Прочностные свойства фибробетонов с заполнителем из микросфер при ударном нагружении

УДК 691.32 И. А. Леонович

ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ФИБРОБЕТОНОВ С ЗАПОЛНИТЕЛЕМ ИЗ МИКРОСФЕР ПРИ УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ

Описана методика исследований сопротивления бетона, дисперсно-армированного неметаллической фиброй, с заполнителем из алюмосиликатных микросфер ударному воздействию. Раскрыт механизм разрушения и получены графики зависимости ударной вязкости от плотности фибробетона, модуля продольной упругости, содержания фибры. Выявлена зависимость между прочностью на растяжение при статическом изгибе и ударной вязкостью для бетонов, полученных при разном водоцементном отношении, представлены рекомендации для достижения оптимальных свойств.

Введение

Большинство легких бетонов имеют ограниченное применение в качестве конструкционных материалов из-за недостаточной прочности или из-за невозможности эксплуатации в атмосферных условиях без специальной защиты наружных поверхностей. Использование для производства строительных материалов заполнителей в виде полых сфер, фибры из неметаллических материалов, современных добавок на основе органических соединений создает широкие возможности для получения строительных изделий с заданными свойствами, уровень которых превышает свойства легких бетонов других видов, например газобетона и керамзито-бетона [1-3].

Фибробетон с заполнителем из алюмосиликатных микросфер (АСМ-фибро-бетон) относится к легким бетонам. Его минимальная плотность может достигать 600 кг/м3, а коэффициент теплопроводности - 0,2-0,4 Вт/(м-К). Для создания пористой структуры бетона применяются алюмосиликатные микросферы, извлекаемые из зол уноса теплоэлектростанций, сжигающих твердое топливо, и являющиеся отходами производства [3]. Они позволяют формировать структуру бетона с зернистостью, соответствующей разме-

ру сфер, свойства которого зависят от концентрации микросфер в смеси и от плотности их упаковки.

При эксплуатации бетонных изделий, в частности ограждающих панелей и облицовочных плит, возможны динамические воздействия, приводящие к разрушению изделий или к нарушению их внешнего вида. Воздействия ударного характера бетонные изделия могут испытывать при транспортировке и монтаже.

Целью данной работы являлось определение прочности материала при ударном нагружении в зависимости от параметров технологического процесса при изготовлении и состава входящих компонентов.

Методика исследований

Важной механической характеристикой материала является ударная вязкость, которая оценивается по работе, затраченной на зарождение начальной трещины и ее раскрытие в результате упругопластической деформации сначала прилегающих к трещине участков цементной матрицы, а затем - армирующего волокна. Эта работа определяется сопоставлением энергии физического маятника в момент удара с энергией, которой он обладает после удара.

Под ударной вязкостью понимают работу удара ', отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца А в средней части его длины.

Значение ударной вязкости зависит от формы и размеров образцов. Было решено изготавливать из фибробетона пластинчатые образцы, подобные асбестоцементным образцам по ГОСТ 8747-88, длиной (70 ± 3) мм, высотой (25 ± 2) мм, толщиной (10 ± 1) мм. Образцы указанных размеров нарезались из фибробетонных пластин, достигших 28-суточной прочности и не подвергавшихся ранее другим испытаниям. Прорезь по центру образца, как в испытаниях металлов (СТБ ЕН 10045-2003), не делалась, так как АСМ-бетон в структуре имеет внутренние концентраторы напряжений в виде усадочных микротрещин, газовых полостей, что обеспечивает разрушение образца в месте удара. Это предположение подтвердилось в процессе проведения испытаний.

Применялись два метода изготовления образцов: литье и прессование. Водоцементное отношение бетонной смеси изменялось в пределах от 0,15 до 0,62 единиц в зависимости от метода изготовления и содержания фибры, заполнителя и добавок. Гидравлическим вяжущим являлся портландцемент 500 Д 2,0. В качестве заполнителя использовались алюмо-силикатные микросферы зол уноса ТЭЦ размером 300-500 мкм с содержанием по отношению к цементу в пределах от 0,2 до 1,0 долей по массе.

В качестве армирующих элементов использовались: полиакриловые волокна Шсеш длиной 8 мм и диаметром 15-17 мкм и стеклянные волокна длиной 12 мм и диаметром 10-20 мкм. Руководствуясь рекомендациями других авторов [3, 4], содержание полиакриловой и стеклянной фибры не превышало 4 % от массы смеси. Часть образцов выполнялась без добавления фибры для определения свойств матричного состава.

В состав смеси вводились суперпла-

стификагоры Sica Visco Crete - 20 HE Rus или Starvis - 3003 F. Для повышения прочности сцепления цементного камня с поверхностью микросфер и фибры в часть исследуемых смесей вводились адгезивы типа Виннапас RL 551 Z.

