ФИБРА ДЛЯ ДИСПЕРСНОГО АРМИРОВАНИЯ БЕТОНА
FIBRE FOR DISPERSE REINFORCEMENT OF CONCRETE

Фибра для дисперсного армирования бетона относится к области строительства, в частности к искусственной фибре для приготовления бетонов, и может быть использована в строительной индустрии.
Известна фибра для дисперсного армирования бетона, выполненная в виде металлического отрезка с отгибами - анкерами на концах (Ф.Н. Рабинович. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции: Монография. - М.: Изд-во АСВ, 2004. С. 24-27).
Недостатком известной фибры для дисперсного армирования бетона является неполное сцепление по поверхности, за счет расположения отгибов, выполняющих функцию анкеров, только на концах элемента, что снижает прочность структуры бетона, приводящей к снижению эффективности ее использования. Кроме этого получение фибры с отгибами на концах усложняет процесс ее изготовления, при этом в отличие от металлической фибры у полимерной фибры выполнить на концах отгибы очень сложно, поэтому приходится использовать фибру с отгибами преимущественно металлическую, что снижает, в целом, эффективность использования фибры.
Наиболее близким техническим решением является арматурный элемент с высокими анкерующими свойствами для дисперсного армирования, выполненный в виде отрезка металлической нити с анкером (RU №2367749, Е04С 5/00, 2009 г.).
Недостатками известного арматурного элемента являются, во-первых, сложность изготовления за счет выполнения криволинейных участков - анкеров, а во-вторых, хотя волновая поверхность повышает сцепление по сравнению с гладкой, однако не все участки фибры одновременно вступают в работу, за счет того, что на начальном этапе приложения нагрузки восприятие ее волокнами происходит только после некоторого распрямления изогнутых участков, что снижает эффективность ее работы, в целом.
Задачей настоящего изобретения является создание фибры для дисперсного армирования бетона как металлической, так и полимерной с упрощенной технологией изготовления и с улучшенными анкерующими способностями - поверхностью повышенного сцепления и, соответственно, большего объема микроармирования.
Техническим результатом является получение фибры для дисперсного армирования бетона, повышающей структурную прочность бетона.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в фибре для дисперсного армирования бетона, выполненной в виде прямолинейного отрезка нити с анкерами, анкеры выполнены в виде поперечных выпусков из той же нити, равномерно и распределенных по всей ее длине, с образованием между ними открытых гнезд. Кроме того, поперечные выпуски анкеров могут быть выполнены односторонними, а также поперечные выпуски анкеров могут быть выполнены двусторонними. Поперечные двусторонние выпуски анкеров могут быть расположены в шахматном порядке. Поперечные выпуски анкеров могут быть выполнены скрещивающимися. Прямолинейный отрезок может быть выполнен в виде двух нитей с поперечными выпусками анкеров из той же нити с образованием между ними закрытых гнезд.
Выполнение фибры для дисперсного армирования бетона в виде отрезка нити, состоящего из несущей прямолинейной части и поперечных односторонних выпусков анкеров по всей длине, позволяет добиться большего объема микроармирования и сцепления бетонной смеси за счет проникновения части смеси в промежутки между выпусками - в открытые гнезда и за счет большего охвата объема армирования выпусками анкеров, что повышает сопротивляемость фибры действию сдвиговых деформаций и растягивающих напряжений, а в целом, повышает прочность бетона.
Выполнение фибры для дисперсного армирования бетона в виде отрезка нити, состоящего из несущей части и поперечных двусторонних выпусков анкеров, позволяет, во-первых, за счет симметричного проникновения части смеси в промежутки между двусторонними выпусками добиться более равномерного распределения нагрузки на фибру и тем самым более эффективной ее работы, а во-вторых, повысить прочность бетона за счет большего охвата объема армирования выпусками анкеров с двух сторон от нити, что повышает эффективность работы фибры при сдвиговых и растягивающих деформациях.
Выполнение фибры для дисперсного армирования бетона в виде отрезка нити с поперечными двусторонними выпусками анкеров, расположенными в шахматном порядке, позволяет усилить зону микроармирования за счет образования в ней области двойного микроармирования, что создает более прочную структуру бетона, тем самым повышая эффективность использования данной фибры.
Выполнение фибры для дисперсного армирования бетона в виде отрезка нити, состоящего из несущей части и поперечных двусторонних скрещивающихся выпусков анкеров, позволяет, во-первых, за счет дополнительного проникновения части смеси непосредственно в промежутки между скрещивающимися выпусками добиться еще более равномерного распределения нагрузки на фибру и тем самым более эффективной ее работы, а во-вторых, повысить прочность бетона за счет большего охвата объема армирования скрещивающимися выпусками анкеров, что повышает эффективность работы фибры при сдвиговых и растягивающих деформациях.
