Экспериментальное определение характеристик трещиностойкости фибробетона

УЕБТЫНС

мвви

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 691.328

М.Г. Зерцалов, Е.А. Хотеев

ФГБОУВПО «МГСУ»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ФИБРОБЕТОНА

Проведены испытания образцов фибробетона с различными концентрациями и типами фибры, классом бетона матрицы. Получены значения критических коэффициентов интенсивности напряжений и определены прочностные характеристики фибробетонов различных составов. Выявлены закономерности влияния типа и концентрации фибры на прочностные характеристики фибробетона.

Ключевые слова: фибробетон, фибра, трещиностойкость, механика разрушения, коэффициент интенсивности напряжений.

В расчете железобетонных конструкций очень важно правильно оценить стойкость материала при образовании и распространении трещин. В последние годы этот вопрос привлекает специалистов при возведении подземных сооружений с применением фибробетона. Именно повышенные характеристики трещиностойкости и возможность «работы» фибробетона при значительном раскрытии трещин является основной отличительной особенностью фибробетона от бетона, армированного стержневой арматурой.

При исследовании трещиностойкости фибробетона в ряде случаев целесообразно использовать закономерности механики разрушения, позволяющей изучить характер и условия распространения трещин. Возникает необходимость определения характеристик трещиностойкости фибробетона, а именно критического коэффициента интенсивности напряжений (ККИН), который определяется экспериментально и является константой для материала. Ввиду того, что напряжения в устье трещины стремятся к бесконечности, а характер изменения напряжений для различных материалов и форм устья трещины является весьма разнообразным, в теории механики разрушения вводится понятие коэффициента интенсивности напряжений (КИН). Определение направления и длины развития трещины производится сравнением КИН, определенного по расчету, и ККИН. Подробно теория механики разрушения изложена в специализированной литературе.

В статье представлены результаты экспериментальных исследований по определению величин ККИН (К1С) для образцов, изготовленных из фибробетона на основе стальной и полипропиленовой фибры.

После изучения и анализа теоретической литературы, нормативных документов и опыта проведения аналогичных испытаний была разработана программа проведения эксперимента. Программой предусматривается определение:

класса бетона по прочности на сжатие на образцах-кубах (определялся класс бетона матрицы и класс фибробетона);

ВЕСТНИК

МГСУ-

5/2014

ККИН путем испытания на изгиб образцов-балочек с надрезом. В эксперименте было предусмотрено проведение серий опытов при различных характеристиках бетонной смеси, типах и дозировках фибры:

тип фибры — стальная WIRAND FF3 и полипропиленовая ВагСЫр 54; содержание фибры в смеси для стальной — 50 и 100 кг/м3, для полипропиленовой — 3 и 6 кг/м3;

класс бетона матрицы — В40 и В50.

Для удобства обозначения сочетаний характеристик образцов была введена нумерация в соответствие с табл. 1.

Табл. 1. Характеристики серий образцов

№ серии Тип фибры Содержание фибры, кг/м3 Класс бетона матрицы

1 Стальная 50 В40

2 Стальная 50 В50

3 Стальная 100 В40

4 Стальная 100 В50

5 Полипропиленовая 3 В40

6 Полипропиленовая 3 В50

7 Полипропиленовая 6 В40

8 Полипропиленовая 6 В50

Выбор стальной и полипропиленовой фибры обусловлен доступностью в России, перспективами внедрения, а также кардинально различающимися физико-механическими свойствами материала. Сталь обладает модулем упругости (210000 МПа) примерно в 5,5 раз большим, чем бетон (36000 и 38000 МПа для классов по прочности на сжатие В40 и В50 соответственно), в то время как модуль упругости полипропилена (7000 МПа) примерно в 5 раз меньше, чем у бетона. Таким образом проведенный эксперимент позволил дать оценку влияния модуля деформации дисперсного армирования на итоговые характеристики материала.

Дозировка фибры назначалась исходя из требований российских нормативных документов и рекомендаций изготовителя.

Размеры образцов, схема нагружения и закрепления на испытательном стенде приведены на рис. 1.

Первоначальные надрезы наносились на образцы с помощью дисковой пилы Dremel с настраиваемой глубиной резания.

