ФИБРА ДЛЯ ДИСПЕРСНОГО АРМИРОВАНИЯ БЕТОНА
FIBRE FOR DISPERSE REINFORCEMENT OF CONCRETE

Изобретение относится к области строительства, в частности к искусственной фибре для приготовления бетонов, и может быть использована в строительной индустрии.
Известен арматурный элемент с высокими анкерующими свойствами для дисперсного армирования, выполненный в виде отрезка металлической нити, имеющей прямолинейный участок и криволинейный участок в виде полуволны - анкера (RU №2367749, Е04С 5/00, 2009).
Недостатком известного арматурного элемента является то, что хотя волновая поверхность и повышает сцепление по сравнению с гладкой поверхностью, однако не все участки фибры одновременно вступают в работу, так как на начальном этапе приложения нагрузки восприятие ее волокнами происходит только после некоторого распрямления изогнутых участков, а также работает в одной плоскости, а не в объеме, что приводит к снижению эффективности ее работы в целом.
Наиболее близким техническим решением является фибра для дисперсного армирования бетона, выполненная в виде металлического отрезка с отгибами-анкерами на концах (Ф.Н. Рабинович. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции: Монография. - М.: Изд-во АСВ, 2004. С. 24-27).
Недостатком известной фибры для дисперсного армирования бетона является восприятие растягивающих усилий только в одном направлении и одной плоскости, что уменьшает структурную прочность бетона, приводя к снижению эффективности ее использования.
Задачей настоящего изобретения является создание фибры для дисперсного армирования бетона как металлической, так и полимерной с улучшенными анкерующими способностями - возможностью воспринимать растягивающие усилия в различных направлениях и различных плоскостях их действия, т.е. в объеме бетона, и достижения большего объема микроармирования.
Техническим результатом является повышение структурной прочности бетона.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что фибра для дисперсного армирования бетона выполнена в виде отрезка нити с анкерами на концах. Согласно изобретению отрезок нити состоит из двух ветвей, соединенных общим анкером, выполненным с возможностью изменения ориентации ветвей относительно общего анкера. В одном случае ветви фибры могут быть повернуты в плоскости х-y вокруг центра общего анкера относительно друг друга с углом поворота α=0°-90°, во втором случае ветви фибры могут быть раскрытия относительно друг друга в плоскости x-z, причем угол раскрытия β=0°-90°, а в третьем случае ветви фибры могут быть совместно (одновременно) повернуты и раскрыты относительно друг друга в пространстве x-y-z, причем угол поворота α равен углу раскрытия β и составляет 0°-45°.
Выполнение фибры для дисперсного армирования бетона в виде отрезка нити с анкерами на концах, состоящего из двух ветвей с общим анкером, позволяет, во-первых, значительно повысить сопротивляемость растягивающим напряжениям за счет участия в работе не одной, а двух нитей - ветвей и, соответственно, повысить сцепление с бетонной матрицей и площадь распределения прикладываемой нагрузки - воспринимать одной фиброй в двое большие нагрузки, добиться большего объема микроармирования и сцепления бетонной смеси за счет большего охвата объема матрицы бетона двумя ветвями фибры, в отличие от работы одной ветви - одного отрезка в прототипе, что повышает сопротивляемость фибры действию сдвиговых деформаций и растягивающих напряжений, а в целом повышает структурную прочность бетона, во-вторых, упростить конструкцию фибры за счет сокращения количества анкеров для двух ветвей с 4-х до 3-х, имея в этом случае один общий анкер, что повышает эффективность использования фибры в целом.
Выполнение фибры для дисперсного армирования бетона, когда ветви фибры повернуты вокруг центра общего анкера относительно друг друга, причем угол поворота α составляет 0°-90° позволяет, во-первых, увеличить площадь микроармирования вокруг фибры за счет возрастания угла поворота α, во-вторых, изменяя угол поворота α от 0° до 90°, можно добиться наилучшего эффекта упрочнения бетонной матрицы, учитывая ее структуру: например, для улучшения структуры легкого бетона, отличающегося от тяжелого бетона повышенной хрупкостью, задается угол большего поворота α=45°-90°, а для тяжелого бетона задается угол меньшего поворота - α=0°-45°.
