Диаграммы деформирования цементных композитов, армированных стальной проволочной фиброй

DOI 10.22337/2077-9038-2018-2-143-147

Диаграммы деформирования цементных композитов, армированных

V» V I > V

стальной проволочной фиброи

Ю.В.Пухаренко, СПбГАСУ, Санкт-Петербург Д.А.Пантелеев, СПбГАСУ, Санкт-Петербург М.И.Жаворонков, СПбГАСУ, Санкт-Петербург

Современная строительная практика требует использования материалов, изделий и конструкций с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками и при этом не требующих значительных материальных, трудовых и энергетических затрат на их производство. Одним из наиболее перспективных строительных материалов, отвечающих предъявляемым требованиям, является фибробетон. Однако объёмы его применения ограничены в связи с недостаточной степенью изученности поведения под нагрузкой и воздействиями. Данная проблема усугубляется постоянно расширяющейся номенклатурой армирующих волокон, которые могут придавать композитам, изготавливаемым на их основе, совершенно разные свойства и характеристики.

Одной из наиболее важных характеристик фибробетона является трещиностойкость. Наиболее информативный метод исследования данной характеристики - это построение и анализ диаграмм деформирования и разрушения образцов, получаемых при проведении испытаний на растяжение при изгибе. На начальном этапе проведённого исследования были испытаны нескольких серий фибробетонных образцов с применением стандартной методики оценки трещиностойкости тяжёлых и мелкозернистых бетонов, регламентируемой ГОСТ 29167. При этом было использовано устройство, специально разработанное для испытаний фибробетона.

В результате проведённых испытаний был установлен общий вид диаграмм деформирования фибробетонных образцов, определены силовые и энергетические характеристики трещиностойкости, а также модуль упругости. Вместе с тем отмечена высокая трудоёмкость производимых испытаний.

Учитывая это, авторы статьи предлагают способ получения диаграмм деформирования и разрушения фибробетона расчётным путём. Получаемые диаграммы строятся по нескольким ключевым точкам, определение координат которых производится по приведённым формулам.

В работе представлено сравнение полученных экспериментальных и теоретических характеристик трещиностойкости фибробетона, изготовленного с применением стальной проволочной фибры. Сравнение приведённых данных указывает на их удовлетворительное согласие, что доказывает справедливость предложенного способа получения диаграмм деформирования фибробетона1.

Ключевые слова: фибробетон, трещиностойкость, прочность, вязкость разрушения, стальная проволочная фибра.

Diagrams of Deformation of Cement Composites Reinforced with Steel Wire Fiber

Yu.V.Pukharenko, SPSUACE, Saint Petersburg D.A.Panteleev, SPSUACE, Saint Petersburg M.I.Zhavoronkov, SPSUACE, Saint Petersburg Modern construction practice acquires such a tendency, at which it is required to use materials with increased physical, mechanical and operational characteristics, and at the same time, do not require significant material, labor and energy costs for their production. One of the most promising building materials that meet the requirements is fiber-reinforced concrete. However, the increase in the volume of its use is limited by the insufficient degree of study of its properties and characteristics. This problem is aggravated by the constantly expanding range of reinforcing fibers, which can give composites produced on their basis, completely different properties and characteristics.

One of the most important characteristics of fiber-reinforced concrete is crack resistance. The most informative method of research of this characteristic is the construction and analysis of deformation and fracture diagrams of samples obtained during bending tensile strength tests. At the initial stage of the described study, several series of fiber-reinforced concrete samples were tested. During the tests, a standard method for assessing the fracture toughness of heavy and fine-grained concretes, governed by the requirements of GOST 29167, was used. A device specially designed for testing fiber-reinforced concrete was used.

As a result of the tests, a general view of the deformation diagrams of fiber-reinforced concrete samples was established, strength and energy characteristics of crack resistance, as well as the modulus of elasticity were found, and the labor intensity of the tests was high.

