Структура и свойства сталефибробетона, определяющие заданные эксплуатационные характеристики конструкций на его основе

УДК 624.012.4:691.32-419.8 К. В. Талантова

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТАЛЕФИБРОБЕТОНА, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЗАДАННЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ

Дата поступления: 10.11.2016 Решение о публикации: 16.12.2016

Цель: Разработка метода обеспечения заданных эксплуатационных характеристик конструкций, создаваемых на основе строительного композита - сталефибробетона. Методы: Корреляционный анализ свойств сталефибробетона, полученных различными авторами, на основе которого выполнен регрессионный анализ. Оптимизация расхода фибр при проектировании и изготовлении конструкций на основе сталефибробетона. Результаты: Формирование структуры сталефибро-бетона начинается с подготовки структуры исходного бетона и в большой степени определяется параметрами стальных фибр после их введения в бетон - их количеством, типом, длиной, диаметром, прочностью, деформативностью. Корреляционный анализ представленных в открытой печати физико-механических свойств сталефибробетона, выполненный автором, показал, что одним из основных параметров, обеспечивающих заданные эксплуатационные характеристики конструкций на его основе, является объемное содержание фибр. В трудах российских и зарубежных ученых предлагаются разные способы задания этого параметра в материале - сталефибробетоне. Результаты экспериментально-теоретических исследований позволили автору для оценки эффективности решений ввести относительный коэффициент расхода фибр, с помощью которого была решена задача оптимизации расхода фибр разрабатываемых конструкций. Определение минимального относительного коэффициента расхода фибр kfttmm осуществлялось с помощью программного обеспечения, разработанного в среде табличного процессора Excel с использованием языка программирования VBA (Visual Basic for Application). В результате оптимизационных расчетов вычисляются kfttmm и необходимые для создания конструкций с заданными характеристиками на основе сталефибробетона объемное содержание фибр, их диаметр, отношение длины к диаметру, расчетное сопротивление бетона сжатию, которые определяются в соответствии с напряженно-деформированным состоянием разрабатываемой конструкции. Практическая значимость: Разработан метод создания конструкций на основе сталефибробетона с заданными характеристиками, обладающих более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с существующими аналогами.

Сталефибробетон, структура, свойства, заданные эксплуатационные характеристики, конструкции на основе сталефибробетона, объемный процент фибрового армирования, программные средства.

Clara V. Talantova, D. Eng, assistant professor, talant_bar@mail.ru (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) STRUCTURE AND PROPERTIES OF STEEL FIBER CONCRETE DEFINING THE MASTER PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF STRUCTURES BASED ON IT

Objective: Develop a method for ensuring master performance characteristics of structures produced based on the steel fiber construction composite. Methods: Correlation analysis of steel fiber concrete properties obtained by various authors, serving as basis for a regression analysis. Optimize fiber expenditure when planning and producing structures based on steel fiber concrete. Results: Formation of the steel fiber concrete structure begins with preparing the structure of the initial concrete and to a large extent is defined by the parameters of steel fibers following their introduction into the concrete, their quantity, type, length, diameter, durability and deformability. The correlation analysis of physical and mechanical properties of steel fiber concrete performed by the author has shown that one of the main parameters responsible for

the master performance characteristics of structures based thereon is the volumetric content of fibers. At the same time, research by Russian and foreign scientists offers different methods of assigning this parameter to the material of steel fiber concrete. The results of experimental and theoretical research for assessment of effectiveness of the solutions have allowed the author to introduce a relative fiber usage ratio employed to solve the task of optimizing fiber usage in the structures being developed. The minimum relative fiber usage ratio kfbtmin was determined based on the software application developed in the Excel table processor environment using the VBA (VisualBasicforApplication) language. The optimization calculations result in the determination of kfbtmin and voluminous fiber content, fiber diameter, length to diameter ratio and design compression resistance of concrete determined according to the stress-strain behavior of the structure being developed, all necessary for producing structures with master performance characteristics. Practical importance: A method was developed for producing structures based on steel fiber concrete with master performance characteristics whose cost/performance ratios exceed those of the existing counterparts.

Steel fiber concrete, structure, properties, master performance parameters, steel fiber concrete-based structures, volume percentage of fiber reinforcement, software assets.

Введение

Изучению структуры сталефибробетона (СФБ) в 1970-1990-е годы посвящены работы отечественных ученых И. А. Лобанова, Е. В. Гулимовой, В. П. Романова, Ф. Н. Рабиновича, Г. В. Копанского [1-5] и др. Исследования СФБ при этом во многом базировались на работах, посвященных классическим композиционным материалам (КМ) [6].

