Evaluation of dispersion reinforcement in concrete in terms of strength and crack resistance

<jats:p><jats:bold>Introduction.</jats:bold> The purpose of the study was to evaluate the effectiveness of dispersed concrete reinforcement in terms of strength and crack resistance.<jats:bold>Materials and methods</jats:bold>. When conducting research, test methods were used, regulated by the provisions of national standards, equipment specially designed for this study was used.<jats:bold>Results.</jats:bold> The results of testing fiber-reinforced concretes made using low-modulus and high-modulus fibers are presented.<jats:bold>Discussion and conclusions</jats:bold>. As a result of the analysis of the data presented, it is shown that in order to assess the effectiveness and the correct choice of reinforcing fibers, it is not enough to characterise fiber-reinforced concrete only by tensile strength in bending. For a more accurate assessment, it is proposed to use crack resistance characteristics, for example, the critical stress intensity factor, or to supplement the description of the advantages of dispersed reinforcement with the features of the behavior of fiber-reinforced concrete under load.</jats:p>

section_name: 754

section_content: СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА ВВЕДЕНИЕ В последние годы проводятся активные теоретические и экспериментальные исследования, связанные с подробным изучением свойств фибробетонов, изготовленных с применением различных видов армирующих волокон и цементных матриц [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Полученные результаты включают численные значения прочности, а также силовых и энергетических характеристик трещиностойкости, в том числе модуля упругости, джей-интеграла, критического коэффициента интенсивности напряжений и др. При этом наиболее простым и распространенным способом оценки эффективности дисперсного армирования и, соответственно, применяемой для этого фибры по-прежнему остается сравнение результатов испытаний прочности различных фибробетонов. Однако оценка только по прочности представляется недостаточно информативной и в ряде случаев может привести к формированию противоречивых выводов [11, 12, 13, 14]. Учитывая это, цель написания данной статьи и ее актуальность связаны с получением экспериментальных данных, указывающих на необходимость комплексной оценки эффективности дисперсного армирования бетонов одновременно по показателям прочности и трещиностойкости.
section_name: РАЗДЕЛ III

section_content: Для испытаний трещиностойкости использована методика, представленная в ГОСТ 29167, согласно которой проводили испытания стандартных образцов-балок на растяжение при изгибе, при этом строили диаграммы деформирования -графики зависимости прогибов образцов от прилагаемых нагрузок, и с их помощью определяли силовые и энергетические характеристики трещиностойкости [15, 16, 17, 18, 19, 20]. 

Испытаниям подвергались образцы-балки размерами 70×70×280 мм. В растянутых гранях образцов был сделан начальный надрез глубиной 25 мм. Образцы изготавливались из мелкозернистого бетона класса по прочности В20 при следующем расходе основных компонентов: цемент 450 кг/м 3, песок 1670 кг/м 3, вода 315 л/м 3. Для приготовления фибробетонной смеси использован кварцевый песок М к = 2,3 и бездобавочный портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н по ГОСТ 31108. Перемешивание фибробетонной смеси производилось в лабораторном двухвальном смесителе. Уплотнение смеси осуществлялось с помощью лабо-раторной виброплощадки. Образцы твердели в шкафу нормального твердения при температуре (20±2) °С и влажности более 95% в течение 28 сут. 

Для дисперсного армирования применялась синтетическая полипропиленовая фибра Fibrin XT, длиной 12 мм и диаметром 0,025 мм, стальная проволочная фибра круглого сечения волнового профиля диаметром 0,3 мм и длиной 22 мм, синтетическая полипропиленовая фибра Durus S500 периодического профиля длиной 48 мм и эквивалентным диаметром 0,7 мм.
section_name: МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

section_content: На рисунке 1 приведены диаграммы деформирования образцов мелкозернистого фибробетона без волокон, а также армированного низкомодульной фиброй Durus S500. Содержание фибры составляло 0,5% и 1,0% по объему. 

По рисунку 1 видно, что разрушающая нагрузка неармированного образца составила 1,7 кН, а соответствующий ей прогиб -0,056 мм. После прохождения точки с данными координатами кривая деформирования становится резко нисходящей, что свидетельствует о хрупком характере разрушения. 

Диаграммы деформирования образцов, армированных фиброй Durus S500, в области, близкой к началу координат, практически повторяют аналогичный график неармированного образца. После достижения нагрузки, приводящей к разрушению матрицы, диаграммы фиброармированных образцов также приобретают нисходящий, но более плавный характер, снижаясь до нагрузок 0,5…1,5 кН, в зависимости от содержания фибры в составе композита (рисунок 1, слева). После этого нагрузка снова начинает возрастать, достигая значений 3,0…5,5 кН, а затем плавно снижается до нуля. Повторный подъем нагрузки и ее дальнейшее плавное снижение вплоть до разрушения обусловлены особенностями поведения под нагрузкой фибробетона, армированного низкомодульной фиброй: в момент появления трещины в матрице сцепление с ней волокон не нарушается, и начинается их удлинение, обусловленное низким модулем упругости. Этот процесс требует определенных усилий, что и объясняет повторное повышение нагрузки, которую воспринимает образец и которая при определенном содержании волокон может достигать значительных величин. 

Таким образом, прочность фибробетона с низкомодульными волокнами, рассчитанная по максимальному значению нагрузки, зафиксированной в ходе испытания, может оказаться довольно высокой. 