In this paper we describe a possible way of obtaining fracture patterns for fiber-reinforced concrete by calculation. The resulting diagrams of deformation of fiber-reinforced concrete samples are built on several key points, the determination of which coordinates is made by calculation.

The paper compares the experimental and calculated fracture toughness characteristics of fiber-reinforced concrete manufactured

1 Работа выполнялась в соответствии с планом фундаментальных научных исследований РААСН, раздел 7.4. Разработка и развитие физико-механического моделирования, реологической и вычислительной механики новых материалов и конструкций. Общие принципы и методы обеспечения безопасности и живучести зданий и сооружений в новых условиях, тема 7.4.7. «Развитие физико-механического моделирования процессов деформирования и разрушения фиброармированных бетонов».

using steel wire fiber. Comparison of the data presented indicates a satisfactory agreement between the calculated and experimental data, which proves the validity of the proposed method for obtaining fiber-reinforced concrete deformation diagrams.

Keywords: fiber-reinforced concrete, crack resistance, strength, fracture toughness, steel wire fiber.

Современная строительная практика требует коренного улучшения физико-механических характеристик конструкционных материалов при одновременном сокращении материальных, энергетических и трудовых затрат на их производство. Одним из наиболее перспективных строительных материалов, отвечающих постоянно возрастающим требованиям, является фибробетон. Однако его массовое применение ограничивается в связи с недостаточной степенью изученности свойств и поведения под нагрузкой, особенно в случае применения новых видов и типоразмеров армирующих волокон, ассортимент которых постоянно пополняется. При этом процесс исследования затрудняется несовершенством нормативно-технической базы, в соответствии с которой для определения характеристик фибробетона используются методы испытаний традиционных бетонов, не учитывающие всех особенностей фиброармированного материала. В связи с этим исследования, связанные с разработкой специальных методов испытаний фибробетонов, адекватно отражающих его поведение под нагрузкой, представляются весьма актуальными.

Важнейшим качеством фибробетона как композиционного материала является высокая трещиностойкость [1; 2]. Одним из наиболее информативных методов оценки этого показателя является построение диаграмм зависимости прогибов образцов от прилагаемых нагрузок при испытании прочности на растяжение при изгибе. Данный метод испытаний регламентируется требованиями ГОСТ 29167 «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении», в котором описывается порядок проведения испытаний, а также методика обработки получаемых диаграмм для определения численных значений характеристик трещиностойкости, кроме того приводится описание используемого оборудования, которое, как отмечалось, не учитывает сложного характера взаимодействия бетонной матрицы с армирующими волокнами и поэтому не может применяться для испытаний фибробетона. Целью данного исследования являлась разработка метода построения диаграмм деформирования фиброармированного бетона и определение характеристик его трещиностойкости под нагрузкой с учётом вышеизложенного фактора.

При разработке методики за основу принят ГОСТ 29167, согласно которому образцы-балки подвергают испытанию на растяжение при трёхточечном изгибе, при этом в ходе испытаний контролируется прогиб образца и прилагаемая нагрузка. Для обеспечения равновесности в конструкции пресса используется стальное упругое кольцо, увеличивающее жёсткость испыта-

тельной машины и воспринимающее кинетическую энергию, высвобождающуюся при разрушении образца. Такой метод позволяет успешно контролировать работу материала в основном в упругой стадии деформирования и определять критический коэффициент интенсивности напряжений для такого хрупкого материала, каким является бетон, в отличие от которого фибробетон продолжает воспринимать нагрузку и после образования трещин, благодаря надёжной анкеровке армирующих волокон в бетонной матрице. При этом прогибы образцов могут достигать 20 мм и более, что делает невозможным применение упругого кольца, ограничивающего деформацию материала. Учитывая это, авторами была усовершенствована методика и разработано устройство, позволяющее с высокой точностью (5*10-4 мм) контролировать прогибы фибробетонного образца на стадии упругого деформирования и при этом не ограничивающее его максимальные прогибы вплоть до момента разрушения [3-5].