Выполнение фибры для дисперсного армирования бетона, когда ветви фибры раскрыты относительно друг друга, причем угол раскрытия β составляет 0°-90°, позволяет, во-первых, повысить стойкость бетонной матрицы к растрескиванию, изгибающим и разрывным нагрузкам за счет работы ветвей фибры уже в двух плоскостях, добиваясь еще большего объема микроармирования матрицы бетона, а соответственно, и ее упрочнения, во-вторых, изменяя угол раскрытия β от 0° до 90°, можно добиться наилучшего эффекта упрочнения: например, для повышения структурной прочности и сопротивляемости бетона вибронагрузкам задается угол большего раскрытия α=45°-90°, а для бетона, не воспринимающего вибронагрузки, задается угол меньшего раскрытия - α=0°-45°.
Выполнение фибры для дисперсного армирования бетона, когда ветви фибры одновременно повернуты и раскрыты относительно друг друга, причем угол поворота α равен углу раскрытия β и составляет 0°-45°, позволяет, во-первых, усилить зону микроармирования за счет образования в ней области двойного микроармирования работой двух ветвей фибры в различных плоскостях, что создает более прочную структуру бетона, тем самым повышая эффективность использования данной фибры, при этом для более хрупких бетонов задается больший угол, а для менее хрупких - меньший угол, во-вторых, позволяет за счет поворота и раскрытия ветвей в разных плоскостях при углах α=β=45° максимально увеличить объем микроармирования вокруг фибры - добиться ее истинно трехмерного упрочнения и тем самым повысить общий эффект упрочнения матрицы бетона.
Фибра для дисперсного армирования бетона поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена фибра с двумя ветвями и общим анкером; на фиг. 2 - фибра с двумя повернутыми ветвями; на фиг. 3 - фибра с двумя раскрытыми ветвями; на фиг. 4 - вид А, на фиг. 5 - фибра с двумя совместно повернутыми и раскрытыми ветвями; на фиг. 6 - вид Б.
На фиг. 1-6 обозначено:
х
y
z
1, 2 - ветви отрезка нити фибры; 3 - общий анкер; 4, 5 - анкеры соответствующих ветвей фибры; 6 - область двойного микроармирования, образованная общим анкером; 7 - область двойного микроармирования в плоскости х-y, формируемая между двумя ветвями фибры; 8 - область двойного микроармирования в плоскости x-z, формируемая между двумя ветвями фибры; 9 - область двойного микроармированя в объеме x-y-z, формируемая между двумя ветвями фибры; α и β - соответственно углы поворота и разворота ветвей фибры; σ, σ, σ - напряжения по главным координатным осям; х, y, z - главные координатные оси.
Фибра для дисперсного армирования бетона выполнена в виде отрезка нити длиной l, состоящей из несущей части - ветвей 1 и 2, находящихся друг от друга на расстоянии b, общего анкера 3 и анкеров 4, 5, расположенных на концах соответствующих ветвей фибры (фиг. 1).
Фибра для дисперсного армирования бетона может быть выполнена также в виде отрезка нити, состоящей из несущей части - ветвей 1 и 2, общего анкера 3 и анкеров 4, 5, расположенных на концах соответствующих ветвей фибры, при этом ветви фибры повернуты относительно друг друга в плоскости х-y на угол поворота α=0°-90° (фиг. 2).
Фибра для дисперсного армирования бетона может быть выполнена и в виде отрезка нити, состоящей из несущей части - ветвей 1 и 2, общего анкера 3 и анкеров 4, 5, расположенных на концах соответствующих ветвей фибры, при этом ветви фибры развернуты относительно друг друга в плоскости x-z на угол раскрытия β=0°-90° (фиг. 3 и фиг. 4).
Фибра для дисперсного армирования бетона может быть выполнена также в виде отрезка нити, состоящей из несущей части - ветвей 1 и 2, общего анкера 3 и анкеров 4, 5, расположенных на концах соответствующих ветвей фибры, причем ветви фибры повернуты и раскрыты относительно друг друга в объеме x-y-z на угол α=β=0°-45° (фиг. 5 и фиг. 6).
Фибра для дисперсного армирования бетона работает следующим образом.
