Влияние дисперсного армирования на деформационно-прочностные свойства бетона

УДК 691.620.17: 691.327

МОСКОВСКИЙ С. В. НОСКОВ А. С. РУДНОВ В. С. АЛЕХИН В. Н.

Влияние дисперсного армирования на деформационно-прочностные свойства бетона

Одним из вариантов повышения надежности и увеличения сроков эксплуатации железобетонных конструкций может быть армирование всего объема бетона с помощью различных видов фибры. В статье представлены результаты комплексных исследований по изучению влияния параметров дисперсного армирования (длина волокон и вид фибры, дозировка по объему) и материала волокон фибры на прочность дисперсно-армированного бетона на растяжение при изгибе, дана оценка эффективности такого метода и возможность учета при расчете строительных конструкций.

Ключевые слова: фибробетон, дисперсное армирование, волокна фибры, прочностные и деформационные свойства бетона.

MOSKOVSKY S. V., NOSKOV A. S, RUDNOV V. S., ALECHIN V. N.

THE EFFECT OF PARTICULATE REINFORCEMENT ON THE DEFORMATION-STRENGTH PROPERTIES OF CONCRETE

One of the options to improve the reliability and increase the service life of concrete structures can be a reinforcement of the total volume of concrete using different fiber types. The article presents the results of complex researches on studying of influence of parameters of the dispersed reinforcement (fibre length and type of fiber, dosage by volume) and the material of the fibers of fibers on the strength fiber concrete tensile bending, the estimation efficiency and the possibility of taking into account in the calculation of building structures.

Keywords: thefiberconcrete, dispersed reinforcement, fibers fibers, the strength and deformation properties of concrete.

Использование традиционных методов армирования железобетона стальными плоскими или объемными каркасами приводит к неоднородности структуры, образованию пустот в бетоне, ухудшению деформационных характеристик конструкций. Равномерное распределенное армирование всего объема бетона исключает недостатки неармированных бетонов (низкая прочность на изгиб и усадочное трещинообра-зование при твердении и эксплуатации конструкций) и может существенно увеличить срок эксплуатации железобетонных конструкций.

Фибробетоном называют вид бетона при наличии в нем равномерно

распределенной по всему телу искусственного камня микроарматуры (фибры) [1, 2, 7]. В начале XX в. российский инженер В. П. Некрасов впервые в мире предложил дисперсно-армированный бетон и провел исследования его строительных характеристик [5]. В качестве микроарматуры им были использованы отрезки проволоки малых диаметров. Микроармирование может быть применено во всех видах бетонов: тяжелый, ячеистый, бетон на легких заполнителях и др.

Как любой другой конструкционный материал, фибробетон имеет две основные группы качественных характеристик: прочностные и деформационные. Важнейшая характери-

стика (предел прочности на растяжение) является не только прямой, но и косвенной, свидетельствующей о сопротивляемости материала другим видам силового и структурного воздействий [3, 7]. По сравнению с бетоном без дисперсного армирования, фибробетон отличается высокой прочностью при различных видах воздействий: растяжение, срез, трещиностойкость — и характеризуется вязкостью разрушения. Прочностные свойства фибробетонов исследуются довольно давно, и они достаточно хорошо изучены российскими и зарубежными специалистами [6, 8, 10, 11]. Менее изучены деформационные параметры: износостойкость, коррозионная стойкость, трещиностойкость, морозостойкость, водонепроницаемость и др.

Фибробетон как композиционный материал характеризуется однородной более пластичной в сравнении с бетоном без дисперсного армирования структурой, для которой характерны высокая прочность на растяжение и изгиб, увеличенная трещиностойкость и вязкость разрушения. Эти конструкционные преимущества позволяют повысить долговечность строительных конструкций, уменьшить негативное влияние на них агрессивных факторов окружающей среды, сократить себестоимость железобетона за счет снижения доли стальной арматуры без изменения прочностных показателей [4, 9]. При этом конструкции могут иметь геометрическую форму любой сложности.

Положительное влияние дисперсного армирования бетона начинает сказываться после достижения объемной концентрации фибры, обусловливающей начальную объемно-пространственную связность фиброструктуры [6, 9]. Можно выделить два этапа механизма воздействия на структуру бетона и его физико-механические характеристики: ♦ на стадии структурообразования

фибра при пластической усадке

способствует перераспределению напряжений усадки от наиболее загруженных зон на весь объем бетона;

♦ при нагружении в процессе эксплуатации конструкций волокна фибры замедляют рост трещин, равномерно распределяют концентрации и снижают напряжения в местах макродефектов, контактной зоны разных компонентов бетона и точек приложения усилий.