Для определения характеристик трещиностойкости фибробетона были изготовлены образцы-балки размерами 7*7*28 см. Размеры образцов выбраны в соответствии с требованиями ГОСТ 29167 в зависимости от максимальной крупности применяемого заполнителя. В качестве матрицы для изготовления фибробетона использовался мелкозернистый бетон. Расходы компонентов смеси назначались с учётом гранулометрического состава, применённого мелкого заполнителя и его удельной поверхности. При изготовлении образцов был использован портландцемент марки ПЦ 500 Д0 производства ОАО «Осколцемент», в качестве мелкого заполнителя применялся кварцевый песок с модулем крупности Мкр=2,54. Цементно-песчаное соотношение составило 1:2, а водоцементное - 0,37. Для регулирования подвижности бетонной смеси применялся пластификатор Schomburg Remicrete SP-10 ^М) при расходе 0,7 % от массы цемента. Для дисперсного армирования применялась широко распространённая стальная проволочная фибра круглого сечения волнового профиля диаметром 0,3 мм и длиной 22 мм производства Белорусского металлургического завода, количество которой составляло 1 и 2 % по объёму. В результате проведённых испытаний были построены диаграммы зависимости прогибов образцов от прилагаемых нагрузок, которые представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Экспериментальные диаграммы деформирования фибробетонных образцов

На рисунке видно, что неармированный образец при достижении нагрузкой определённого значения хрупко разрушился, разделившись на две части. В случае применения фибрового армирования механизм разрушения образцов значительно меняется.

Разрушение происходит в результате образования магистральной трещины, проходящей через всё рабочее сечение образца, однако волокна, входящие в состав фибробетона, препятствуют её образованию, распределяя прилагаемую нагрузку и способствуя образованию не одной трещины, а нескольких более мелких, которые при более высоких нагрузках сливаются и образуют магистральную трещину. На более поздних этапах деформирования образца, когда магистральная трещина уже образовалась, волокна, пересекающие её и заанкеренные в обеих условных половинках образца, начинают вытягиваться из матрицы, ограничивая ширину раскрытия трещины.

Несмотря на то, что удалось получить экспериментальные данные, достаточно точно отражающие поведение фибробетона под нагрузкой, проведение испытаний даже с применением специального устройства остаётся весьма трудоёмким процессом, в связи с чем особенно актуальной становится разработка методов теоретического прогнозирования характеристик трещиностойкости.

В результате проведённых экспериментов установлен общий вид диаграммы деформирования фибробетонных образцов (рис. 2), на которой отмечены ключевые точки О, Т, С и D, координаты которых зависят от вида и расхода волокон.

При этом точка Т ограничивает зону упругих деформаций; точка С соответствует максимальному значению по оси нагрузок, при котором заканчивается процесс образования и слияния микротрещин и начинается движение магистральной трещины; точка D определяет величину прогиба образца в момент разрушения (конец испытания). Такие же точки можно поставить на экспериментальных диаграммах (см. рис. 1) и, определив их местоположение, установить характеристики трещиностойкости фиброармированного бетона.

Следует отметить, что микротрещинообразование в фибробе-тоне начинается при одинаковых с неармированным образцом

Прогиб, мм

Рис. 2. Общий вид диаграммы деформирования фибробетон-ного образца

прогибах, которые по имеющейся информации колеблются в интервале 0,03.. .0,04 мм. В этом случае нагрузку и соответственно местоположение точки Т можно определить по формуле (1):

/т48 Еа.

Т ~ ,3

/о

где РТ - нагрузка, действующая на образец; /Т - прогиб, соответствующий точке Т; I- момент инерции; 1о - база образца (расстояние между опорами), Е№ - модуль упругости фибробетона, который можно рассчитать по правилу смесей

Ел= МьЕь +

где Еъ\л Е^ - модули упругости бетона и фибры; цъ и ¡х{ -объёмные доли бетона и фибры; ф - экспериментальный комплексный коэффициент.

