Научная концепция создания, экспериментальные и численные исследования условий регулирования прочности адгезионного соединения «алюмосиликатная (цементная) матрица – армирующее волокно»

Объект исследования – армированные композиты для D-печати. Цель работы – разработка научных принципов и технических решений создания нового класса строительных материалов – армированных высокопрочными волокнами цементных композитов, полученных по экструзионной технологии 3D-печати, на основе моделирования и экспериментального изучения их механического поведения, комплекса физико-механических свойств и технологических режимов печати. Результаты работы: 1. Предложены и экспериментально обоснованы теоретические принципы создания армокомпозитов для строительной 3D-печати, включающие - условия регулирования вязко-пластических свойств цементных матриц как гетерогенных дисперсных систем в зависимости от их компонентного состава (вида цемента, химико-минералогического состава и дисперсности наполнителей, вида добавок пластификаторов и модификаторов вязкости), фазовой однородности; - условия обеспечения физико-химического и физико-механического взаимодействия в системе «неорганическая матрица – армирующее волокно» на основании реализации принципов непрерывности, соответствия и совместимости компонентов системы. 2. Экспериментально апробирована методика микромеханических испытаний определения прочности адгезионного соединения «матрица – волокно», включающая требования к условиям изготовления, форме, размерам образцов, толщине слоя матрицы, площади и длине соединения, способу отрыва, аппаратурному оформлению опыта. 3. Экспериментально апробирована методика макромеханических испытаний на выдергивание армирующих волокон из образца цементного композита, включающая требования к условиям изготовления, форме, размерам образцов, проценту армирования, способу регистрации напряжений и деформаций в зоне контакта «матрица – волокно», аппаратурному оформлению опыта. 4. Экспериментально установлены закономерности влияния на реологические характеристики, физико-механические свойства, прочность сцепления слоев цементных матриц их компонентного состава. 5. Получены экспериментальные данные о влиянии на прочность адгезионного соединения компонентного состава, реологических характеристик и механических свойств матриц, видов и характеристик волокон. На основании полученных результатов установлены требования к рациональным вариантам сочетаний «матрица – армирующее волокно» по критерию обеспечения прочности адгезионного соединения не менее 10 МПа. 6. По данным первичных макромеханических испытаний на выдергивание различных видов волокон из образцов цементных композитов оценена величина касательных напряжений и перемещений в зоне контакта «матрица – волокно». На основании этих экспериментальных результатов разработана численная модель деформирования и разрушения зоны контакта «матрица – армирующее волокно» для различных вариантов сочетаний их прочностных и деформативных характеристик. Данная модель экспериментально верифицирована в процессе макромеханических испытаний на выдергивание для рациональных вариантов сочетаний «матрица – армирующее волокно», установленных по данным микромеханических испытаний. Научная новизна исследований. Впервые сформированы теоретические подходы и обоснованы комплексные системные решения по проектированию составов и технологии получения армированных строительных композитов для экструзионной технологии 3D-печати в зависимости от вариантов сочетания «вид, геометрия слоя алюмосиликатной (цементной) матрицы – вид, диаметр, количество и расположение в матрице армирующих волокон» с учетом адгезионной прочности соединения «волокно- матрица», вязко-пластических свойств матрицы в момент экструзии, а также с учетом характеристик прочности и упругости армирующих волокон и затвердевшей матрицы.