К вопросу оптимального армирования мелкозернистого бетона базальтовыми волокнами

Оригинальная статья / Original article УДК 691-4

DOI: 10.21285/2227-2917-2016-4-122-128

К ВОПРОСУ ОПТИМАЛЬНОГО АРМИРОВАНИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА БАЗАЛЬТОВЫМИ ВОЛОКНАМИ

© И.Г. Корнеева, Н.А. Емельянова

Резюме. Цель. Исследование влияния дисперсного армирования на механические свойства мелкозернистого бетона. Методы. Проведены стандартные испытания на изгиб опытных призматических образцов мелкозернистого бетона с различными численными значениями объемного содержания, диаметра и длины базальтовых фибр. Результаты. Рассмотрены вопросы влияния основных параметров дисперсного армирования (объемное содержание, диаметр и длина фибр, расстояние между волокнами и другие) на прочностные свойства и характер деформирования мелкозернистого бетона. Выводы. Установлены оптимальные параметры дисперсного армирования с использованием базальтовых волокон, обеспечивающие приемлемое увеличение прочности и вязкое разрушение мелкозернистого фибробетона.

Ключевые слова: мелкозернистый бетон, фибробетон, базальтовые волокна, дисперсное армирование бетона, фиброарматура, прочность бетона.

Формат цитирования: Корнеева И.Г., Емельянова Н.А. К вопросу оптимального армирования мелкозернистого бетона базальтовыми волокнами // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2016. № 4 (19). С. 122-128. DOI: 10.21285/22272917-2016-4-122-128

TO THE QUESTION OF OPTIMAL REINFORCEMENT OF FINE-GRAINED CONCRETE WITH BASALT FIBRES

© I.G. Korneeva, N.A. Emelianova

Abstract. Purpose. Research of the influence of disperse reinforcing on mechanical capacities of fine-grained fiber. Methods. We performed standard probation for the curve of experiment prism models of fine-grained concrete with different figure indexes of volume fraction, diameter and length of basalt fibers. Results. We considered questions of the influence of the main parameters of disperse reinforcing (volume fraction, diameter and fiber length, distance between fibers and others) on the strength abilities and character of deformation of fine-grained concrete. Conclusions. We set optimal parameters of disperse reinforcement with the use of basalt fibers, which guarantee allowed increase of strength and fiber fracture of fine-grained fiber concrete.

Keywords: fiber-grained concrete, fiber concrete, basalt fiber, disperse reinforcement of concrete, fiber reinforcement, strength of concrete

For citation: Korneeva I.G., Emelianova N.A. To the question of optimal reinforcement of fine-grained concrete with basalt fibres. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhi-most' [Proceedings of Universities. Investments. Construction. Real estate], 2016, no. 4 (19), pp. 122-128. (In Russian) DOI: 10.21285/2227-2917-2016-4-122-128

Введение

Одним из эффективных способов направленного структурообразования цементосо-держащих систем (растворов и бетонов) является их объемное дисперсное армирование. Использование при этом мелкодисперсной фибровой арматуры, независимо от вида материала (сталь, стекло, базальт и др.), имеет целью способствовать формированию более упорядоченных и однородных структур, характеризующихся повышенным сопротивлением развитию трещин. В конечном счете это ведет к снижению вероятности опасного хрупкого разрушения бетонов, росту их способности к восприятию механических, динамических и сейсмических воздействий.

С учетом указанных целевых задач эффективные параметры дисперсного армирования (объемное содержание, диаметр и длина фибр, расстояние между волокнами и другие) будут существенно зависеть от исходных структур матриц многокомпонентных систем. В предположении соизмеримости объемов и размеров фиброармирования с подобными факторами «врожденных дефектов» [1-3] различных цементосодержащих матриц теоретически установлены уровни предпочтительного армирования цементного камня, раствора, мелкозернистого и тяжелого бетонов. Как и следовало ожидать, они находятся в довольно обширном диапазоне значений, что позволяет их рассматривать как ориентировочные величины, требующие экспериментального уточнения для конкретных составов. Так, для мелкозернистых бетонов с максимальной крупностью фракций заполнителя до 10 мм рекомендуемые диаметры фибр составляют 0,8^ 1,4 мм, что при объемном содержании 0,1 ^ 10 % позволит получить дисперсное распределение волокон с шагом 5 ^ 20 мм .