Для определения прогиба, соответствующего точке С, предлагается формула (3), полученная путем выражения его из уравнения (1), после внесения некоторых изменений.

Для определения координаты, соответствующей точке С по оси прогибов, предлагается формула (3), полученная путем выражения этой величины из уравнения (1) после внесения некоторых изменений, связанных с тем, что в данный момент рассматривается зона пластического деформирования:

Р13

где: Рс

48Е1Ь1'

нагрузка, соответствующая точке С: 2ЫгК

Рс=:

3/,,

где - прочность фибробетона; Ь - ширина образца; И -высота образца.

Для определения прочности фибробетона в случае, когда разрушение композита сопровождается вытягиванием волокон из матрицы, можно использовать формулу (5): 2т1(/и(

- + 3,5^+^(1-4,5^),

где т - прочность сцепления волокон с матрицей; 1{- длина фибры; - объёмная доля фибры; ё - диаметр фибры; Яъ, Я(и Яю - прочность бетона, фибры и контактной зоны на границе раздела «волокно-матрица» [8].

Вычисление модуля деформации фибробетона

/ь

предлагается производить по формуле:

где: Ел - модуль упругости фибробетона, коэффициент упругопластичности в момент, предшествующий разрушению фибробетона, который зависит от процента армирования и в данном случае составляет 0,045.0,055.

При построении линии СП необходимо учитывать, что при достижении максимальной нагрузки в точке С магистральная трещина в образце проходит через всё рабочее сечение и участие матрицы в дальнейшем процессе практически прекращается. Восприятие нагрузок в нисходящей части диаграммы обеспечивается только прочностью сцепления волокон с матрицей в процессе их вытягивания.

Для определения координаты точки Б в случае, когда разрушение композита сопровождается вытягиванием волокон из матрицы, следует применять формулу (7):

Поскольку точка Б показывает окончание диаграммы разрушения образца, то нагрузка в этой точке равна нулю. Соединив точки С и Б, получим под линией СБ прямоугольный треугольник, площадь которого равна энергетическим затратам на статическое разрушение композита в результате движения магистральной трещины, то есть вязкости разрушения фибробетона (№л). Следует заметить, что правая ветвь на экспериментальных диаграммах имеет вид плавно нисходящей линии. Для достижения удовлетворительного согласия между расчётными и экспериментальными диаграммами можно путём последовательного приближения и последующей логарифмической аппроксимации, в результате логарифмической аппроксимации полученного отрезка СБ и увеличения прогиба в точке Б, добиться равной с треугольником площади.

Примеры диаграмм, полученных расчётным путем с применением предлагаемых теоретических зависимостей, представлены на рисунке 3.

Таблица 1. Численные значения характеристик трещиностойкости и модуля упругости

Характеристика трещиностойкости Объемное содержание фибры

0 % 1 % 2 %

б*, - условные удельные энергозатраты на статическое разрушение до момента начала движения магистральной трещины, Дж/м2 Эксп. 10 597 1581

Расч. 935 1278

С, - условные удельные эффективные энергозатраты на статическое разрушение, Дж/мг Эксп. и 6425 13236

Расч. 8391 17412

¡Сс- условный критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа-м0,5 Эксп. 0,34 0,84 1,09

Расч. - 0,69 1,05

Прочность на растяжение при изгибе, МПа Эксп. 4,34 8,21 13,87

Расч. - 8,85 13,38

Модуль упругости, МПа»103 Эксп. 30 37 39

Расч. - 32 34

Прогиб,

Рис. 3. Расчётные диаграммы разрушения фибробетонных образцов

Численные значения характеристик трещиностойкости, определённые с помощью расчётных и экспериментальных диаграмм, приведены в таблице 1.