Теории изменения деформаций ползучести и усадки на сегодняшний день следующие [1, 4, 10]:

♦ снижение деформаций усадки в фибробетоне достигается за счет распределенного взаимодействия волокон фибры с цементным камнем;

♦ в композитном материале с идеальным равномерным расположением фибры (фибробетон представлен участком с фиброй, окруженной тонким слоем цементного камня) ползучесть бетонной матрицы ограничивается поверхностным касательным напряжением между матрицей и фиброй за счет возникающих сил адгезии материалов.

В настоящее время проведено большое количество экспериментальных исследований для определенных производственных условий и видов бетона (ячеистый, тяжелый для транспортного строительства и т. п.). При этом отсутствует научно-теоретическая основа, объясняющая зависимости свойств фибробетона от дозировки и вида волокон фибры. Для прогнозирования возможных положительных эффектов необходимо провести исследование взаимодействия волокон дисперсного армирования с растворной матрицей, взаимосвязи характеристик различных видов бетона с целью изменения / корректировки прочностных и эксплуатационных характеристик при расчете конструкций. Для рас-

ширения области применения фибры при изготовлении железобетонных конструкций необходимо систематизировать накопленный производственный и научно-экспериментальный опыт, что позволит обосновать ее применение и задавать деформационные свойства конструкций из фибробетона. Для расширения областей расчета и применения дисперсно-армированных конструкций необходимо теоретическое обобщение и систематизация зависимостей между технологическими параметрами (свойства исходных материалов, состав и процесс изготовления изделий), формированием структуры и деформативно-прочностными характеристиками фибробетонов.

От свойств материала волокон фибры зависит область применения фибробетона и его характеристики. Волокна фибры могут быть нейлоновые, акриловые, стеклянные, стальные, полиэфирные, базальтовые, полипропиленовые, хлопковые и из других материалов (Таблица 1). В настоящее время за рубежом используют три основных вида дисперсной микроарматуры: волокна (фибры) в виде коротких отрезков тонкой стальной проволоки, стеклянные и полипропиленовые волокна. В Российской Федерации все более широкое применение находит фиброволокно на основе базальта. Различие свойств материалов дисперсного армирования обусловливает необходимость дифференцированного подхода к их применению в качестве арматуры [3, 7, 11].

Эффективность применения фибры кроме характеристик материала (временным сопротивлением растяжению ^ у, модулем упругости Е5 у , силой адгезии микроарматуры и бетонной матрицы) определяется свойствами самой дисперсной арматуры: геометрией (диаметр <1^, длина ¡^), формой сечения, конфигурацией (шероховатость поверхности и наличие анкеров у стальной арматуры). Физико-механические характе-

Таблица 1. Технические характеристики различных волокон фибры

Показатель Базальтовая фибра Полипропиленовая фибра Стекловолокон-ная фибра Стальная (металлическая) фибра

Материал Базальтовое волокно Полипропилен Стекловолокно Проволока из углеродистой стали

Диаметр волокна 13-17 мкм 10-25 мкм 13-15 мкм 0,5-1,2 мм

Длина волокна 3,2-15,7 мм 6-18 мм 4,5-18 мм 30-50 мм

Температура плавления, °С 1 450 160 860 1 550

Стойкость к щелочам и коррозии Высокая Низкая Низкая, у щелочестой-кого — средняя Средняя

Д.шнн фибры, МП

• доЗмм * де>5 мм «до 10 мм «до 15мм • до20 мм

Иллюстрация 1. Зависимость прочности при изгибе бетона с различной максимальной крупностью заполнителей от длины волокна базальтовой фибры

я 7,5 С

а: 6,5 6 5,5 5 4,5 4

к

1 ----- 4 1

А к ^^^

4 5 6

Объемная дозировка, %

• 2 мм • 8 мм 20 мм

Иллюстрация 2. Влияние объемной дозировки базальтовой фибры на прочность бетона при изгибе

