The Increasing еhe Efficiency of Fiber Reinforced High-Strength Self-Compacting and Carcass Concretes

Full Text

Получение строительных материалов, в том числе бетонов различного назначения, является непреходящей научно-технической задачей. При этом структура бетона как самостоятельный объект изучения и анализа является функцией исходного состава и технологических условий как получения самого материала, так и переработки его в потребительские изделия. Последнее наиболее важно, поскольку каждый материал со структурными особенностями проявляет свои свойства в конструктивно оформленных элементах и самих конструкциях.

С целью достижения высоких показателей долговечности и применения в ответственных конструкциях зданий и сооружений к цементным бетонам, в том числе нового поколения, предъявляются все более высокие требования по физико-механическим и эксплуатационным характеристикам. Реализация названных требований и решение связанных с этим задач в большей степени обеспечиваются за счет применения различных видов армирования. Железобетон рассматривается при этом в качестве основного в ряду конструкционных материалов. Однако, несмотря на значительный уровень развития технологии, накопленный опыт проектирования, производства и эксплуатации железобетона, сохраняются такие его недостатки, как невысокая трещиностойкость и большая масса изготавливаемых конструкций, что некоторым образом ограничивает применение этого материала.

Эффективным способом создания композиционных материалов для изготовления несущих и ограждающих конструкций с улучшенными эксплуатационными свойствами является создание фибробетонов, фибронабрызгбетонов, сталефибробетонов [1–3]. Изменением вида и расхода армирующих волокон можно в широких пределах регулировать их свойства, а именно: ударную вязкость, прочность на растяжение и срез, прочность при изгибе, деформативность, трещиностойкость, морозостойкость, водонепроницаемость.

Иностранный опыт показывает перспективность и эффективность применения дисперсно-армированных бетонов. В этом случае достигается объемное дисперсное армирование, что является перспективным, поскольку стальная арматура работает только в определенном направлении, а волокна фибры распределяются в бетоне равномерно и в разных направлениях.

Фиброармированные бетоны позволяют снизить трудозатраты на армирование конструкций, а также снизить количество используемого металла и бетона за счет более высокой прочности получаемого материала [4]. В исследованиях [5, 6] подчеркивается, что за счет возрастающей трещиностойкости, устойчивости к воздействию статических и динамических нагрузок и соответственно долговечности стоимость материала с такими характеристиками уходит на второстепенный план.

Технология бетона получила ускоренное развитие за последние 50 лет с началом широкого использования композиционных вяжущих веществ, эффективных добавок-модификаторов, улучшающих свойства бетонов и бетонных смесей, а также технологических приемов их изготовления. В результате появились новые виды бетонов.

Наиболее перспективным считается применение дисперсного армирования в мелкозернистых бетонах [7], к разновидностям которых относятся самоуплотняющиеся, высокопрочные реакционнопорошковые и порошково-активированные бетоны. Высокопрочный самоуплотняющийся бетон имеет ряд преимуществ: безвибрационная укладка, долговечность, высокая ранняя прочность.

В то же время большинство недавних исследований сосредоточены на производстве новых эффективных бетонов с использованием компонентов, технологий смешивания и отверждения, применяемых при изготовлении традиционного бетона.