По представленным данным можно отметить определённое согласие полученных экспериментальных и расчётных данных и отсутствие принципиальных противоречий между ними. Некоторые отдельные расхождения можно объяснить недостаточной точностью справочных данных, которые учитывались в расчётах по теоретическим зависимостям, что, в свою очередь, объясняется недостатками применявшихся до сих пор методик испытаний. Тем не менее из приведённых данных следует, что введение стальной проволочной фибры приводит к увеличению модуля упругости композита, повышению критического коэффициента интенсивности напряжений и энергозатрат на образование и раскрытие трещин. Уровень улучшения указанных свойств фибробетона определяется собственными характеристиками используемых волокон и их количеством в бетоне. Предложенные зависимости позволяют теоретически прогнозировать, а разработанная методика определять поведение сталефибробетона под нагрузкой с достаточной точностью.

Литература

1. Пухаренко, Ю.В. Особенности приготовления фибробетонных смесей/ Ю.В. Пухаренко // Вестник гражданских инженеров. - 2012. - № 2. - С. 162-166.

2. Пухаренко, Ю.В. Принципы формирования структуры и прогнозирование прочности фибробетонов / Ю.В. Пухаренко // Строительные материалы. - 2004. - № 10. - С. 47-50.

3. Жаворонков, М.И. Метод определения прочности и де-формативности фибробетона / М.И. Жаворонков; Актуальные проблемы строительства и архитектуры: материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых учёных и докторантов. СПбГАСУ. В 2 ч. Ч. 2. - СПб, 2012. - 208 с.

4. Жаворонков, М.И. Методика определения энергетических и силовых характеристик разрушения фибробетона / М.И. Жаворонков // Вестник гражданских инженеров. - 2014. - № 6 (47). - С. 155-160

5. Жаворонков, М.И. Определение характеристик разрушения и модуля упругости фибробетона / М.И. Жаворонков // Известия КГАСУ. - 2015. - № 3 (33). - С. 114-120.

6. Магдеев,У.Х. Исследование свойств сталефибробетона на основе аморфной металлической фибры / У.Х. Магдеев, Ю.В. Пухаренко, В.И. Морозов [и др.] // Вестник ВолгГАСУ. Серия «Строительство и архитектура». - 2013. - Выпуск 31 (50). Ч.2. Строительные науки. - С.132-135.

7. Пухаренко, Ю.В. Прочность и деформативность полиармиро-ванного фибробетона с применением аморфной металлической фибры / Ю.В. Пухаренко, Д.А. Пантелеев [и др.] // Academia. Архитектура и строительство. - 2016. - № 1. - С. 107-111.

8. Пухаренко, Ю.В. Определение вклада фибры в формирование прочности сталефибробетона / Ю.В. Пухаренко,

Д.А. Пантелеев, М.И. Жаворонков // Вестник гражданских инженеров. - 2017. - № 1 (60). - С. 172-176.

Literatura

1. PuharenkoYu.V. Osobennosti prigotovleniya fibrobetonnyh smesej / Yu.V. Puharenko // Vestnik grazhdanskih inzhenerov. - 2012. - № 2. - S. 162-166.

2. Puharenko Yu.V. Printsipy formirovaniya struktury i prognozirovanie prochnosti fibrobetonov / Yu.V. Puharenko // Stroitel'nye materialy. - 2004. - № 10. - S. 47 - 50.

3. Zhavoronkov M.I. Metod opredeleniya prochnosti i deformativnosti fibrobetona / M.I. Zhavoronkov; Aktual'nye problemy stroitel'stva i arhitektury: mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya studentov, aspirantov, molodyh uchenyh i doktorantov. SPbGASU. V 2 ch. Ch. 2. - SPb, 2012. - 208 c.

4. Zhavoronkov M.I. Metodika opredeleniya energeticheskih i silovyh harakteristik razrusheniya fibrobetona/ M.I.

Zhavoronkov // Vestnik grazhdanskih inzhenerov. - 2014. - H 6 (47). - S. 155-160

5. Zhavoronkov M.I. Opredelenie harakteristik razrusheniya i modulya uprugosti fibrobetona / M.I. Zhavoronkov // Izvestiya KGASU. - 2015. - H 3 (33). - S. 114-120.