Все компоненты, включая фибру, перемешивались, после чего постепенно добавлялась вода в заданном водоцементном отношении и вся смесь доводилась до соответствующего способу изготовления образцов вязкого состояния. Из полученной смеси изготавливались пластины, которые помещались в полиэтиленовую пленку для набора контролируемой прочности в 28-суточ-ном возрасте.

Для испытания бетонных образцов на удар использован модернизированный нами маятниковый копр 2083 КМ-04 (рис. 1), позволяющий регистрировать работу разрушения менее 2 Дж. Модернизация заключалась в снабжении копра механическим устройством для точной фиксации угла подъема маятника после разрушения образца.

Использовался маятник с запасом потенциальной энергии (2 ± 0,02) Дж. Скорость движения маятника в момент удара составляла (2,9 ± 0,05) м/с.

Схема испытания на маятниковом копре показана на рис. 2.

Перед началом испытаний контролировалось заданное расстояние между опорами в 50 мм и нулевое положение стрелки измерительного устройства. Маятник копра поднимался в исходное положение (угол зарядки а = 160о) до контакта с защелкой предохранителя. Размеры поперечного сечения образца определялись штангенциркулем в трех местах и усреднялись. Образец устанавливался на опоры симметрично (рис. 2, б), чтобы боек маятника при падении разрушал образец по центру. Фиксировался угол в первого размаха маятника от нулевого положения после разрушения образца.

Рис. 1. Общий вид маятникового копра 2083 КМ-04

а)

б)

Рис. 2. Схема испытания на маятниковом копре: а - схема работы маятникового копра; б - схема ударного изгиба образца; 1, 2 - опоры; 3 - испытываемый образец; 4 - маятник; 5 - боек маятника; а - угол зарядки маятника; в - угол взлета маятника; I - расстояние от центра удара; 1С - расстояние от центра тяжести; О - вес маятника; Н - высота подъема центра тяжести маятника до удара; Н1 - высота подъема центра тяжести маятника после удара

Когда маятник останавливался, указатель измерительного устройства возвращался в нулевое положение, убирались половинки разрушенного образца из зоны копра и заполнялся протокол испытаний. В протоколе указывалась маркировка образца, его тип и размеры, площадь поперечного сечения по разлому, значение угла взлета маятника в, значение работы разрушения образца, значение ударной вязкости.

Работа, затраченная на разрушение образца, определялась по формуле

W = m • g • £ • (cos в + sin(a - 90o)) =

= 0,467 • 9,8 • 0,225 • (cos в + 0,94),

где m - масса маятника, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; i - расстояние

от оси качания маятника до центра образца, м.

Результаты испытаний и обсуждение

По результатам испытаний значение ударной вязкости АСМ-фибро-бетона оказалось в пределах от 750 до 2400 Дж/м2 в зависимости от способа изготовления, состава бетонной смеси и других факторов.

Ударная вязкость находится в линейной зависимости от плотности материала (рис. 3), которая, в свою очередь, зависит от содержания микросфер и фибры как наиболее легкой и объемной составляющей смеси.

Р ---------

Рис. 3. Зависимость между плотностью и ударной вязкостью АСМ-фибробетонов

Такой результат вполне естественен, т. к., во-первых: АСМ-фибробетон с низкой плотностью содержит в пустотах, особенно внутри сфер, газ, не участвующий в поглощении работы разрушения; во-вторых: существует критический процент содержания микросфер и фибры, при приближении к которому цементное тесто не может в достаточной степени обволакивать все задействованные поверхности для

получения единого монолитного материала. Поэтому при низкой плотности больше вероятность получения дефектных участков, что снижает показатели прочности при статических и динамических нагрузках.

Фибра положительно повлияла на улучшение прочностных свойств фиб-робетона, что показано на рис. 4. С увеличением концентрации фибры (поли-

акриловой до 1,5 %, стеклянной до 4 %) происходил рост ударной вязкости практически линейно.

Для мелкозернистого бетона без фибры энергия разрушения относительно небольшая и затрачивается на образование новых поверхностей раздела и упругую деформацию прилегающих к трещине объемов материала. Полиакриловая фибра имеет модуль продольной упругости в не-

сколько раз меньший, чем бетонная матрица, и понижает общий модуль упругости материала, что теоретически способствует снижению ударных напряжений по всему объему. В случае образования трещины низкомодульная фибра, имеющая возможность растягиваться по большей части своей длины, гасит энергию удара.