На основе анализа макро-, мезо-, микро- и субмикроструктуры СФБ были определены параметры фибрового армирования - соотношение длины и диаметра (I Ш), длина ан-керовки фибр (/Ггш), коэффициенты ориентации фибр при растяжении и сжатии и т. п. [7]. Однако не были сформулированы критерии рационального объемного содержания фибр в бетонной матрице. Позже Ю. В. Пухарен-ко [8] предложил критерии для определения «эффективных значений объемного содержания фибровой арматуры», которые позволяют получить свойства материала независимо от напряженно-деформированного состояния конструкции.

1 Структура сталефибробетона

В работах [1, 2] сделано заключение о том, что в структуре бетонной матрицы в СФБ по

сравнению со структурой «обычного» бетона относительно немного крупных пор и капилляров, мелкие замкнутые поры и большая однородность. При этом имеет место увеличенный размер контактных зон межфазного слоя с микротвердостью вблизи поверхности фибр, в два с лишним раза превышающей микротвердость аналогичных контактных зон вблизи заполнителя.

Образование вокруг фибр контактных зон, обладающих высокой микротвердостью, их достаточно близкое расположение влияют на физико-механические характеристики материала. В СФБ чем больше насыщение фибрами, тем больше контактных зон и тем выше его прочностные и деформативные характеристики.

По основным параметрам СФБ соответствует определению композиционного материала [1, 4, 9-11].

Многочисленные эксперименты показали, что если расстояние между центрами тяжести произвольно ориентированных фибр Б меньше критического Бш1п, то в полной мере проявляется композиционная природа материала. При этом в разных работах Б предлагается определять по-разному, но идея одна - для достижения ожидаемого эффекта от введения стальных фибр в бетон Б должно быть не более чем Б и, как показали эксперимен-

шт 7 1

тальные исследования отечественных и зару-

бежных специалистов [9-12], - не более 5 мм (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость относительной прочности сталефибробетона на растяжение при изгибе от расстояния между центрами тяжести фибр: теоретическая кривая по Я. N. Б'ату, Р. Б. Ма^а! [10]; ◦ - экспериментальные данные.

^ о s

JD

Л

ГО

ГО О

1,0

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

\

\

л \ 2 \л

\ \

\\ V

0 10 20 30 40 50 Содержание щебня в % по массе

Рис. 2. Зависимость эффективности фибрового армирования от количества щебня: 1 - растяжение; 2 - сжатие; 3 -трещиностойкость

го заполнителя необходимо его количество и размер выбирать с учетом геометрии фибр и с обязательной лабораторной корректировкой состава СФБ.

Важным условием создания рациональной структуры СФБ и получения ожидаемого эффекта от введения фибр в бетон является обеспечение однородности материала.

По данным исследований [13] введение крупного заполнителя в больших количествах ухудшает равномерность распределения фибр в СФБ смеси, повышает ее жесткость и соответственно снижает эффективность фибрового армирования (рис. 2). Поэтому добавка крупного заполнителя крупностью до 10 мм допустима в количестве 15-20 % от веса сухих компонентов.

Результаты исследований [13] показали, что наиболее предпочтительными считаются заполнители, размеры которых не превышают 1/3 длины фибр. Очевидно, в качестве исходного бетона для СФБ целесообразно применять мелкозернистый бетон либо ограничивать крупность заполнителя и его количество. В случае же введения в смесь крупно-

2 Влияние структуры сталефибробетона на его свойства

Структура СФБ существенно зависит от характеристик армирующих волокон (временного сопротивления растяжению ^ , модуля упругости Е , диаметра ^ , отношения длины и диаметра их объемного содержания р^, формы, состояния поверхности и т. д.). Кроме того, она определяется характеристиками хрупкой бетонной матрицы (временным сопротивлением сжатию Яы и растяжению Яы, начальным модулем упругости Еь или модулем деформации ЕЬт и т. п.) и, что особенно важно для композитов на основе хрупких матриц, состоянием фазы раздела (контактной зоны) матрица-волокно. Перечисленные параметры учтены зависимостью И. А. Лобанова для оценки прочностных характеристик СФБ [1]

Rfb = m  kx • '^fv +

R +

1 -^fv

2 «4Л

v r r у

'i о 5 52 Л

1 + 2 — + —г

v

R

у у

где т - коэффициент, зависящий от напряженного состояния элемента; к - коэффициент ориентации; тс - прочность сцепления по контакту волокно-матрица, МПа; I - средняя длина заделки (анкеровки) фибр, мм; ц -объемный коэффициент армирования; 8 - толщина зоны контакта, мм; г - радиус фибры, мм; R - прочность контактной зоны, МПа.