Испытания проводились на прессе производства Form-Test, с максимальным усилием 50 т. Для определения вертикальных перемещений применялся индикатор часового типа, установленный в четверти пролета образца. При обработке результатов испытаний на основе методов строительной механики значения прогиба в четверти пролета переводились в прогиб в середине пролета. Общий вид тестового стенда с установленным образцом приведен на рис. 2.

Рис. 1. Размеры образцов и схема нагружения

Рис. 2. Подготовленный к испытанию образец

На рис. 3 и 4 показан общий вид образцов после испытания со стальной и полипропиленовой фиброй соответственно. На рисунках видна магистральная трещина нормального отрыва. Незначительные отклонения трещины от вертикали говорят о локальных участка неравномерности распределения фибры.

Рис. 3. Образец, армированный стальной фиброй, после завершения испытания

ВЕСТНИК е(-п, л

5/2014

Рис. 4. Образец, армированный полипропиленовой фиброй, после завершения испытания

Линейные размеры образцов измерялись с погрешностью не выше 1 мм, их перемещения — 0,01 мм, а усилия, действующие на образец — не более 1 % измеряемого максимального усилия.

Перед началом испытаний проводилось два цикла нагружения — разгру-жения до нагрузки, составляющей 10 % ожидаемой максимальной нагрузки.

Скорость нагружения образцов устанавливалась по скорости перемещения нагружающей плиты пресса в пределах 0,02.. .0,2 мм/с; при этом соблюдалось условие, что время испытаний должно составлять не менее 1 мин.

Данные испытаний и результаты их обработки представлены в табл. 2—4.

Табл. 2. Результаты определения прочности бетона-матрицы и фибробетона на образцах-кубах

№ серии Заданный класс бетона по прочности на сжатие Прочность бетона на сжатие, МПа Фактический класс бетона по прочности на сжатие Изменение заданной прочности, %

— В40 50,4 40 100

1 В40 52,5 42 105

3 В40 60,9 48 120

5 В40 49,4 39 97,5

7 В40 47,3 37 92,5

— В50 63,0 50 100

2 В50 65,1 52 104

4 В50 72,5 57 114

6 В50 59,9 47 94

8 В50 57,8 46 92

Табл. 3. Результаты определения прочности фибробетона на растяжение на образцах-балочках

№ серии Средняя нагрузка разрушения, кН Напряжения при разрушении, МПа Нормативная прочность бетона на растяжение, МПа Коэффициент увеличения прочности

1 9,73 7,71 2,10 3,67

2 11,03 8,73 2,45 3,56

3 11,63 9,21 2,25 4,09

4 14,93 11,82 2,60 4,54

5 5,53 4,38 2,10 2,09

6 5,85 4,63 2,25 2,06

7 5,73 4,53 1,95 2,32

8 5,63 4,46 2,25 1,98

Табл. 4. Результаты определения ККИН фибробетона на образцах-балочках

№ серии Средняя нагрузка трещинообразования, кН Критический коэффициент интенсивности напряжений, МПам05

1 5,17 1,178

2 7,57 1,725

3 8,33 1,899

4 8,80 2,006

5 5,53 1,26

6 5,85 1,333

7 5,00 1,14

8 5,27 1,201

В ходе испытаний производилось ступенчатое нагружение образцов с фиксацией вертикальных перемещений. По результатам испытаний была установлена нагрузка трещинообразования и критический коэффициент интенсивности напряжений, нагрузка, соответствующая достижению образцом предела прочности, соответствующие нормальные напряжения в материале.

Для расчета ККИН была применена следующая формула:

.1,99-а

3Fc L0 I- 1

KC =—V^v pa -C 2 b 2t

(1 + 2 a)(l -a)3

где Е * — нагрузка соответствующая динамическому началу движения трещины, МН; Ь Ь, t — размеры образца, м; а = aJЬ — относительная длина начального надреза; а0 — длина начального надреза, м.