Последние по времени достижения в технологии производства бетона привели к разработке и внедрению нового революционного материала, известного как реакционно-порошковый бетон (RPC) со сверхвысокими эксплуатационными характеристиками (UHPC), который обеспечивает как сверхвысокую прочность, так и требуемую пластичность благодаря методам улучшения микроструктуры с минимальной заданной прочностью 120 МПа [8, 9]. Однако, согласно Комитету ACI 239, минимальная указанная прочность еще выше и составляет 150 МПа. Термин «реакционноспособный порошок» в целом относится к идее о том, что все порошкообразные компоненты в бетоне вступают в химическую реакцию [3, 10]. RPC можно разделить на два класса в зависимости от их сильных сторон: RPC200 и RPC800. Прочность первого при сжатии и растяжении находится в пределах 150–230 и 20–50 МПа соответственно, а значения последних находятся в пределах 500–800 и 45–140 МПа [4, 5, 11, 12]. Другие механические свойства, о которых сообщается в литературе, включают модуль упругости в диапазоне 50–70 ГПа, предельную деформацию при растяжении порядка 1 % и энергию разрушения в диапазоне 12–40 кДж/м² [5, 6, 7, 12–14 и др.]. RPC был разработан в 1990-х гг. научным подразделением Bouygues во Франции [5]. Хотя прошло совсем немного времени с момента его появления, многие исследователи, инженеры и практики стали широко использовать RPC в самых различных областях строительства во всем мире. Сверхвысокая прочность RPC значительно снижает вес конструкции и способствует получению тонких элементов. Действительно, масса конструкций, возведенных с использованием RPC, может составлять треть или половину от массы традиционных конструкций. Кроме того, высокая прочность RPC сделала его наиболее подходящим материалом для высотных зданий и большепролетных конструкций, особенно тех, которые подвергаются воздействию экстремальных погодных условий и противогололедных химикатов. В настоящее время RPC считается перспективным строительным материалом для изготовления настилов мостов, тонкостенных оболочечных конструкций, складских помещений и т. д.

Превосходные свойства RPC достигаются за счет исключения использования крупных заполнителей, ответственных за наиболее слабое сцепление в бетоне, добавления компонентов, богатых кремнеземом, для улучшения отношения SiO₂ к CaO, оптимизации упаковки частиц, снижения отношения воды к связующему и внедрение специальных режимов отверждения [7, 14, 15].

Для получения бетона со сверхвысокой прочностью обычно применяются рекомендации: идеальная кривая гранулометрического состава и характеристики порошкообразных компонентов являются основными факторами упаковки частиц; мелкие заполнители обычно составляют около 41% по массе смесей RPC с размерами частиц в диапазоне от 150 до 600 мкм для повышения однородности смеси (рекомендуемый средний размер частиц составляет около 250 мкм) [8, 16]; предпочтительно применение цемента с низким содержанием C₃A и высокой крупностью [5]; добавление диоксида кремния играет важную роль, обеспечивая формирование вторичных гидратов и заполняя пустоты (содержание диоксида кремния обычно колеблется от 25 до 35 % цементирующих материалов в RPC); для обеспечения низкого водовяжущего отношения (В/В) в смесях RPC необходимо использование суперпластификаторов (СП) высокого качества (наиболее эффективными типами являются СП на основе полиакрилата).

В последние годы в RPC в качестве добавок используют разнообразные наночастицы (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, BN [17–19]), Zr [20], TiO₂ [21, 22] и наноглина [23], которые модифицируют процессы гидратации цемента, повышают долговечность и механические свойства бетона, обеспечивают высокую износостойкость и химическую стойкость к воздействию хлоридов [20, 21, 24–26]. Однако наночастицы оказывают негативное влияние на удобоукладываемость бетона, так как адсорбируют большое количество воды благодаря их развитой площади поверхности [27].

Несмотря на замечательные преимущества RPC, его использование ставится под сомнение из-за повышенных характеристик усадочных деформаций, что оказывает влияние на раннюю и надежную работу бетона. Также сообщается о потере работоспособности из-за увеличения количества захваченного воздуха и, как следствие, повышения пористости [28, 29]. Помимо этих негативных аспектов, было обнаружено, что различия в химическом составе используемых компонентов и распределение частиц наполнителей в объеме также оказывают значительное влияние на свойства смесей. Установлено, что точное дозирование компонентов смеси, а также использование местных материалов для снижения стоимости являются важными показателями [28]. Значительное уменьшение стоимости RPC достигается, например, за счет снижения расхода добавки микрокремнезема или вообще его исключения из порошково-активированных бетонов. В последних используются реакционные и реологические наполнители на основе местных сырьевых материалов: кварцевой муки, известняка и др.

Пропорции компонентов составов обычного RPC и порошково-активированного бетона часто встречаются в литературе [5, 10, 11, 30 и др.].

Исследователями предпринимаются значительные усилия для решения проблем, направленных на продвижение производства и применения порошковых бетонов, что эффективно достигается за счет введения в их состав дисперсной фибровой арматуры.