В полученной зависимости при определении прочности СФБ учитываются вклад фибр, бетонной матрицы и, как отдельной составляющей, контактной зоны фибра - бетонная матрица. Прочность контактной зоны, в свою очередь, зависит от вида и свойств бетонной матрицы, состояния поверхности волокон, химического сродства матрицы и волокна.

Обязательным условием, обеспечивающим поведение композита - СФБ - как структурно единого материала, является сплошное и надежное сцепление компонентов. Случайные нарушения сцепления, даже на небольших участках, могут привести к значительному снижению прочностных и деформативных характеристик материала и непригодности его для производства конструкций. Разрушение СФБ композиции чаще всего происходит вследствие нарушения сцепления между стальными фибрами и бетонной матрицей, что обеспечивает вязкую работу материала под нагрузками.

Предотвратить нарушение сцепления и обеспечить высокие физико-механические характеристики СФБ можно, или используя фибры достаточной длины, создавая ее необходимую анкеровку, или повысив их сцепление с бетонной матрицей. В этом случае разрушение сопровождается разрывом фибр, характер разрушения материала становится хрупким, подобным разрушению бетона, но при значительно более высоких нагрузках.

3 Регулирование свойств

сталефибробетона

Далеко не всегда теоретически подобранные рациональные параметры фибрового армирования обеспечивают заданные физико-механические характеристики конструкции на основе СФБ. Исследования структуры СФБ [4, 5, 8, 12, 14] дают основу понимания процессов, происходящих в материале под воздействием внешних нагрузок, перспективы и направления их развития.

С этих позиций, на наш взгляд, более пригодным для практических целей, является общий случай характеристики уровней структуры СФБ, предложенный Г. В. Копанским в работе [5].

Основным макроструктурным элементом СФБ является ячейка, размеры которой зависят от степени насыщения фибрами их диаметра, размера заполнителя, используемого в бетонной матрице. В процессе создания стале-фибробетонных конструкций (СФБК), стале-фиброжелезобетонных конструкций (СФЖБК) могут иметь место три типа макроструктуры: изотропная, анизотропная, вариатропная (называемая зонной [15, 16]).

Изотропная и анизотропная макроструктуры СФБ имеют равномерное распределение фибр по объему изделия соответственно с трехосной их ориентацией относительно действующих усилий в первом случае и одноосной и двухосной - во втором. Вариатропная (зонная) макроструктура СФБ характеризуется неравномерным распределением фибр в элементе независимо от их ориентации. Причем вариатропность может быть организованной (зонное армирование) и неорганизованной, связанной со свойствами СФБ смеси и технологией производства СФБК (СФЖБК).

Обеспечить определенный тип макроструктуры СФБ за счет распределения фибр в бетонной матрице можно, регулируя относительную длину фибр I , модуль фибрового армирования к = ц^ /^ и др. Окончательно структура материала формируется на стадии формования конструкций.

4 Сталефибробетон с заданными характеристиками и конструкции на его основе

С учетом всего вышесказанного автором сформулирован подход к формированию свойств СФБ, позволяющий обеспечивать заданные эксплуатационные характеристики СФБК (СФЖБК).

Идея и сущность его состоит в том, что по НДС и полям напряжений, полученным в результате статического расчета конструкции средствами вычислительных комплексов SCAD, Лира, COSMOS и др., оцениваются максимальные (главные) напряжения растяжения а и сжатия а и в соответствии

/max cmax

с ними разрабатывается схема армирования (фибрового и, при необходимости, комбинированного с использованием регулярной арматуры). В соответствии с полученными напряжениями принимаются характеристики СФБ при растяжении и сжатии Я и R , для обеспечения которых в результате решения оптимизационной задачи определяются требуемые параметры фибрового армирования. Функцией цели при этом принимается минимальный относительный коэффициент расхода фибр на растяжение kftmint или на сжатие kfbmin, которые обеспечивают требуемые R = а^ и R„ = а и соответствующий им рас-

tmax lb cmax J r

ход стальных фибр ^fVmin^ 0,5 %. Граничным условием оптимизации является R = atmax и Rfb = а [16].

lb omax L J

Определение минимального относительного коэффициента расхода фибр при обеспечении а (а ) позволяет получить за-

tmaxv cmax' J

данные эксплуатационные характеристики конструкции при минимальной стоимости из возможных.