Выводы. 1. Добавление фибры в разных концентрациях в бетонную смесь повышает прочность фибробетона на растяжение относительно базового класса в 3,67.. .4,54 раза для стальной фибры и в 1,98.. .2,32 для полипропиленовой фибры. Столь существенная разница в показателях для стальной и полипропиленовой фибры объясняется достаточно низкой рекомендуемой дозировкой полипропиленовой фибры. При повышении концентрации полипропиленовой

ВЕСТНИК e(-n, л

5/2014

фибры будут достигнуты показатели увеличения прочности на растяжение бетона сравнимые со стальной фиброй.

2. Добавление стальной фибры приводит к увеличению класса бетона по прочности на сжатие до 20 %. Добавление полипропиленовой фибры напротив приводит к снижению класса бетона по прочности на сжатие в пределах 8 %.

3. Было достигнуто увеличение воспринимаемых напряжений до момента трещинообразования в 2...3 раза для стальной фибры и в 1,5...2 раза для полипропиленовой фибры.

4. Проведенные опыты показали, что добавление фибры в большей степени способствует повышению прочности у менее прочных бетонов. У высокопрочных бетонов положительный эффект от добавления фибры снижается, однако также наблюдается.

5. С повышением концентрации фибры разброс полученных значений увеличивается, что говорит о возрастающей неравномерности распределения фибры в образцах. При увеличении концентрации фибры в бетонной смеси (что может быть необходимо при применении только фибрового армирования конструкции и исключении стержневого армирования) необходимо предусматривать спецмероприятия по обеспечению равномерности распределения фибры в конструкции.

6. По результатам выполненных испытаний были определены ККИН фи-бробетонов различных составов, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве критерия продвижения трещины и разрушения при расчете фибробетонных конструкций методами механики разрушения.

Библиографический список

1. Антропова Е.А., Дробышев Б.А., Амосов П.В. Свойства модифицированного сталефибробетона // Бетон и железобетон. 2002. № 3. С. 3—6.

2. Бочарников А.С., КорнеевА.Д. Технологические факторы, влияющие на микро-и макроструктуру пескобетонной матрицы и прочностные свойства сталефибробетона // Технологии бетонов. 2005. № 3. С. 62—63.

3. БраунеЯ.А., КравинскисВ.К., СпилваМ.О. Определение упругих характеристик деформируемости дисперсно-армированного бетона // Проектирование и оптимизация конструкций инженерных сооружений. Рига : РПИ, 1986. С. 87—97.

4. Брауне Я.А., Кравинскис В.К., Филипсонс В.О. Статистический анализ распределения арматуры и прочность сталефибробетона // Проектирование и оптимизация конструкций инженерных сооружений. Рига : РПИ, 1982. С. 89—95.

5. Волков И.В. Фибробетон состояние и перспективы применения в строительных конструкциях // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2004. № 5. С. 24—25.

6. Косарев В.М. Расчет прочности по нормальным сечениям изгибаемых элементов с хаотичным дискретным армированием // Фибробетон и его применение в строительстве. М. : НИИЖБ, 1979. С. 20—26.

7. Курбатов Л.Г., Попов В.И. Трещиностойкость и раскрытие трещин в изгибаемых сталефибробетонных элементах // Пространственные конструкции в гражданском строительстве. Л. : ЛенЗНИИЭП, 1982. С. 33—42.

8. Русанов В.Е. Определение прочностных и деформативных свойств сталефибробетона для расчета тоннельных обделок // Вестник МГСУ 2010. № 2. С. 189—197.

9. Русанов В.Е. К оценке эффективности применения фибробетона в сборных тоннельных обделках // Транспортное строительство. 2010. № 3. С. 13—16.

10. Каган М. Сравнение фактической прочности на сжатие блоков из бетона и сталефибробетона // Метрострой. 1987. № 3. С. 19—22.

11. Rizkalla Sami, Hassan Tarek. Effectiveness of FRP for Strengthening Concrete Bridges // Structural Engineering International. 2002. Vol. 12. No. 2. Рр. 89—95.

12. Colin D. Johnston. Steel fiber reinforced concrete // CoComposits. 1982. No. 2. Pp. 113—121.

13. Bernard E.S. Influence of Test Machine Control Method on Flexural Performance of Fiber Reinforced Concrete Beams // Journal of ASTM International. 2009. Vol. 6. No. 9.