Рис. 4. Влияние процентного содержания фибры от массы сухой смеси на ударную вязкость АСМ-фибробетона: 1 - полиакриловая фибра; 2 - стеклянная фибра

В начальный момент разрушения трещина проходит по матрице, сферам и поверхностям контакта, а при дальнейшем ее раскрытии повреждаются дискретные элементы фибры. При этом возможно разрушение по самому волокну или его вытягивание из матрицы, причем оба явления могут протекать последовательно. Эта особенность разрушения сильно проявляется при изменении условий закрепления фибры в матрице АСМ-бетона.

График, показанный на рис. 5, связывает ударную вязкость и модуль продольной упругости в АСМ-фибробетоне с полиакриловой фиброй Шсеш 8 с содержанием 0,66 % от массы сухой смеси. Величина модуля упругости Е определялась при статических испытаниях на изгиб

тонкостенных призм, вырезанных из тех же плит, что и образцы для испытаний на ударную вязкость [5, 6]. Образцы с более высоким модулем упругости обладали большей ударной вязкостью.

Обнаружена интересная зависимость между прочностью на растяжение при изгибе [6] и ударной вязкостью фиб-робетона с заполнителем из микросфер в образцах, выполненных с разным водоцементным отношением (рис. 6): максимум прочности на растяжение при изгибе (7,5-8,2 МПа) соответствовал минимуму ударной вязкости (750-1000 Дж/м2).

Для объяснения этой зависимости исследовались структуры изломов образцов.

2500

Дж/м2

1500

а

1000

500

/

о > / и

10

12

-

ГПа 16

Рис. 5. Зависимость между модулем продольной упругости и ударной вязкостью в

АСМ-фибробетоне с полиакриловой фиброй Шсеш 8

а)

б)

10 МПа

6

4

Е.г 2

0

2500

Дж/м2

1500

1000

500

0

I I I . I

I I \

/ О I I I \ I ь

I I I I I

а

о

0,15

0,15

0,30 В/Ц -

0,30 В/Ц -

0,45 | доли ---- I

I

0,45 ----

доли

0,75

I I I I

I I I / I ! I /

I I Р /

41 ( I "У I

1 ' 2 I I I 3

0,75

Рис. 6. Взаимосвязь между ударной вязкостью и прочностью на растяжение при статическом изгибе для АСМ-фибробетонов с разным водоцементным отношением

При минимальном водоцементном отношении (0,15-0,25) материал получался рыхлым, с недостаточным сцеплением отдельных компонентов, характерным для монолитного материала, с малой прочностью на растяжение при изгибе = 2-3 МПа), но

с довольно высоким сопротивлением удару. Можно предположить, что такая структура материала хорошо гасила удар, так как энергия разрушения распространялась практически на весь объем материала фибры, которая могла свободно деформироваться. Образцы с более высоким водоцементным отношением (0,25-0,37) имели плотную структуру, разрушение матрицы происходило по границам микросфер или по самой матрице, а на поверхности излома наблюдалась ворсистость из-за вытягивания фибр из матрицы, на что расходовалась часть энергии разрушения. Таким образом, для образцов области 1 (см. рис. 6) характерна общая низкая прочность при статической нагрузке из-за непрочной цементной матрицы и высокое сопротивление ударному нагружению, благодаря использованию высокой деформативной способности фибры.

Для области 2 (см. рис. 6) была характерна максимальная прочность матрицы, которая достигалась при водоцементном отношении 0,37-0,5 единицы. Фибра была хорошо закреплена в окружающем материале, и разрушение происходило по смешанному варианту - трещина распространялась по матрице, сферам, а затем -по фибре, причем волокно разрывалось преимущественно без вытягивания торцов из матрицы. Такой вывод можно было сделать по виду излома, на котором видны разрушенные сферы и слабая ворсистость на поверхности. При максимальной прочности на растяжение при изгибе цементного камня (Я^- = 7-8 МПа) фибра прочнее удерживалась в матрице, ее деформация была ограничена, а энергия удара локализовалась в малом объеме по поперечному сечению волокна. В результате ударная вязкость материала получилась минимальной: 750-1000 Дж/м2. Цементный камень имел при довольно высокой прочности низкую деформативность и поэтому слабо

сопротивлялся удару, который приходился, в основном, на волокно, расположенное в поперечном направлении по отношению к удару.

При водоцементном отношении более 0,5 единиц (рис. 6, область 3) цементный камень получался не таким прочным, избыточное количество воды играло роль смазки, что в совокупности облегчало вытягивание фибры из матрицы. Поэтому, несмотря на снижение статической прочности композита в целом, при ударном нагружении требовалась дополнительная энергия, идущая на разрушение фибры, растягивающейся по большей части своей длины. На изломе таких образцов видна значительная ворсистость.