Заключение

Таким образом, регулируя структуру композита - сталефибробетона в соответствии с напряженно-деформированным состоянием разрабатываемой конструкции, оказывается

возможным получить СФБ с заданными свойствами, которые определяются эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к последней.

Библиографический список

1. Лобанов И. А. Основы технологии дисперсно-армированных бетонов (фибробетонов) : автореф. докт. дис. / И. А. Лобанов. - Л. : ЛИСИ, 1986. - 34 с.

2. Гулимова Е. В. Исследования коррозионной стойкости арматуры в сталефибробетоне : автореф. канд. дис. / Е. В. Гулимова. - Л. : ЛИСИ, 1980. - 23 с.

3. Романов В. П. Влияние параметров дисперсного армирования на прочность элементов из ста-лефибробетона при статических и динамических нагрузках / В. П. Романов, Ф. Н. Рабинович, И. Д. Захаров // Исследование и расчет новых типов пространственных конструкций гражданских зданий : сб. науч. тр. - Л. : ЛЕНЗНИИЭП, 1985. - С. 88-94.

4. Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции : монография / Ф. Н. Рабинович. - М. : Изд-во АСВ, 2004. - 560 с.

5. Копанский Г. В. Структура армирования ста-лефибробетона и ее технологическое обеспечение : автореф. канд. дис. / Г. В. Копанский. - Л. : ЛИИЖТ, 1985. - 24 с.

6. Фудзии Т. Механика разрушения композиционных материалов / Т. Фудзии, М. Дзако ; пер. с яп. / под ред. В. И. Бурлаева. - М. : Мир, 1982. -232 с.

7. Курбатов Л. Г. Проектирование и изготовление сталефибробетонных конструкций / Л. Г. Курбатов. - М. : ЦНТИ, 1985. - 55 с. -

8. Пухаренко Ю. В. Научные и практические основы формирования структуры и свойств фибро-бетонов : автореф. докт. дис. / Ю. В. Пухаренко. -СПб. : СПбГАСУ, 2005. - 42 с.

9. Fibrecrete properties. Pavement design. Reve-sby, NSW 2212. - Australia: Aquila Steel Company Ltd., 1983. - 20 p.

10. Romualdi G. P. The Behaviour of Reinforced concrete Beams with closely spaced by Reinforcement / G. P. Romualdi, G. B. Batson // ACI Journal. - 1963. -N 6. - P. 751-761.

11. Swamy R. N. Fibre - reinforced concrete: mechanics, properties and applications / R. N. Swamy // Indian Concrete Journal. - 1974. - Vol. 48, N 1. -P. 7-16.

12. Кравинскис В. К. К вопросу о среднем числе фибр в произвольном сечении / В. К. Кравинскис, В. О. Филипсонс, Я. А. Браунс // Проектирование и оптимизация конструкций инженерных сооружений. - Рига : РПИ, 1983. - С. 49-51.

13. Куликов А. Н. Экспериментально-теоретические исследования свойств фибробетона при безградиентном напряженном состоянии в кратковременных испытаниях : автореф. канд. дис. / А. Н. Куликов. - Л. : ЛИСИ, 1975. - 25 с.

14. Талантова К. В. Экспериментально-теоретические исследования контактной зоны матрица-волокно строительного композита - сталефибро-бетона / К. В. Талантова // ЭМФ-2001. - Барнаул : Изд-во АГУ, 2001. - С. 243-248.

15. Гетун Г. В. Экспериментально-теоретические исследования изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных в растянутой зоне слоем сталефибробетона : автореф. канд. дис. / Г. В. Ге-тун. - Киев : КИСИ, 1983. - 20 с.

16. Талантова К. В. Оптимизация расхода стальной фибры при проектировании конструкций на основе сталефибробетона / К. В. Талантова // Изв. вузов. Строительство. - Новосибирск, 2014. -№ 8. - С. 99-106.

References

1. Lobanov I. A. Osnovy tekhnologii dispersno-armirovannykh betonov

2. Gulimova E. V. Issledovaniya korrozionnoj stojkosti armatury v stalefibrobetone [Research of corrosion resistance of reinforcements in steel fiber concrete]: author's abstract of a doctor's thesis. Leningrad, LISI Publ., 1980, 23 p.