14. Plizzari G.A., Tiberti G. Structural behavior of SFRC tunnel segments // Proceedings of the 6th international conference on fracture mechanics of concrete and concrete structures. Vol. 3. High performance concrete, brick masonry and environmental aspects. Catania, June 17-22, 2007. Pp. 1577—1584.

15. Vandewalle L., etc. Recommendations of RILEM TC 162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete — Sigma-epsilon design method. Materials and Structures. 2000. Vol. 33. Pp. 75—81.

Поступила в редакцию в апреле 2014 г.

Об авторах: Зерцалов Михаил Григорьевич — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры механики грунтов и геотехники, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (495) 781-80-07, kanz@mgsu.ru;

Хотеев Егор Анатольевич — магистр, аспирант кафедры механики грунтов и геотехники, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (495) 781-80-07, kanz@ mgsu.ru.

Для цитирования: ЗерцаловМ.Г.,ХотеевЕ.А. Экспериментальное определение характеристик трещиностойкости фибробетона // Вестник МГСУ. 2014. № 5. С. 91—99.

M.G. Zertsalov, E.A. Khoteev

EXPERIMENTAL DETERMINATION OF CRACK RESISTANCE CHARACTERISTICS OF FIBER REINFORCED CONCRETE

The samples of fiber reinforced concrete with different fiber concentration, types of fiber, class of concrete were tested. The values of the critical stress intensity factors were determined as well as the strength characteristics of fiber-reinforced concrete of various compositions. Tests were carried out by bending the beams of 400x100x100 mm with a cut. Critical stress intensity factor was determined with the help of the value of the breaking load. The regularities of the influence of the type and concentration of fibers on the strength characteristics of the fiber reinforced concrete were stated. The authors identified key properties of steely and polypropylene fibers and offered their comparison. From these experiments we obtained data for further use in theoretical studies of fiber reinforced concretes structures. This research revealed common patterns of change in the properties of fiber reinforced concrete, depending on the composition. The advantages of different types of fibers were discussed. Valid formula for determining the critical stress intensity factor was found. Adding fiber in different concentrations to the concrete mix increase the tensile strength 3.5-4.5 times for steel fibers and 2-2.5 times for polypropylene fibers. Polypropylene fiber addition leads to decrease in compressive strength of the concrete of up to 8 %, the steel fibers addi-

ВЕСТНИК e(-n, л

5/2014

tion, on the contrary, to increase in the compressive strength of concrete up to 20 %. Increase in tensile strength is observed mostly for low-strength concrete. In order to ensure uniform distribution of fibers in the volume of concrete specific methods should be applied.

Key words: fiber reinforced concrete, fiber, crack resistance, fracture mechanics, stress intensity factor.

References

1. Antropova E.A., Drobyshev B.A., Amosov P.V. Svoystva modifitsirovannogo stalefibro-betona [Properties of the Modified Steel Fiber Concrete]. Beton i zhelezobeton [Concrete and Reinforced Concrete]. 2002, no. 3, pp. 3—6.

2. Bocharnikov A.S., Korneev A.D. Tekhnologicheskie faktory, vliyayushchie na mikro- i makrostrukturu peskobetonnoy matritsy i prochnostnye svoystva stalefibrobetona [Technological Factors Affecting Micro-and Macrostructure of Sand Concrete Matrix and Mechanical Properties of Steel Fiber Concrete]. Tekhnologii betonov [Concrete Technologies]. 2005, no. 3, pp. 62—63.

3. Braune Ya.A., Kravinskis V.K., Spilva M.O. Opredelenie uprugikh kharakteristik de-formiruemosti dispersno-armirovannogo betona [Determination of Elastic Characteristics of Fiber Concrete Deformability]. Proektirovanie i optimizatsiya konstruktsiy inzhenernykh sooruzheniy [Design and Optimization of Engineering Structures]. Riga, RPI Publ., 1986, pp. 87—97.