Выполнение фибры для дисперсного армирования бетона в виде отрезка, состоящего из двух нитей с поперечными выпусками анкеров из той же нити, позволяет значительно повысить сопротивляемость растягивающим напряжениям за счет участия в работе не одной, а двух нитей, увеличить объем микроармирования за счет образования между нитями закрытых гнезд, повысить сцепление с бетонной матрицей и площадь распределения прикладываемой нагрузки, и, соответственно, в целом, повысить прочность бетона.
Фибра для дисперсного армирования бетона поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена фибра-отрезок нити с равномерно расположенными поперечными односторонними выпусками анкеров; на фиг. 2 - фибра-отрезок нити с равномерно расположенными поперечными двусторонними выпусками анкеров; на фиг. 3 - фибра-отрезок нити с поперечными двусторонними выпусками анкеров, расположенными в шахматном порядке; на фиг. 4 - зоны микроармирования: а) - при двустороннем расположении выпусков анкеров, б) - при двустороннем шахматном расположении выпусков анкеров; на фиг. 5 - фибра-отрезок нити с равномерно расположенными поперечными двусторонними скрещивающимися выпусками анкеров; на фиг. 6 - фибра-отрезок, состоящий из двух нитей, с поперечными выпусками анкеров; на фиг. 7 - схема нарезки фибры с поперечными выпусками анкеров из сетки; 8 - схема нарезки фибры с поперечными скрещивающимися выпусками анкеров из сетки.
На фиг. 1 - фиг. 8 обозначено:
1 - нить; 2 - поперечные односторонние выпуски анкеров; 3 - открытые гнезда; 4 - поперечные двусторонние выпуски анкеров; 5 - поперечные двусторонние выпуски анкеров, расположенные в шахматном порядке; 6 - зона микроармирования при двустороннем расположении выпусков анкеров; 7 - зона двойного микроармирования при двустороннем шахматном расположении выпусков анкеров; 8 - анкеры в виде скрещивающихся выпусков; 9 - закрытые гнезда; 10, 12 - сетки; 11, 13 - линии реза.
Фибра для дисперсного армирования бетона выполнена в виде отрезка нити длиной l, состоящей из несущей части - нити 1 и поперечных односторонних выпусков анкеров 2 с размахом δ и шагом t, образующие открытые гнезда 3 (фиг. 1). Фибра для дисперсного армирования бетона может быть выполнена также в виде отрезка нити, состоящей из несущей части - нити 1 и поперечных двусторонних выпусков анкеров 4, образующих открытые гнезда 3 (фиг. 2). Фибра для дисперсного армирования бетона может быть выполнена с поперечными двусторонними выпусками анкеров, расположенными в шахматном порядке, и состоящей из несущей части - нити 1 с поперечными двусторонними выпусками анкеров 5, образующими открытые гнезда 3 (фиг. 3). При этом могут формироваться два вида областей микроармирования (фиг. 4): область 6, формируемая между двумя анкерами (фиг. 4а), и область двойного микроармирования 7 (фиг. 4б).
Фибра для дисперсного армирования бетона может быть выполнена с поперечными двусторонними скрещивающимися выпусками анкеров, например в виде «ежей», и состоящей из несущей части - нити 1 с поперечными двусторонними скрещивающимися выпусками анкеров 8 (фиг. 5).
Фибра для дисперсного армирования бетона может быть выполнена также в виде отрезка из двух нитей шириной b, с поперечными выпусками анкеров и состоящей из несущей части - двух нитей 1 с поперечными выпусками анкеров 4, образующими открытые гнезда 3 и закрытые гнезда 9 (фиг. 6).
Фибра для дисперсного армирования бетона работает следующим образом.
При внесении в бетонную смесь фибры-отрезка нити с равномерно расположенными поперечными односторонними выпусками анкеров (фиг. 1) часть смеси будет проникать сквозь промежутки между ними - в открытые гнезда, тем самым повышая сопротивляемость сдвиговым деформациям и повышая общую прочность бетона при приложении нагрузки.
При внесении в бетонную смесь фибры-отрезка нити с равномерно расположенными поперечными двусторонними выпусками анкеров (фиг. 2) часть смеси будет проникать сквозь промежутки между ними в открытые гнезда уже с двух сторон от нити, тем самым существенно повышая объем микроармирования, что повышает сопротивляемость сдвиговым деформациям и, соответственно, общую прочность бетона при приложении нагрузки.
При приложении нагрузки к бетону с фиброй-отрезком нитью, с равномерно расположенными поперечными односторонними выпусками анкеров (фиг. 1), в нем развивается комплекс напряжений и деформаций. При этом основная нагрузка воспринимается фиброй через несущую часть - нить 1, а односторонние выпуски анкеров 2 распределяют часть нагрузки на матрицу бетона и, в первую очередь, через открытые ячейки 3. Соответственно каждый компонент фибры будет воспринимать часть общей нагрузки. При этом по поверхности фибры будут более равномерно распределяться напряжения и соответственно меньше возникать концентрации напряжений. Соответственно структура бетона будет работать по всему объему более равномерно, что обеспечит более долговечную работу бетонного изделия, особенно при воздействии динамических нагрузок.