Большой диапазон рекомендуемых значений параметров дисперсного армирования объективно объясним неоднородностью исходных структур и предполагает возможность их коррекции (оптимизации) с целью повышения их конструктивных свойств. В этом аспекте определяющим становится фактор вероятного разрушения фибробетона. Установлено [8-10], что при содержании фиброарматуры ниже минимального уровня (/лтт) вероятность хрупкого разрушения высока и практически тождественна неармированному материалу. При большом содержании армирующих волокон возникает опасность практического совпадения моментов образования трещин и физического разрушения конструкции. То есть характер разрушения фибробетона существенно зависит от объема, длины фибр и надежности анкеровки произвольно ориентированных волокон.

Теоретически доказано [2], что длина фибр (Iу ) должна быть не менее двукратной

величины ее необходимой анкеровки (1апу ). Невыполнение этого условия ведет к преждевременной потере сцепления и проскальзыванию фибр с одновременным резким снижением прочности на растяжение. При ^ > 2 • 1апу становится возможным включение в работу армирующих элементов, прочность которых на разрыв является определяющим фактором сопротивления дисперсно-армированных систем.

В предположении, что допустимый уровень армирования должен соответствовать условию тождественности усилий, воспринимаемых матрицей и пересекаемых трещиной фибр (в момент ее образования), получены [7] аналитические зависимости для определения минимального коэффициента объемного армирования. Помимо показателей прочностных и деформативных свойств бетона, фибр и их диаметров, они содержат показатели ориентации и анкеровки волокон. Объективные значения последних трудно прогнозируемы, что предопределяет необходимость и целесообразность экспериментального обоснования оптимального армирования конкретных матриц.

Материал и методы исследования

Поверочные испытания проведены на балочных образцах размером 40 х 40 х 160 мм, изготовленных из дисперсно-армированного мелкозернистого бетона со-

става 1:2 (цемент: песок). Марка цемента - М400, использовался песок местного состава с модулем крупности 2,38 и максимальной фракцией 5 мм . Для оценки влияния структуры матрицы варьировалось водоцементное отношение смеси 0,4 и 0,5. Армирование бетона осуществлялось базальтовыми волокнами номинального диаметра 13 мкм, полученными рубкой ровинга с прочностью на разрыв 1351 МПа и модулем упругости 55 х 103 МПа . Длина фибр составляла 4 ^ 6 и 15 мм. Объемное содержание арматуры в бетоне варьировалось в диапазоне 0 ^ 5% (по массе). Удаление замасливателя базальтовых волокон достигалось кратковременным выдерживанием в воде при температуре +80°С с последующей суточной сушкой при температуре + 20°С .

Смеси всех компонентов фибробетона тщательно перемешивались в сухом состоянии с последующим затворением водой и виброуплотнением образцов. Их месячное твердение происходило в нормальных температурно-влажностных условиях (Т = +18 ^ 20°С, W = 100 %) с последующим хранением в обычном лабораторном помещении. В запланированном возрасте (50 ^ 126 суток) образцы испытаны на изгиб при непрерывном приложении нагрузки со скоростью 0,05 м/с. Испытательное оборудование (1ш№оп 5982) позволяло в автоматическом режиме вести запись диаграмм деформирования «нагрузка -прогиб» (F—f), фиксировать время достижения максимума нагружения (-тах) и физического обрушения ( — ).

Результаты исследования и их обсуждение

Прежде всего, следует отметить существенное отличие диаграмм деформирования обычных и дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов (рис. 1).

2200

800 600 400 200 0 -{ -200

1

2

3

4

0,1 0,2 0,

3 0,

4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

Перемещения, мм

Рис. 1. Кривые «нагрузка - деформации» Fig. 1. Curves "burden - deformation"

Наблюдаются количественные и качественные изменения прогибов и напряжений, важнейшими из которых следует считать рост способности к вязкому деформированию. Это предопределяет целесообразность экспериментальной оценки влияния основных параметров дисперсного армирования на кинетику свойств армированных бетонов.

Влияние длины фибр базальтового волокна оценивали по данным испытаний трех серий образцов, обычных и армированных волокнами длиной 5 и 15 мм . Общее объемное содержание фибр составило 2 %. Характер изменения плотности (у ) и прочности на изгиб образцов представлен на рис. 2. При незначительном влиянии длины базальтовой фибры на структуру бетона наблюдается существенный рост прочности бетонов, армированных волокнами длиной 15,0 мм . Поэтому дальнейшие исследования проведены с их использованием.