4. Braune Ya.A., Kravinskis V.K., Filipsons V.O. Statisticheskiy analiz raspredeleniya ar-matury i prochnost' stalefibrobetona [Statistical Analysis of the Distribution of Reinforcement and Strength of Steel Fiber Concrete]. Proektirovanie i optimizatsiya konstruktsiy inzhenernykh sooruzheniy [Design and Optimization of Engineering Structures]. Riga, RPI Publ., 1982, pp. 89—95.

5. Volkov I.V. Fibrobeton sostoyanie i perspektivy primeneniya v stroitel'nykh kon-struktsiyakh [Fiber Concrete Condition and Prospects of Application in Building Structures]. Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tekhnologii XXI veka [Building Materials, Equipment, Technologies of the 21st Century]. 2004, no. 5, pp. 24—25.

6. Kosarev V.M. Raschet prochnosti po normal'nym secheniyam izgibaemykh elementov s khaotichnym diskretnym armirovaniem [Strength Calculation for Normal Sections of Bent Elements with Chaotic Discrete Reinforcement]. Fibrobeton i ego primenenie v stroitel'stve [Fibrous Concrete and its Application in Construction]. Moscow, NIIZhB Publ., 1979, pp. 20—26.

7. Kurbatov L.G., Popov V.I. Treshchinostoykost' i raskrytie treshchin v izgibaemykh sta-lefibrobetonnykh elementakh [Crack Resistance and Crack Opening in Bent Steel Fiber Concrete Elements]. Prostranstvennye konstruktsii v grazhdanskom stroitel'stve [Spatial Design in Civil Engineering]. Leningrad, LenZNIIEP Publ., 1982, pp. 33—42.

8. Rusanov V.E. Opredelenie prochnostnykh i deformativnykh svoystv stalefibrobetona dlya rascheta tonnel'nykh obdelok [Determination of Strength and Deformation Properties of Steel Fiber Concrete for Tunnel Lining Calculation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 2, pp. 189—197.

9. Rusanov V.E. K otsenke effektivnosti primeneniya fibrobetona v sbornykh tonnel'nykh obdelkakh [Evaluating the Effectiveness of Fiber Reinforced Concrete Application in Precast Tunnel Lining]. Transportnoe stroitel'stvo [Transport Construction]. 2010, no. 3, pp. 13—16.

10. Kagan M. Sravnenie fakticheskoy prochnosti na szhatie blokov iz betona i stale-fibrobetona [Comparison of the Actual Compressive Strength of Concrete and Steel Fiber Concrete Blocks]. Metrostroy [Constructing Metro]. 1987, no. 3, pp. 19—22.

11. Rizkalla Sami, Hassan Tarek. Effectiveness of FRP for Strengthening Concrete Bridges. Structural Engineering International. 2002, vol. 12, no. 2, pp. 89—95. DOI: http:// dx.doi.org/10.2749/101686602777965577.

12. Colin D. Johnston. Steel Fiber Reinforced Concrete. CoComposits. 1982, no. 2, pp. 113—121.

13. Bernard E.S. Influence of Test Machine Control Method on Flexural Performance of Fiber Reinforced Concrete Beams. Journal of ASTM International. 2009, vol. 6, no. 9. DOI: 10.1520/JAI102327.

14. Plizzari G.A., Tiberti G. Structural Behavior of SFRC Tunnel Segments // Proceedings of the 6th International Conference on Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures. Vol. 3. High Performance Concrete, Brick Masonry and Environmental Aspects. Catania, June 17—22, 2007, pp. 1577—1584.

15. Vandewalle L., etc. Recommendations of RILEM TC 162-TDF: Test and Design Methods for Steel Fibre Reinforced Concrete — Sigma-epsilon design method. Materials and Structures. 2000, vol. 33, pp. 75—81.

About the authors: Zertsalov Mikhail Grigor'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Soil Mechanics and Geotechnics, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (495) 781-80-07; kanz@mgsu.ru;

Khoteev Egor Anatol'evich — Master, postgraduate student, Department of Soil Mechanics and Geotechnics, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (495) 781-80-07; kanz@mgsu.ru.

For citation: Zertsalov M.G., Khoteev E.A. Eksperimental'noe opredelenie kharakteristik treshchinostoykosti fibrobetona [Experimental Determination of Crack Resistance Characteristics of Fiber Reinforced Concrete]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 5, pp. 91—99.