Стальная фибра в настоящее время является одним из наиболее часто используемых типов волокон в порошковых бетонах, способствующих повышению прочности при изгибе, растяжении, сдвиге, ударной вязкости, пластичности и трещиностойкости. Повышение прочности за счет включения стальных волокон обычно объясняется механизмом их противодействия трещинообразованию. По мере увеличения приложенной нагрузки в конструкции начинают образовываться внутренние трещины. Стальные волокна обладают способностью задерживать зарождение, расширение и распространение трещин, тем самым эффективно увеличивая несущую способность изделий и конструкций.

Установлено снижение прочности с увеличением объемного содержания волокон, что объясняется тем, что волокна после превышения определенного содержания могут во время перемешивания сцепляться друг с другом, образуя «ежи», что приводит к увеличению пористости композита и в конечном итоге снижает прочность при сжатии. В этой связи содержание дисперсной арматуры в фибробетонах должно быть в оптимальных количествах.

В последние годы изучалось влияние включения других типов волокон на свойства композитов. Наряду с металлическими в качестве дисперсной арматуры применяются короткие волокна, которые изготавливают из природных и синтетических неорганических и органических материалов, их основные виды приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Основные виды применяемой дисперсной арматуры

Table 1. Main types of used dispersed reinforcement

Вид дисперсной арматуры	Применяемые материалы
Металлические волокна	Стальные, чугунные, вольфрамовые, молибденовые волокна
Неорганические волокна	Асбестовые, стеклянные, углеродные, из доменных шлаков, базальтовые волокна
Органические волокна	Вискозные, полипропиленовые, полиакрило-нитриловые, полистирольные волокна

 

Альтернативы стальным волокнам дешевле, как правило, они являются более устойчивыми в агрессивных средах и могут улучшить физико-технические свойства строительных изделий.

В отличие от стальных волокон было проведено не так много исследований о влиянии армирования порошковых бетонов другими типами волокон. В большинстве исследований показано незначительное повышение прочности при сжатии. Так, в работе [32] установлено наибольшее повышение прочности при сжатии материалов (примерно на 11,5%) при содержании углеродного нановолокна 0,5%. При дальнейшем увеличении их количества до 2% прочность бетона упала, вероятно потому, что углеродные волокна могут ингибировать гидратацию цемента. Использование волокон из стекла типа S, поливинилспиртовых (PVA) и волокон из натуральной кокосовой койры изучалось в работе [33]. Было обнаружено, что стекло типа S обладает прочностью, сравнимой с прочностью стальных волокон. Волокна PVA, в частности, значительно снижали прочность (47–54%). Было обнаружено, что эти типы волокон вызывают серьезные проблемы с удобоукладываемостью, они не были рекомендованы. Полипропиленовые волокна широко используются в бетоне и обычно применяются для устранения расслоения бетона, что является основной проблемой в RPC. Эти волокна термически стабильны и не препятствуют реакции гидратации бетона благодаря своей гидрофобной поверхности. Но из-за низкого модуля упругости эти типы волокон оказывают незначительное влияние на прочность бетона при сжатии [13, 14].

В литературе отмечается недостаточная эффективность дисперсного армирования в высокопрочных самоуплотняющихся бетонах, что подчеркивает актуальность данной проблемы в области современного материаловедения [8]. Для ее решения в работе рассмотрена целесообразность применения микроволокон взамен классической фибры диаметром 0,8–1,2 мм и длиной 50–70 мм, арматуры различной формы и изготовление бетонных изделий по каркасной технологии.

В настоящее время выпускается дисперсная арматура различных типов и формы для улучшения ее сцепления с бетоном.

Изготовление каркасных бетонов заключается в предварительном создании каркаса путем склеивания между собой зерен крупного заполнителя и последующей пропиткой пор каркаса высокоподвижной матричной составляющей [1, 34–36]. Технология изготовления каркасов по сути такая же, как и крупнопористых бетонов, которые довольно широко применяются в различных областях строительства [2]. В каркасах, используемых для каркасных композитов, лишнее связующее, находящееся в межзерновых пустотах, нежелательно по причине образования препятствий для качественной его пропитки матрицей. Для получения каркасов могут быть использованы самые разнообразные связующие: термореактивные смолы, полимербитумные композиции, полимерцементы, дисперсии мономеров, минеральные цементы, жидкое стекло, гипс, фосфатные, металлические связки и др. [1, 34]. Прочность крупнопористого бетона определяется содержанием и прочностью клеевого вещества, которого в бетоне должно быть ровно столько, чтобы зерна заполнителя обволакивались им пленкой оптимальной толщины. Исследователями апробированы различные приемы, способствующие повышению физико-технических свойств крупнопористых бетонов, например составленных на основе цементных вяжущих, через оптимизацию водоцементного отношения, повышение марки цемента, введение пластификаторов, ускорителей твердения и т. д.