ю s

о

X У

о а с s s 13 о

X

15

с

is

<u

S

л X

о с

<и

S X

<и 3 о

X н

о о и

Щ £

т л а ю о

X

X X л а о а. s S а. л s

X

х

У

ю о к

5

Ll

Уо оп

10

15

20

25

Длина фибр ( l f ), мм

Рис. 2. Влияние длины базальтовой фибры на структуру бетона Fig. 2. Influence of the length of basalt fiber on the concrete structure

2

1

0

0

5

Для определения величины оптимального армирования испытаны четыре группы образцов бетонов, изготовленных при водоцементном отношении ВЦ = 0,5, позволяющем получить сравнительно однородные структуры при высоких уровнях армирования. Механические испытания проведены в возрасте бетона 104 ^ 110 суток. Их средние результаты приведены в таблице.

Кинетика изменения свойств бетона с ростом дисперсного армирования свидетельствует о наличии оптимального уровня, при превышении которого происходит снижение конструктивных свойств мелкозернистого бетона. Кинетика изменения основных показателей наглядно представлена на рис. 3.

Полученные результаты подтверждают установленные ранее [3-6] закономерности дисперсного армирования, состоящие в повышении уровня нагрузок, предшествующих образованию первых трещин. При этом более существенное значение имеет фактор наличия фибр в структуре, а не абсолютное их объемное содержание. Увеличение последнего в диапазоне ^ = 3 ^ 5 % практически не сказывается на показателе максимально воспринимаемой нагрузки.

Контролируемые параметры свойств дисперсно-армируемых бетонов Controlled parameters of the qualities of disperse-reinforcing concretes

Серия / Series Плотность У ? г/см / Density У ? g/cm3 Коэффициент армирования ¡J.f, % / Coefficient for the reinforcement Hf,% Прочность бетона at, МПа / Strength of concrete at, MPa Время разрушения т, с / Time of the destruction т, sec Прогиб при максимуме нагрузки f max , мм / Deflection at maximum load f max , mm Прогиб при обрушении fut, мм / Deflection in the collaPSe fult, mm fult fmax, мм / fult fmax, mm Характер разрушения / Nature of destruction

1 1905 0 2,37 219 0,9 0,93 0,03 Хрупко / Fragile

2 1901 3 4,61 327 1,04 1,19 0,15 Вязко / Viscously

3 1908 4 4,86 3,05 1,23 1,39 0,16 Вязко / Viscously

4 1872 5 4,98 3,08 1,06 1,46 0,4 Вязко / Viscously

о

£ ш

S °

S 2

S 01

a vq

о x Z

<u_ ï

IS J 01 VQ Ч О

I

01 Э

0

1 I-

o о и

1,5

X

Z i i

ra со О a

0,5

ÎL

10 f.

f

0,max

и

fu,0

Коэффициент армирования ( //у), %

Рис. 3. Кинетика изменения свойств бетона с ростом дисперсного армирования Fig. 3. Kinetics of the quality changes of concrete in accordance with disperse

reinforcement growth

Это позволяет предполагать, что эффективность дисперсного армирования обеспечивается в ограниченном диапазоне /if . Его минимальный уровень ( / f min ) определяется

по условиям достижения эффекта вязкого разрушения, а максимальный (max ) - по экономическим критериям. При этом следует учесть, что чрезмерное насыщение структуры

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость № 4 (19) 2016 Proceedings of Universities. Investments. Construction. Real estate No. 4 (19) 2016

126

2

1

0

0

1

2

3

4

5

фибровой арматурой ведет к практическому совпадению моментов трещинообразования и разрушения. В подобных условиях определяющим фактором конечного разрушения бетона является прочность волокон и их достаточная анкеровка. Принципиальное, на наш взгляд, значение имеет наблюдаемое в экспериментах увеличение диапазона деформирования дисперсно-армированного бетона на нисходящем этапе (после достижения максимума нагружения). Оно является косвенным свидетельством роста работы, которую необходимо затратить на полное разрушение образцов с увеличением их армирования.

Основные выводы

Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований позволяет утверждать:

- дисперсное армирование с использованием базальтовых волокон дает возможность улучшить конструктивные свойства мелкозернистого бетона;

- величина оптимального объема дисперсного армирования определяется его структурой и параметрами (диаметр, длина) используемых фибр и должна обеспечивать возможность вязкого, пластичного разрушения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Peled A., Cyr M.F., Shah S.P. High content of fly ash (class F) extruded cementations composites // ACI Material Journal. 2000. Vol. 97, no. 5. P. 509-517.