Предложенная модель разрушения объясняет так же тот факт, что при статическом изгибе образцы с максимальной прочностью цементного камня разрушались хрупко, а образцы с меньшей прочностью (рис. 6, области 1 и 3) разрушались пластично, при постепенном раскрытии трещины, которое сдерживалось вытягиваемой фиброй.

Заключение

Проведенные экспериментальные исследования свойств фибробетона с заполнителем из алюмосиликатных микросфер установили закономерности разрушения и значения ударной вязкости в зависимости от плотности материала, модуля продольной упругости, водоцементного отношения, содержания неметаллической низкомодульной фибры.

Выявлен механизм разрушения фиб-робетона с заполнителем из алюмосили-катных микросфер, согласно которому высокопрочная цементная матрица, удерживая фибру по поверхности и противодействуя ее свободной деформации, придает разрушению материала при статической нагрузке хрупкий характер и уменьшает сопротивление ударному воздействию. Оптимально малопрочная матрица позволяет фибре растягиваться по длине, проскальзывая по поверхности контакта,

что придает разрушению пластичный характер и гасит ударное воздействие.

Из сопоставления прочности АСМ-фибробетона на растяжение при статическом изгибе и ударной вязкости установлено, что эти свойства у фибробетона с низкомодульной фиброй во многом противоположны. Наиболее простой путь обеспечения требуемых свойств фибробетона с фиксированным содержанием фибры, заполнителя и добавок - регулирование водоцементного отношения. Максимальная прочность на растяжение при изгибе и минимальная ударная вязкость исследуемого состава бетона были отмечены при водоцементном соотношении 0,37-05. Прочность на растяжение при изгибе в 4-5 МПа и ударная вязкость в 2400 Дж/м2 имели место в АСМ-бетоне плотностью 1240 кг/м3 с 1,5-процентным содержанием полиакриловой фибры, изготовленного при водоцементном отношении 0,62 единицы.

Важной характеристикой фибробе-тонов с заполнителем из алюмосиликат-ных микросфер является формирование свободных поверхностей при изготовлении изделий литьем, прессованием или торкретированием с высокими декоративными свойствами. Благодаря своей форме, микросферы, как сыпучий материал, обладают повышенной текучестью, что обеспечивает минимальное отношение площади поверхности к занимаемому объему и наиболее компактную укладку. АСМ-фибробетон хорошо и равномерно окрашивается неорганическими красителями и может использоваться для облицовочного

слоя и как самостоятельное изделие, не требующее какой-либо дополнительной обработки.

АСМ-фибробетон может успешно применяться для производства теплоизоляционных облицовочных плиток и ограждающих панелей, так как при сравнительно низкой плотности обладает хорошими прочностными свойствами на растяжение при статическом и ударном изгибе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ицкович, С. М. Технология заполнителей бетона : учебник для строительных вузов / С. М. Ицкович, Л. Д. Чумаков, Ю. М. Баженов. -М. : Высш. шк.,1991. - 272 с.

2. ГОСТ 25818-91. Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия. - М. : Госстрой СССР, 1991. - 14 с.

3. Богатина, А. Ю. Фибропенобетон для перекрытия каркасных зданий / А. Ю. Богатина, Л. В. Моргун // Промышленное и гражданское строительство. - 2005. - № 2. - С. 34-35.

4. Holschemacher, K. Non-metallic fibres

or structural concrete / K. Holschemacher, M. Juknat, S. H^r // Проблемы современного бетона и железобетона : сб. тр. в 2 ч. Ч. 1 : Бетонные и железобетонные конструкции. -

Минск, 2007. - C. 6-21.

5. Леонович, И. А. Влияние упругих характеристик композитного материала на свойства фибробетона / И. А. Леонович, А. А. Леонович // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т. - 2007. - № 3. - С. 148-155.

6. Леонович, И. А. Прочностные и упругие свойства фибробетона с заполнителем из микросфер при статической кратковременной нагрузке / И. А. Леонович, И. М. Кузменко, Е. С. Павлюк // Вестн. Полоц. гос. ун-та. - 2007. -№ 12. - С. 63-67.

Белорусско-Российский университет Материал поступил 20.01.2008

I. A. Leonovich

Strength properties of fibrous concrete with microsphere filler at shock loading

Methods of concrete strength investigations, dispersed and reinforced with nonmetal fibre, with filler from aluminosilicate microspheres to shock force has been described. The destruction mechanism has been described; diagrams of impact elasticity dependence on fibrous density, longitudinal resiliency module, fibre content have been presented. Dependence between tensile strength under static fracture and impact resistance for concretes within the difference water/binder ratio has been found. Recommendations for achieving optima properties have been suggested.