Иллюстрация 3. Влияние расхода цемента на относительную прочность при изгибе

Таблица 2. Физико-механические характеристики волокон фибры

№ п/п Наименование Плотность, кг/ м3 Модуль упругости, МПа Я разрыва, МПа Относительное удлинение, % Прочность адгезии волокон с цементной матрицей, МПа

1 Цементная матрица 1800-2100 (2-2,5) • 104 3-5 0,01-0,03 —

2 Стальная фибра 7 800 2 • 105 540-580 15-18 4-6

3 Стекловолокно 2 400 «104 800-1200 2,5-3,5 6-9

4 Полипропиленовое волокно 900 (4-6) • 103 150-200 10-20 1-3

5 Грубое базальтовое волокно 2 600 «105 450-600 2-3 5-7

ристики разных видов волокон фибры приведены в Таблице 2 [7, 9].

Работами ряда исследователей [8, 9] установлено, что для получения высокопрочных композиций необходимо выполнение следующих условий:

♦ значительная часть прочности волокон должна сохраняться в технологическом процессе;

♦ необходимо высокое сцепление волокна с растворной матрицей и наиболее плотное их соприкосновение без защемленного воздуха в зоне контакта;

♦ оптимальное наиболее равномерное распределение волокон по всему объему матрицы при одновременном исключении непосредственного соприкосновения их друг с другом;

♦ материалы волокон должны обладать химической инертностью по отношению к цементной матрице;

♦ более высокий модуль упругости по сравнению с матрицей.

Более всего востребовано повышение прочности на изгиб распространенного конструкционного материала — тяжелого бетона, что возможно применением наиболее распространенных в РФ видов фиброволокна: стального, полипропиленового и базальтового. Однако для расчета несущей способности конструкции необходимо знать зависимости прочности при изгибе от параметров армирования. Комплексные исследовательские работы по созданию многофакторной математической модели фибробетона проводит коллектив авторов в Строительном институте УрФУ (Екатеринбург). Работа ведется по следующим направлениям:

♦ изучение макроструктуры дисперсно-армированного бетона: расположение, равномерность распределения, влияние фибры на окружающую структуру бетона;

♦ взаимодействие фибры и бетона, проявляющееся в прочностных характеристиках получаемой композиции;

♦ учет дисперсного армирования при проектировании прочностных и деформационных характеристик конструкций и прогнозировании внутренних напряжений, возникающих под действием эксплуатационных нагрузок.

В лабораторных экспериментах использовали несколько видов дисперсного армирования (характеристики приведены в Таблице 2), в качестве вяжущего — портландцемент класса ЦЕМ 42,5, мелкого заполнителя — мытый кварцевый песок фракции 0,3153,0 мм, крупного — мытый гранитный кубовидный щебень фракций 3-5, 3-10, 3-15 и 3-20 мм. Компоненты фибробетона (вяжущее, заполнители и дисперсная арматура) перемешивали в смесителях принудительного действия в два этапа: в сухом виде не менее 3 минут,

после добавления воды — не менее 3 минут. Такой режим позволяет пучкам волокон качественно расщепляться на отдельные единицы. Из дисперсно-армированного бетона изготавливали образцы размером 70 х 70 х 280 мм, на которых после твердения в нормальных условиях в течение 28 суток определяли предел прочности на растяжение при изгибе.

На первоначальном этапе исследований стояла цель выявить области наибольшей эффективности дисперсного армирования по величине абсолютной Визг (или относительной АВизг) прочности бетона на растяжение при изгибе. За относительную прочность бетона на растяжение при изгибе принимали изменение прочности бетона, армированного фиброй (В^)' отнесенное к прочности без фибры (Визг), рассчитываемое по формуле

ДВзг = Взг ~ Визг • 100%.

Визг

В реальных условиях прочностную модель бетонного композита строительной конструкции можно описать многофакторными параметрами. Для построения эмпирических и математических зависимостей по результатам проведенных экспериментов варьировали по два исходных параметра, оставляя остальные неизменными. Влияние на прочность бетона при изгибе волокон базальтовой фибры разной длины при различной максимальной крупности заполнителей изучали при объемной дозировке фибры 0,5 % и содержании цемента 300 кг в 1 м3 бетона (Иллюстрация 1).

По результатам приведенных экспериментов сделаны выводы о том, что при существенном увеличении длины волокон фибры заполнителя большей крупности происходит ухудшение структуры бетона и снижение прочностных показателей. Необходимая длина волокон фибры для получения наибольшей прочности при изгибе должна определяться максимальной крупностью заполнителя бетона, например, для мелкозернистого бетона — 2-6 мм, для крупнозернистого — 12-20 мм.