2. Johnston C.D. Properties of Steel Fibre Reinforced Mortar and Concrete // Symposium on Fibrous Concrete (Ci80, London, 1980). London: The Construction Press, 1980. P. 29-47.

3. Rabinovich F.N. Concretes with dispersed reinforcement. New Delhi: Oxford & Publishing Co, PVT, LTD, 1994. 214 p.

4. Henager C.H. Steel Fibrous Concrete // Symposium on Fibrous Concrete (Ci80, London, 1980). London: The Construction Press, 1980. P. 16-28.

5. Kobayashi K., Cho R. Mechanics of Concrete with Randomly Oriented Short Steel Fibres // Proceedings of the 2nd International Conference on the Mechanical Behaviour of Materials. Boston, 1976. P. 1938-1942.

6. Kobayashi K. Development of Fibre reinforced concrete in Japan // International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete. 1983. Vol. 5. P. 27-40.

7. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции: монография. 4-е изд., перераб. и доп. М.: АСВ, 2011. 642 c.

8. Моргун T.B. Анализ закономерностей формирования оптимальных структур дисперсно-армированных бетонов // Известия вузов. Строительство. 2003. № 8. С. 58-60.

9. Romualdi J.R., Mandel J.A. Tensile Strength of Concrete. Affected by Uniformly Distributed and Closely Spaced Lengths of Wire Reinorcement // ACI Jornal. 1964. Vol. 61, no. 6. P. 657-671.

REFERENCES

1. Peled A., Cyr M.F., Shah S.P. High content of fly ash (class F) extruded cementations composites. ACI Material Journal, 2000, vol. 97, no. 5, pp. 509-517.

2. Johnston C.D. Properties of Steel Fibre Reinforced Mortar and Concrete. Symposium on Fibrous Concrete (Ci80, London, 1980), Lancaster. London, The Construction Press, 1980, pp. 29-47.

3. Rabinovich F.N. Concretes with dispersed reinforcement. New Delhi, Oxford and Publishing Co, PVT, LTD, 1994. 214 p.

4. Henager C.H. Steel Fibrous Concrete. Symposium on Fibrous Concrete (Ci80, London, 1980). London, The Construction Press, 1980, pp. 16-28.

5. Kobayashi K., Cho R. Mechanics of Concrete with Randomly Oriented Short Steel Fibres. Proceedings of the 2nd International Conference on the Mechanical Behaviour of Materials. Boston, 1976, pp. 1938-1942.

6. Kobayashi K. Development of Fibre Reinforced Concrete in Japan. International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete, 1983, vol. 5, pp. 27-40.

7. Rabinovich F.N. Kompozity na osnove dispersno-armirovannykh betonov. Voprosy te-orii i proektirovaniya, tekhnologiya, konstruktsii [Composites based on the disperse-reinforcing concretes. Question of theory and design, technology, constructions]. 4th ed. Moscow, ACV Publ., 2011. 642 p.

8. Morgun T.B. Analyses of the regularities of creating optimal structures of disperse-reinforcing concretes. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo [News of Higher Educational Institutions. Development], 2003, no. 8, pp. 58-60.

9. Romualdi J.R., Mandel J.A. Tensile Strength of Concrete. Affected by Uniformly Distributed and Closely Spaced Lengths of Wire Reinorcement. ACI Jornal, 1964, vol. 61, no. 6, pp. 657-671.

Информация об авторах

Корнеева Инна Геннадьевна, старший преподаватель кафедры строительных конструкций, e-mail: v07@istu.irk.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Емельянова Наталья Александровна, старший преподаватель кафедры строительных конструкций, e-mail: v07@istu.irk.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Критерии авторства

Корнеева И.Г., Емельянова Н.А. имеют равные авторские права. Корнеева И.Г. несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Information about the authors

Korneeva I.G., senior teacher, Department of building constructions, e-mail: pinus@istu.irk.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Emelianova N.A., senior teacher, Department of building constructions, e-mail: v07@istu.irk.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Contribution

Korneeva I.G., Emelianova N.A. have equal author's rights. Korneeva I.G. bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this

article.

Статья поступила 17.06.2016 г.

The article was received 17 June 2016