Преимущество композитов каркасной структуры по сравнению с бетонами, изготавливаемыми традиционными методами, заключается в том, что технология их получения позволяет изготавливать в раздельных оптимальных режимах каркас и матрицу, применять различные виды заполнителей и вяжущих, порой даже несовместимых при непосредственном перемешивании, что дает возможность создания материалов с широким спектром регулируемых физико-механических свойств и технико-экономических показателей. Каркасная технология бетонов позволяет увеличить прочность при сжатии и растяжении на 10–15 и 15–30%, повысить сопротивляемость ударным нагрузкам в 2–3 раза, морозостойкость в 1,3–2 раза, снизить расход связующих и истираемость на 10–15% по сравнению с бетонами, получаемыми по традиционной технологии (табл. 2).

 

Таблица 2. Сравнение некоторых характеристик обычного (традиционного) и каркасного бетонов

Table 2. Comparison of some characteristics of conventional (traditional) and carcass concrete

Сравниваемые характеристики	Бетон, полученный по традиционной технологии	Бетон, полученный по каркасной технологии
Прочность при сжатии	1	1,1–1,15
Прочность при растяжении	1	1,15–1,3
Ударная прочность	1	2–3
Морозостойкость	1	1,3–2
Истираемость	1	0,85–0,9
Расход связующего	1	0,85–0,9
Усадочные деформации	1	0,2–0,25

 

Свойства каркасных бетонов можно улучшить за счет добавления в клеевой состав каркаса дисперсной арматуры. Арматура, вводимая в структуру клея, повышает ударную прочность и вязкость разрушения композитов в результате торможения процесса трещинообразования и повышения прочности при растяжении.

Введение в состав бетонов дисперсной арматуры позволяет кардинально улучшать их физико-механические свойства, показатели долговечности и техникоэкономические характеристики.

Целью исследования явилось повышение эффективности дисперсного армирования в высокопрочных порошковых и каркасных бетонах.

Задачи исследования

1. Обосновать способы повышения эффективности самоуплотняющихся бетонов за счет дисперсного армирования волокнами различного типа и анкеровки и применения каркасной технологии.
2. Привести теоретические выкладки по формированию составов дисперсно-армированных бетонов, каркасных бетонов и установлению в них оптимального количественного содержания фибры.
3. Экспериментально установить влияние на плотность и прочность самоуплотняющихся и каркасных бетонов металлической и полимерной дисперсной арматуры.
4. Исследовать влияние различных видов металлической арматуры, отличающихся формой и типом анкера, на подвижность строительных смесей и крепость.
5. Установить оптимальное количественное влияние дисперсной арматуры типов «Весна», «Волна» и «Драмикс» на технологические свойства и крепость бетонных смесей и бетона.
6. Установить эффективность применения дисперсной арматуры «гантельной» формы и каркасной технологии.

Материалы и методы

При выполнении исследований на первом этапе применялись следующие материалы и методы исследований.

В качестве вяжущего был использован белый цемент компании Cemix (Республика Башкортостан). В качестве реакционно-активной добавки использовалась белая сажа БС-100 производства «ЗХК Экотек» (Республика Мордовия). Пластифицирование системы осуществлялось поликарбоксилатным СП компании «Полипласт» (г. Новомосковск). Для увеличения объема дисперсной фазы применялся комбинированный наполнитель из реологически-активных тонкомолотых пород, а именно: кварцевая мука R-6 производства «Раменский ГОК» (Московская обл.) и микрокальцит RM-5 (Челябинская обл.). Для формирования наполненной структуры композита был также использован песок мелкий ПБ-150, производитель «Люберецкий ГОК» (Московская обл.), а в качестве дисперсной арматуры использовалась стальная микрофибра «БМЗ» (Республика Беларусь) и стеклянная фибра «Антикрек шп» (Испания).