Так, прочность на растяжение при изгибе неармированного образца составила 4,78 МПа, образца с 0,5% фибры Durus S500 уже 8,1 МПа, а образца, армированного 1,0% фибры по объему, 14,9 МПа. В то же время важно отметить, что прогибы фиброармированных образцов в момент достижения максимальной нагрузки могут в десятки раз превысить прогиб неармированного образца и таким образом оказаться выше допустимых значений. 

Аналогичную особенность можно проследить и в случае применения для армирования цементных композитов низкомодульной фибры другого вида. 

На рисунке 2 представлены диаграммы деформирования образцов, армированных низкомодульной фиброй Fibrin XT, по которым прослеживается тот же механизм разрушения, что и в случае использования волокон Durus S500: вначале наблюдается момент растрескивания матрицы, по величине нагрузки совпадающий с моментом разрушения неармированного образца, затем процесс перераспределения усилий преимущественно на волокна и повторное повышение нагрузки после их некоторого удлинения. При этом так же, как и в предыдущем случае, нагрузка принимает более высокие значения в случае большего расхода волокон. 

Иначе выглядит на графиках процесс деформирования и разрушения фибробетона, изготовленного с применением высокомодульных волокон в виде стальной проволочной фибры (рисунок 3). 

По полученным диаграммам видно, что для сталефибробетона характерно увеличение предела пропорциональности: нагрузка в момент появления первой трещины значительно превышает разрушающую нагрузку неармированного образца при одинаковом с ним прогибе. В дальнейшем фибробетонный образец последовательно переходит в стадии упругопластического и пластического деформирования с увеличением нагрузки и прогибов. При этом характерного сброса значений по вертикальной оси графиков, как это было при использовании низкомодульных волокон, не происходит, а величина прогибов оказывается в несколько раз меньше и составляет 1,2…1,4 мм.
section_name: РЕЗУЛЬТАТЫ

section_content: Durus S 500: укрупненный фрагмент диаграмм деформирования (слева); полные диаграммы деформирования (справа) Источник: составлено авторами.
section_name: Рисунок 1 -Диаграммы деформирования фибробетонных образцов, армированных фиброй

section_content: Source: Compiled by the authors.
section_name: Figure 1 -Diagrams of deformation of fiber-reinforced concrete samples reinforced with Durus S500 fiber: enlarged fragment of deformation diagrams (left); full deformation diagrams (right)

section_name: 757

section_name: PART III CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE

section_content: По результатам проведенных экспериментов можно сделать вывод о том, что дисперсное армирование бетона низкомодульной фиброй не в состоянии сдерживать процесс образования и развития трещин, но при определенном насыщении волокнами может способствовать повышению прочности. При этом значения предельных деформаций также будут составлять весьма значительную величину, что может оказаться неприемлемым по характеру и условиям работы конструкции. Таким образом, оценку эффективности дисперсного армирования только по результатам испытаний прочности следует считать недостаточно информативной и для повышения ее объективности предлагается дополнительно использовать численные значения характеристик трещиностойкости, например, коэффициент интенсивности напряжений. В механике разрушения эта величина характеризует способность материала сопротивляться образованию и развитию трещин. Согласно ГОСТ 29167, коэффициент интенсивности напряжений -величина, определяющая напряженно-деформированное состояние и смещения вблизи вершины трещины. 

На рисунках 4 и 5 показаны графики зависимости коэффициента интенсивности напряжений и прочности бетона и фибробетона в зависимости от объемного содержания волокон Durus S500 и Fibrin XT, полученные в ходе обработки представленных выше диаграмм. 

На рисунках видно, что прочность фибробетона повышается, особенно при достаточно высоком насыщении бетона волокнами (в данном случае 1% об. ). При этом коэффициент интенсивности напряжений остается неизменным при любом содержании волокон. Это значит, что матрица в фибробетоне с низкомодульными волокнами разрушается, и в ней появляются трещины примерно при тех же нагрузках, что и при отсутствии армирования, и эффект ее упрочнения в данном случае отсутствует. Таким образом, введение в состав бетона низкомодульных волокон не приводит к повышению его трещиностойкости. 

На рисунке 6 представлены графики зависимости коэффициента интенсивности напряжений и прочности образцов на растяжение при изгибе от объемного содержания стальной проволочной фибры, из которых следует, что обе исследуемые характеристики повышаются пропорционально объемному содержанию волокон.
section_name: ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

section_name: ВКЛАД СОАВТОРОВ

section_content: Yury V. Pukharenko. Formation of research area, formulation of goals and objectives. 

Dmitrii A. Panteleev. Planning of the experiment, production of control samples, preparating the text for the publication. 

Mikhail I. Zhavoronkov. Testing of fiber-reinforced concrete specimens, plotting deformation diagrams and determining the force and energy characteristics of crack resistance, preparing the text for the publication.
section_name: COAUTHORS' CONTRIBUTION

section_name: The article is published based on the results of the research work carried out as part of the competition for research grants by scientific and pedagogical staff of Federal State Budgetary Educational

section_name: Рисунок 2 -Диаграммы деформирования фибробетонных образцов, армированных фиброй Fibrin XT

section_content: Источник: составлено авторами.
section_name: Рисунок 2 -Диаграммы деформирования фибробетонных образцов, армированных фиброй Fibrin XT

section_name: AUTHORS' AFFILIATION