При приложении нагрузки к бетону с фиброй-отрезком нитью с равномерно расположенными поперечными двусторонними выпусками анкеров в нем также развивается комплекс напряжений и деформаций, при этом основная нагрузка воспринимается фиброй через несущую часть - нить 1. В свою очередь, двусторонние выпуски анкеров 2 воспринимают и симметрично распределяют еще большую часть нагрузки на матрицу бетона, чем фибра с односторонними выпусками анкеров той же длины.
При приложении нагрузки к бетону с фиброй-отрезком нитью с равномерно расположенными поперечными двусторонними выпусками анкеров, расположенными в шахматном порядке, возникают две области микроармирования - область 6, формируемая между двумя анкерами (фиг. 4а), и область двойного микроармирования 7, формируемая анкером, расположенным между ними (фиг. 4б), что позволяет воспринимать матрицей бетона еще большую нагрузку.
При приложении нагрузки к бетону с фиброй-отрезком нитью с равномерно расположенными поперечными двусторонними скрещивающимися выпусками анкеров, например в виде «ежей», в нем также развивается комплекс напряжений и деформаций, при этом основная нагрузка воспринимается фиброй через несущую часть - нить 1. В свою очередь, двусторонние скрещивающие выпуски анкеров 8 повышают эффект микроармирования, в большей степени сопротивляются сдвиговым деформациям, при этом воспринимают и симметрично распределяют еще большую часть нагрузки на матрицу бетона, чем фибра с двусторонними выпусками анкеров той же длины (фиг. 5).
При приложении нагрузки к бетону с фиброй в виде отрезка из двух нитей с поперечными выпусками анкеров из той же нити (фиг. 6) в нем также развивается комплекс напряжений и деформаций, при этом основная нагрузка воспринимается фиброй не только несущей частью - самой нитью 1, но и закрытыми гнездами 9, в отличие от фибры с одной нитью, имеющей выпуски анкеров той же длины и открытые гнезда. При этом создается более прочная монолитная структура за счет непосредственного сцепления цементного камня в закрытых гнездах 9 фибры с ее несущей частью, которая позволяет воспринимать и более высокие динамические нагрузки.
Изготовить фибру для дисперсного армирования бетона с односторонними или двусторонними выпусками анкеров и анкеров в виде скрещивающихся выпусков можно довольно легко, например, из сетки 10, 12, путем ее разрезания по линиям реза 11, 13 с последующей нарезкой фибры на требуемую длину, как показано на фиг. 7, 8.
Пример
к
Тяжелую модельную бетонную смесь готовили в соотношении - цемент: песок: фибра как 1:3:5 при водоцементном отношении В/Ц=0,54. Марка портландцемента - М500. Песок - кварцевый с модулем крупности М=2,5. При этом использовали два вида фибры - одна в виде обрезков гладкой полимерной нити, а другая - в виде отрезков полимерной нити с поперечными двусторонними выпусками анкеров длиной 15-20 мм, полученной из отходов производства москитных сеток для оконных блоков.
Готовили для испытаний, соответственно, два вида бетонной смеси, из которых формовали два вида бетонных кубиков.
Приготовление бетонной смеси осуществляли вручную. Формование бетонных кубиков размерами 100×100×100 мм осуществляли на виброплощадке с круговыми колебаниями.
Вибрирование выполняли в течение 30 секунд. Отформованные кубики выдерживали 14 суток в нормальных условиях твердения, после чего их испытывали на прессе на сжатие. Прочность образцов на сжатие, содержащих фибру в виде отрезков полимерной нити с поперечными выпусками анкеров, повысилась на 14% по сравнению с образцами, включающими в своем составе гладкую фибру. При осмотре испытанных образцов не было выявлено явных разрывов фибры в месте ее разрушения, при этом бетонная смесь проникала сквозь промежутки между выпусками анкеров, что повышало сцепление и, соответственно, усиливало армирующий эффект предложенной новой фибры. Это подтверждает осуществление поставленной задачи - создание фибры для бетона, с поверхностью повышенного сцепления и объема микроармирования, а также достижение технического результата - повышение прочности, т.е. более эффективное использование фибры в бетоне - с возможностью ее работы в бетоне с восприятием повышенных как статических, так и динамических нагрузок.
Фибра для дисперсного армирования бетона была смоделирована и изготовлена в строительной лаборатории кафедры ПСК ТвГТУ, а выполненные испытания доказали возможность ее эффективного использования в качестве дисперсного арматурного элемента в производстве железобетонных изделий с повышенными прочностными свойствами.