При исследовании влияния формы и типа анкеровки дисперсной арматуры на прочность бетона и подвижность бетонных смесей рассматривали металлическую арматуру типов «Весло», «Волна» и «Драмикс», а также фибру гантелеобразной формы, предложенную профессором В.И. Калашниковым (рис. 1).

 

Рис. 1. Виды применяемой дисперсной арматуры: а – «Весло»; b – «Волна»; c – «Драмикс»; d – гантелеобразная фибра

Fig. 1. Types of applied dispersed reinforcement: а – «Paddle»; b – «Wave»; c – «Dramix»; d – Dumbbell-shaped fiber

 

Прочность образцов определяли согласно ГОСТ 10180–2012. Образцы-балочки размером 40×40×160 мм испытывались на изгиб, а на сжатие – кубики размером 100×100×100 мм.

При выполнении исследований на втором этапе применялись следующие материалы и методы исследований. Для приготовления составов применялся портландцемент АО «Мордовцемент» марки 400, песок Воеводского месторождения с модулем крупности М_кр=2, вода питьевая. Количество вводимой по объему дисперсной арматуры составляло 0,5–3%, водоцементное и цементно-песчаное соотношения брались равными соответственно В/Ц=0,55 и Ц/П=1/3. Основные геометрические и прочностные характеристики стальной фибровой арматуры приведены в табл. 3.

 

Таблица 3. Геометрические и прочностные характеристики стальной фибры

Table 3. Geometric and strength characteristics of steel fiber

Наименование стальной фибры (дисперсной арматуры)	Характеристики фибры
	Длина l, мм	Диаметр d, мм	Временное сопротивление разрыву, МПа	Коэффициент вариации, %
«Весло»	50	1	1483	3,92
«Волна»	50	1	1447	3,02
«Драмикс»	50	1	1526	4,06

 

Технология изготовления состояла в первоначальном получении мелкозернистой бетонной смеси с последующим постепенным введением в нее через вибросито дисперсной арматуры. Время перемешивания мелкозернистой бетонной смеси составляло 2 мин, армированной смеси – 3 мин. Образцы-призмы изготавливались размером 40×40×160 мм и уплотнялись 2 мин на вибрационной площадке марки СМЖ 539 М с амплитудой вертикальных колебаний 0,35±0,03 мм и частотой 3000 кол./мин. Подвижность смеси определяли на встряхивающем столике по ГОСТ 310.4–81. Образцы испытывали по ГОСТ 310.4–81 на растяжение при изгибе на машине марки МИИ-100 и сжатие на прессе марки ПСУ-10 через 28 сут выдерживания в нормальных условиях. На растяжение при изгибе испытывали три образца, а их половинки – на сжатие. За контроль принимали составы без армирования, которые изготавливали для каждого вида арматуры, чтобы учесть изменение свойств портландцемента и внешних условий.

 

Рис. 2. Изделия на основе каркасных композитов: а – высокоплотные; b – трехслойного поперечного сечения; 1 – зерна крупного заполнителя; 2 – клеевой слой, соединяющий зерна; 3 – матрица между зернами; 4 – поры и пустоты

Fig. 2. Products based on carcass composites: а – high-density, b – three-layer cross-section; 1 – grains of coarse aggregate; 2 – adhesive layer connecting grains; 3 – matrix between grains; 4 – pores and voids

 

Каркасный бетон, дисперсно-армированный бетон изготавливался с применением цементного связующего, гранитных заполнителей, известняковых наполнителей и дисперсной арматуры по технологии, описанной выше. Структура каркасного дисперсно-армированного бетона приведена на рис. 2.

Результаты и их обсуждение

Согласно исследованиям профессора В.И. Калашникова возможная степень армирования бетонов дисперсной арматурой зависит от ее геометрических размеров и фракции заполнителя. Расстояние между геометрическими центрами дисперсных волокон S′_y предложено подсчитывать по формуле:

S′_y = 13,47d/μ^0,5,

где d – диаметр фибры; μ – степень армирования по объему.