При внесении в бетонную смесь фибры в виде отрезка нити, состоящей из двух ветвей с общим анкером и с анкерами на концах (фиг. 1), часть смеси будет заполнять пространство между ветвями фибры, тем самым повышая сопротивляемость сдвиговым деформациям в этом микрообъеме и повышая общую сопротивляемость бетона действию прикладываемой нагрузки.
При внесении в бетонную смесь фибры в виде отрезка нити, состоящей из двух ветвей, повернутых относительно друг друга на угол поворота α=0°-90° и имеющих общий анкер и анкеры на концах ветвей (фиг. 2), с увеличением угла поворота ветвей α увеличивается площадь микроармирования (ветви ориентированы в одной плоскости х-y), т.е. большая часть бетонной матрицы будет находиться в защемленном состоянии между общим анкером и анкерами на концах ветвей фибры и частично между ветвями, что в целом повышает сопротивляемость сдвиговым деформациям и, соответственно, общую прочность бетона.
При внесении в бетонную смесь фибры в виде отрезка нити, состоящей из двух ветвей, раскрытых относительно друг друга на угол раскрытия β=0°-90° и имеющих общий анкер и анкеры на концах ветвей (фиг. 3), с увеличением угла раскрытия ветвей β дополнительно увеличивается площадь микроармирования за счет работы в другой плоскости y-z, т.е. ветви будут ориентированы уже в двух плоскостях: х-y и y-z, при этом одна часть бетонной матрицы будет находиться в защемленном состоянии между общим анкером и анкерами на концах ветвей фибры, другая - между самими ветвями фибры, раскрытыми в разных плоскостях, тем самым существенно увеличивая объем микроармирования, что повышает сопротивляемость сдвиговым деформациям и, соответственно, общую прочность бетона.
При внесении в бетонную смесь фибры в виде отрезка нити, состоящей из двух ветвей, одновременно повернутых и раскрытых относительно друг друга на угол α=β=0°-45° и имеющих общий анкер и анкеры на концах ветвей, в работе фибры может быть задействован максимальный объем микроармирования (ветви ориентированы в объеме: x-y-z) - достигается трехмерное упрочнение, что еще больше повышает сопротивляемость сдвиговым деформациям и, соответственно, общую прочность бетона.
х
При приложении нагрузки к бетону с фиброй в виде отрезка нити, состоящей из двух ветвей с общим анкером и с анкерами на концах (фиг. 1), в нем развивается комплекс напряжений, воспринимаемых и самой фиброй - σ. При этом основная нагрузка воспринимается фиброй через несущую часть нити - ветвей 1, 2, а анкеры 3, 4, 5 распределяют часть нагрузки на матрицу бетона. Соответственно каждый компонент фибры будет воспринимать часть общей нагрузки. При этом по поверхности фибры будут более равномерно распределяться напряжения и соответственно меньше возникать концентрации напряжений. В свою очередь, двухветвевая фибра воспринимает и симметрично распределяет еще большую часть нагрузки на матрицу бетона, чем фибра с одной ветвью той же длины. Соответственно структура бетона будет работать по всему объему более равномерно, что обеспечит более долговечную работу бетонного изделия.
х
y
При приложении нагрузки к бетону с фиброй в виде отрезка нити, состоящей из двух ветвей, повернутых относительно друг друга на угол поворота α=0°-90° и имеющих общий анкер и анкеры на концах ветвей, ветви фибры воспринимают растягивающие напряжения уже по двум направлениям: σ и σ, что увеличивает площадь микроармирования, при этом возникают две области микроармирования - область двойного микроармирования 6, формируемая общим анкером 3, и область 7, формируемая между двумя ветвями фибры, что позволяет воспринимать матрицей бетона еще большую нагрузку (фиг. 2).