Экспериментально определяли и необходимую объемную дозировку базальтовой фибры разной длины для максимального повышения прочности на изгиб при содержании цемента 300 кг в 1 м3 бетона с максимальной крупностью заполнителя 15 мм (Иллюстрация 2).

В результате исследований установили, что оптимальная (дающая наибольший прирост прочности на изгиб) объемная дозировка фибры определяется ее длиной и варьируется в пределах от 3 % (для фибры длиной 20 мм) до 5 %% (длиной 2 мм). При превышении оптимальной объемной дозировки волокон прочностные характеристики бетона остаются практически неизменными.

Содержание цемента также является важной характеристикой, зависящей от материала волокон, что ис-

следовали при объемной дозировке волокон стальной, полипропиленовой или базальтовой фибры длиной 20 мм в количестве 3 % (Иллюстрация 3).

В результате установили, что для эффективной работы жесткая малоизгибаемая фибра требует большего содержания вяжущего (портландцемента), что объясняется необходимостью обеспечения контакта волокон с композитом.

В настоящее время эксперименты проводят при различных постоянных параметрах с целью охвата всех возможных сочетаний исходных условий. На следующем этапе исследований будут определены другие деформационные и прочностные характеристики дисперсно-армированных бетонов, необходимых с целью расчета модели конструкции. После систематизации полученных эмпирических данных будут рассчитаны зависимости прочностных свойств дисперсно-армированного бетона от всего комплекса исходных параметров для использования в математической модели для расчета прочностных характеристик этого вида бетона.

Заключение

1 В Строительном институте Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина коллектив авторов проводит эксперименты по изучению зависимостей прочностных характеристик тяжелого фибробетона от свойств волокон дисперсной арматуры (базальтовой, полипропиленовой, стальной) и параметров армирования (объемная дозировка, содержание вяжущего в композите).

2 Исследования тяжелого фибробетона с базальтовой фиброй показали, что дисперсное армирование повышает прочность на растяжение при изгибе до 74 %, максимальная прочность достигается при объемной дозировке волокон в количестве 5 % вне зависимости от ее длины.

3 Использование металлической или базальтовой фибры с длиной, превышающей максимальную крупность заполнителя с дозировкой по объему от 3 до 5 % и содержании цемента более 400 кг / м3, позволяет получить прочность дисперсно-армированного бетона на растяжение при изгибе до 19,5 МПа, что в 3 раза больше по сравнению с бетоном без микроарматуры.

Список использованной литературы

1 Арончик В. Б. Исследование работы армирующего волокна в фибробетоне : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Рига, 1983. 22 с.

2 Баженов Ю. М. Технология бетона. М. : АСВ, 2003. 500 с.

3 Клюев С. В. Экспериментальные исследования фиб-робетонных конструкций // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2011. № 4. С. 71-74.

4 Моргун Л. В. К вопросу о закономерностях формирования структуры бетонов при дисперсном армировании их волокнами // Известия ВУЗов. Строительство. 2003. № 8. С. 56-59.

5 Некрасов В. П. Новейшие приемы и задачи железобетонной техники: система свободных связей // Цемент, его производные и применение: XII съезд русских цементных техников. СПб., 1909. С. 294-348.

6 Пухаренко Ю. В. Принцип формирования структуры и прогнозирование прочности фибробетонов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2004. № 10. С. 47-50.

7 Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов // Вопросы теории и проектирования, технологии, конструкции. М. : АСВ, 2004. 560 с.

8 Рыбасов В. П. К оценке прочности фибробетона // Фибробетон и его применение в строительстве : сб. науч. тр. М. : НИИЖБ, 1979. С. 125-130.

9 Талантова К. В. Основы создания сталефибробетон-ных конструкций с заданными свойствами // Бетон и железобетон. 2003. № 5. С. 4-8.

10 Brandt A. M. Cement-Based Composites : Materials, Mechanical Properties and Performance. London : Spon Press, 2009. 544 p.

11 Saje D., Bandelj B., Sustersic J. et al. Shrinkage and creep of steel fiber reinforced normal strength concrete // Journal of testing and evaluation. 2013. Vol. 41. № 6. P. 1-11.