиброгеополимеров показало хорошую сходимость экспериментальных и теоретических результатов, что позволяет эффективно проектировать конструкции из разработанных материалов и прогнозировать их эксплуатационные характеристики.

Обсуждение. Самое заметное расхождение между итогами опытов и расчетов (45 %) выявлено для ФГП-2 при нагрузке 20 кН. При 15 кН обнаруженная разница — 38 %. Однако в этом и следующих случаях важно подчеркнуть невысокие абсолютные показатели. При 20 кН теоретически предполагался прогиб 1,45 мм, эксперимент показал 2,64 мм. Соответствующие данные при 15 кН — 1,14 и 1,84. При других нагрузках разница существенно меньше. Для ФГП-3 максимальное расхождение фиксируется на минимальных нагрузках: 40 % при 5 кН и 39 % при 10 кН. Если речь об абсолютных цифрах, то в первом случае расчет — 0,42 мм, эксперимент — 0,70 мм. Во втором случае — 0,95 мм и 1,56 мм соответственно. Для ФГП-1 и ФГП–1 (1 %) максимальное расхождение не превысило 27 %, причем при малых нагрузках. При нагрузках 5 кН теоретически полученный показатель прогиба по ФГП-1 — 0,35 мм, установленный опытным путем — 0,48 мм. Разница — 27 %. При нагрузке 5 кН для ФГП-1 (1 %) расчет показал прогиб 0,47 мм, эксперимент — 0,64 мм. Соответствующие данные для 10 кН — 1,05 и 1,44. Разница в обоих случаях — 27 %. Для других нагрузок — существенно меньше.

Отметим также случаи наилучшей сходимости данных расчетов и опытов. Для ФГП-1 это 8 % (нагрузка — 35 кН), для ФГП-2 — 11 % (50 кН), для ФГП-3 — 7 % (38 кН), для ФГП-1 (1 %) — 3 % (30 кН).

Результаты исследования гибридноармированных фиброгеополимеров позволяют утверждать, что самое значимое расхождение теории и экспериментов фиксируется при минимальных нагрузках (в данном случае — 5 кН). Так, для ГФГП-1 это 46,2 % (расчет показал прогиб 0,14 мм, опыт — 0,26 мм). Соответствующая разница для ГФГП-2 — 43,8 % (0,18 мм и 0,32 мм), для ГФГП-3 — 43,3 % (0,17 и 0,30). При других нагрузках расхождения меньше.

Лучшее соответствие расчетов и итогов опытов для ГФГП-1 — 1,85 %. Такой показатель зафиксировали при нагрузке 72 кН (теория — 5,85 мм, эксперимент — 5,96 мм). Наименьшее расхождение, полученное при моделировании прогиба для ГФГП-2, — 9,12 % (63 кН, соответственно 5,58 мм и 6,14 мм). Для ГФГП-3 — 0,80 % (55 кН, 4,98 мм и 5,02 мм). Как отмечалось выше, следует принимать во внимание крайне незначительные расхождения в абсолютных цифрах. И частные, и обобщенные данные представляют интерес для проектной и инженерной практики. Это подтверждает визуализация результатов работы — кривые на рис. 12–20 во многих случаях схожи или совпадают.

Заключение. Получены инновационные компоненты для производства экологически безопасных строительных материалов [17]. Экологичность обусловлена тем, что используется альтернатива цементу [18], и это обеспечивает значительное снижение выбросов парниковых газов. Проектирование гибридноармированных фиброгеополимеров дает возможность получить высокие значения прочности — как при сжатии (от 46 МПа), так и при изгибе (от 10 МПа). При использовании гибридной фибры возможно достичь прочности при изгибе и сжатии на уровне 1:4, и это в несколько раз выше, чем для неармированных портландцементных бетонов [19]. Модуль упругости более 25 ГПа показывает хорошее сопротивление материала деформациям, что положительно влияет на прочность и устойчивость строительных конструкций [20]. Анализ гибридноармированных фиброгеополимерных балок методом конечных элементов подтвердил полученные экспериментальные результаты [21].

Ниже описаны три основных результата научной работы.

1. Получены два вида геополимеров:

• моноармированные (фибра из металлокорда, полипропиленовая фибра и фибра из отходов производства базальтовой ваты — TBM);
• гибриднофиброармированные (металлокорд + полипропилен, металлокорд + TBM, полипропилен + TBM).

2. Фиброармированные геополимербетонные смеси обладают нормативными характеристиками удобоукладываемости, позволяющими эффективно транспортировать их к месту применения и укладывать в опалубку.
3. Моделирование методом конечных компонентов балок из моноармированных и гибридноармированных фиброгеополимеров показало хорошую сходимость экспериментальных и теоретических результатов, что позволяет эффективно проектировать конструкции из разработанных материалов и прогнозировать их эксплуатационные характеристики [22].