х
z
При приложении нагрузки к бетону с фиброй в виде отрезка нити, состоящей из двух ветвей, раскрытых относительно друг друга на угол раскрытия β=0°-90° и имеющих общий анкер и анкеры на концах ветвей, ветви фибры воспринимают растягивающие напряжения также по двум направлениям: σ и σ, но уже в некотором объеме, ограниченном ветвями фибры (фиг. 3, фиг. 4). При этом возникают две области микроармирования - область двойного микроармирования 6, формируемая общим анкером 3, и область 8, формируемая между двумя ветвями фибры, при этом в нем также развивается комплекс напряжений и деформаций, при этом основная нагрузка воспринимается фиброй через несущую часть нити 1, 2. В свою очередь, раскрытые ветви еще больше повышают эффект микроармирования за счет того, что они охватывают уже некоторый объем матрицы (фиг. 3, фиг. 4) в отличие от работы фибры, когда ветви охватывают только некоторую площадь матрицы бетона (фиг. 2). При этом воспринимают и симметрично распределяют еще большую часть нагрузки на матрицу бетона, еще в большей степени сопротивляются сдвиговым деформациям, чем фибра с повернутыми ветвями той же длины.
х
y
z
При приложении нагрузки к бетону с фиброй в виде отрезка нити, состоящей из двух ветвей, одновременно повернутых и раскрытых относительно друг друга на угол α=β=45° и имеющих общий анкер и анкеры на концах ветвей, в нем также развивается полный комплекс нормальных напряжений: σ, σ, σ, При этом возникают две области микроармирования - область двойного микроармирования 6, формируемая общим анкером 3, и область 9, формируемая между двумя ветвями фибры. В этом случае основная нагрузка воспринимается фиброй через ее ветви, но уже одновременно повернутые и раскрытые относительно друг друга по трем координатным осям, т.е. происходит трехмерное упрочнение в реальном микрообъеме бетонной матрицы. При этом в случае выполнения условия α=β=45° достигается максимальный объем микроармирования, создается более прочная монолитная структура, которая позволяет воспринимать и более высокие как статические, так и динамические нагрузки.
Пример
к
Готовили модельную бетонную смесь в соотношении цемент:песок как 1:3, фибра - 5% по массе цемента, при водоцементном отношении В/Ц=0,54. Марка портландцемента - М500. Песок - кварцевый с модулем крупности М=2,5. При этом использовали два вида стальной фибры - одна в виде отрезка с загибами-анкерами на концах (готовили из стальной проволоки диаметром 0,5 мм), а другая - в виде отрезка с двумя ветвями с загибами-анкерами на концах (готовили также из стальной проволоки диаметром 0,5 мм) длиной 20 мм. Для испытаний приготавливались соответственно два вида бетонной смеси с различной фиброй, из которых формовали два вида бетонных кубиков.
Приготовление бетонной смеси осуществляли вручную. Формование бетонных кубиков размерами 150×150×150 мм осуществляли на виброплощадке с круговыми колебаниями.
Вибрирование выполняли в течение 30 секунд. Отформованные кубики выдерживали 14 суток в нормальных условиях твердения, после чего их испытывали на прессе на сжатие. Прочность образцов на сжатие, содержащих двухветвевую фибру, повысилась на 18% по сравнению с образцами, включающими в своем составе фибру в виде отрезка с загибами-анкерами на концах. При осмотре испытанных образцов не было выявлено явных разрывов фибры в месте ее разрушения, при этом бетонная смесь проникала сквозь промежутки между ветвями фибры, что повышало сцепление и, соответственно, усиливало армирующий эффект предложенной новой фибры. Это подтверждает осуществление поставленной задачи - создания фибры для бетона с поверхностью повышенного сцепления и объема микроармирования, а также достижения технического результата - повышения прочности, т.е. более эффективного использования фибры в бетоне - с возможностью ее работы в бетоне с восприятием повышенных как статических, так и динамических нагрузок.
Результаты испытаний показали, что фибра с двумя ветвями может быть в целом эффективно использована для трехмерного упрочения и повышения стойкости фибробетона к растрескиванию, изгибающим и разрывным нагрузкам, может создать необходимый запас прочности и способствовать сохранению целостности конструкции при развитии сквозных трещин, а также может значительно уменьшить общий вес строительных конструкций.
Фибра для дисперсного армирования бетона была изготовлена и опробована в строительной лаборатории кафедры ПСК ТвГТУ, а выполненные испытания доказали возможность ее эффективного использования в качестве дисперсного арматурного элемента в производстве железобетонных изделий с повышенными прочностными свойствами.