6. Magdeev U.H. Issledovanie svojstv stalefibrobetona na osnove amorfnoj metallicheskoj fibry / U.H. Magdeev, Yu.V. Puharenko, V.I. Morozov [i dr.] // Vestnik VolgGASU. Seriya «Stroitel'stvo i arhitektura». - 2013. - Vypusk 31 (50). 4.2. Stroitel'nye nauki. - S.132-135.

7. Puharenko Yu.V. Prochnost' i deformativnost' poliarmirovannogo fibrobetona s primeneniem amorfnoj metallicheskoj fibry / Yu.V. Puharenko, D.A. Panteleev [i dr.] // Academia. Arhitektura i stroitel'stvo. - 2016. - H 1. - S. 107-111.

8. Puharenko Yu.V. Opredelenie vklada fibry v formirovanie prochnosti stalefibrobetona / Yu.V. Puharenko, D.A. Panteleev, M.I. Zhavoronkov // Vestnik grazhdanskih inzhenerov. - 2017. - H 1 (60). - S. 172-176.

Пухаренко Юрий Владимирович, 1954 г.р. (Санкт-Петербург). Доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН. Заведующий кафедрой технологии строительных материалов и метрологии ФБГОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» (190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4. ТСМиМ СПбГАСУ). Сфера научных интересов: строительные материалы, фибробетоны, наноструктурное модифицирование. Автор 230 публикаций. Тел.: +7 (921) 324-59-08. E-mail: tsik@spbgasu.ru.

Пантелеев Дмитрий Андреевич, 1989 г.р. (Санкт-Петербург). Кандидат технических наук. Старший преподаватель кафедры технологии строительных материалов и метрологии ФБГОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» (190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4. ТСМиМ СПбГАСУ). Сфера научных интересов: моноармированные и полиармированные фибробетоны. Автор 12 публикаций. Тел.: +7 (911) 950-66-03. E-mail: dm-pant@ yandex.ru.

Жаворонков Михаил Ильич, 1989 г.р. (Санкт-Петербург). Ассистент кафедры технологии строительных материалов и метрологии ФБГОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» (190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4. ТСМиМ СПбГАСУ). Сфера научных интересов: строительные материалы, фибробетон. Автор 9 публикаций.Тел.: +7 (921) 965-02-83. E-mail: sith07@list.ru.

Pukharenko Yuri Vladimirovich, born in 1954 (St. Petersburg). Doctor of technical sciences, professor, corresponding member of the RAACS. Head of the Department of building materials and metrology technology at the federal state budgetary educational institution of higher professional education "St. Petersburg State Construction University" (190005, 2nd Krasnoarmeyskaya st., 4. SPSUACE). Sphere of scientific interests: building materials, fiber-reinforced concrete, nanostructural modification. The author of 230 publications Tel.: +7 (921) 324-59-08.

Panteleev Dmitry Andreevich, b. 1989 (St. Petersburg). Candidate of technical sciences. Senior lecturer of the Department of building materials and metrology technology at the federal state budgetary educational institution of higher professional education "St. Petersburg State Building University" (190005, 2nd Krasnoarmeyskaya st., 4. SPSUACE). Sphere of scientific interests: monoreinforced and polyreinforced fiber concrete. The author of 12 publications. Tel.: +7 (911) 950-66-03. E-mail: dm-pant@yandex.ru.

Zhavoronkov Mikhail Ilyich, born in 1989. (St. Petersburg). Assistant at the Department of building materials and metrology technology at the federal state budgetary educational institution of higher professional education "St. Petersburg State Building University" (190005, 2nd Krasnoarmeyskaya st., 4. SPSUACE). Sphere of scientific interests: building materials, fiber-reinforced concrete. The author of 9 publications.