3. Romanov V. P., Rabinovich F. N. & Zakha-rov I. D. Vliyanie parametrov dispersnogo armiro-vaniya na prochnost' jelementov iz stalefibrobetona pri staticheskikh i dinamicheskikh nagruzkakh [Impact of fiber reinforcement on the durability of steel fiber concrete parts under static and dynamic loads]. Research and assessment of new types of spatial structures of civic buildings. Sb. nauchnykh trudov [Increasing track durability and reliability. Edited volume]. Leningrad, LENZNIIEP Publ., 1985, pp. 88-94.

4. Rabinovich F. N. Kompozity na osnove dispers-no-armirovannykh betonov. Voprosy teorii i proektiro-vaniya, tekhnologiya, konstruktsii [Composites based on fiber reinforced concrete. Theory, planning, technology and structures]: a monograph. Moscow, ASV Publ., 2004, 560 p.

5. Kopanskij G. V. Struktura armirovaniya stalefibrobetona i ee tekhnologicheskoe obespechenie [Steel fiber concrete reinforcement structure and its engineering support]: author's abstract of a Ph. D. thesis. Leningrad, LIIZHT Publ., 1985, 24 p.

6. Fudzii T.& Dzako M. Mekhanika razrusheniya kompozitsionnykh materialov [Mechanics of destric-tion for composition materials]. Translated from Japanese, ed. V. I. Burlaeva. Moscow, Mir Publ., 1982, 232 p.

7. Kurbatov L. G. Proektirovanie i izgotovlenie sta-lefibrobetonnykh konstruktsij [Design and manufacture of steel fiber concrete structures]. Moscow, TSNTI, 1985, 55 p.

8. Pukharenko Yu. V. Nauchnye i prakticheskie osnovy formirovaniya struktury i svojstv fibrobetonov [Scientific and practical basis of formation of fiber concrete structure and properties]: author's abstract of a doctor's thesis. Saint Peterburg, SPbGASU Publ., 2005, 42 p.

9. Fibrecrete properties. Pavement design. Reves-by, NSW 2212. Australia, Aquila Steel Company Ltd., 1983, 20 p.

10. Romualdi G. P.& Batson G. B. The Behaviour of Reinforced concrete Beams with closely spaced by Reinforcement. ACI Journal, 1963, no. 6, pp. 751-761.

11. Swamy R. N. Fibre - reinforced concrete: mechanics, properties and applications. Indian Concrete Journal, 1974, vol. 48, no. 1, pp. 7-16.

12. Kravinskis V. K., Filipsons V. O.& Brauns Ya.A. K voprosu o srednem chisle fibr v proizvol'nom sech-enii. Proektirovanie i optimizatsiya konstruktsij in-zhenernykh sooruzhenij [Concerning average amounts of fibers in an arbitrary section]. Planning and optimization of utility structures. Riga, RPI Publ., 1983, pp. 49-51.

13. Kulikov A. N. Jeksperimental'no-teoret-icheskie issledovaniya svojstv fibrobetona pri bezgra-dientnom napryazhennom sostoyanii v kratkovremen-nykh ispytaniyakh [Experimental and theoretical research of fiber concrete properties under gradientless stress in short-run tests]: author's abstract of a Ph. D. thesis. Leningrad, LISI Publ., 1975, 25 p.

14. Talantova K. V. Jeksperimental'no - teore-ticheskie issledovaniya kontaktnoj zony matritsa-vo-

lokno stroitel'nogo kompozita - stalefibrobetona [Experimental and theoretical research of the matrix-fiber contact area of the fiber concrete building composite]. EMF-2001. Barnaul, AGU Publ., 2001, pp. 243-248.

15. Getun G. V. Jeksperimental'no-teoretiches-kie issledovaniya izgibaemykh zhelezobetonnykh konstruktsij, usilennykh v rastyanutoj zone sloem stalefibrobetona [Experimental and theoretical research of bending armored concrete structures, reinforced in the tensile region with a layer of steel fiber concrete]: author's abstract of a Ph. D. thesis. Kyiv, KISI Publ., 1983, 20 p.

16. Talantova K. V. Optimizatsiya raskhoda stal'noj fibry pri proektirovanii konstruktsij na osnove stalefibrobetona [Optimization of fiber usage when planning structures based on steel fiber concrete]. Iz-vestija vuzov. Stroitel'stvo [College news. Construction}. Novosibirsk, 2014, no. 8, pp. 99-106.

ТАЛАНТОВА Клара Васильевна - доктор техн. наук, доцент, talant_bar@mail.ru