Из приведенной зависимости следует, что расстояние между дисперсными волокнами напрямую зависит от диаметра единичного волокна. Расчеты по определению количества волокон различного диаметра по размерам единичного волокна (d=0,8 мм) и расстояния между ними при степени объемного армирования, равном 0,5%, представлены в табл. 4.

 

Таблица 4. Изменение количества волокон и расстояния между ними от диаметра

Table 4. Changing the number of fibers and the distance between them from the diameter

Диаметр  волокна d, мм	Количество  волокон при  равном суммарном  объеме, шт.	Расстояние  между волокнами  S′y, мм
0,8	1	14,5
0,2	16	3,6
0,15	28	2,55
0,014	3265	0,252
0,008	10000	0,144

 

Из приведенной таблицы следует, что из объема одного волокна стальной фибры (d=0,8 мм) можно получить, например, 16 или 28 шт. отдельных микрофибр диаметром 0,2 или 0,15 мм, которые будут иметь в разы большую площадь поверхности, а соответственно и силу сцепления с матрицей дисперсно-армированного композита.

 

Таблица 5. Составы реакционно-порошковых бетонов

Table 5. Compositions of reaction powder concretes

Компоненты	Содержание компонентов в композите, мас. ч.
	РПБ-F0	РПБ-FG0,8	РПБ-FS4,2
Портландцемент белый «Cemix»	2205	2205	2205
СП «Полипласт»	19,85	19,85	19,85
Белая сажа БС-100	22,05	22,05	22,05
Микрокальцит RM-5	277,8	277,8	277,8
Кварцевая мука R-6	648,3	648,3	648,3
Песок мелкий ПБ-150	3307,5	3307,5	3307,5
Вода	713	713	713
Стеклянная фибра	–	58,3 / 0,8%	–
Стальная фибра	–	–	573/4,2%

 

В табл. 5 и 6 приведены соотношения компонентов и результаты испытаний образцов неармированного (контрольного) реакционно-порошкового бетона и составов, армированных стеклянной и стальной фиброй.

Дисперсное армирование стеклянной фиброй диаметром 0,15 и длиной 18 мм при ее количестве, равном 0,8% по объему, увеличило прочность композита при сжатии на 13,4%, прочность на растяжение при изгибе на 12,6%.

 

Таблица 6. Физико-технические характеристики реакционно-порошковых бетонов

Table 6. Physical and technical properties of reaction powder concretes

Композит	Средняя плотность ρ, кг/м3	Прочность на растяжение при изгибе Rи, МПа	Прочность при сжатии Rсж, МПа
РПБ-F0	2321	13,5	127
РПБ-FG0,8	2356	15,2	144
РПБ-FS4,2	2384	38,7	186

 

Из результатов исследования следует, что дисперсное армирование металлической фиброй диаметром 0,15 и длиной 15 мм при ее содержании, равном 4,2% по объему, способствовало увеличению прочности при сжатии на 46,5%, прочности на растяжение при изгибе на 186,7%. Визуальный осмотр испытанных образцов показал, что большинство волокон не разрываются, а выдергиваются. Из этого можно сделать вывод, что увеличение прочности дисперсно-армированных композитов произошло за счет большого количества контактов поверхностей фибры, т. е. за счет сил трения между волокнами и матричной составляющей композитов.

Было изучено влияние на прочность и подвижность мелкозернистых бетонных смесей введения различных видов металлической дисперсной арматуры. Армирование производилось дисперсной арматурой видов «Весло», «Волна» и «Драмикс» (АSTM А820) (рис. 1). Обработка полученных результатов прочностных и реологических свойств приведена в табл. 7.

 

Таблица 7. Физико-технические свойства мелкозернистой бетонной смеси и бетона, армированного стальной фиброй различного вида

Table 7. Physical and technical properties of fine-grained concrete mix and concrete reinforced with steel fibers of different types

Состав	Содержание фибры µf, % (по объему)	Диаметр расплыва смеси, мм	Прочность на растяжение при изгибе, МПа	Прочность при сжатии, МПа
Стальная фибра «Весло»
1.1	0	105	4,3	13,5
1.2	0,5	99	5,3	15,1
1.3	1	109	5,7	15,6
1.4	1,5	107	7,3	17,6
1.5	2	102	8,8	18,4
1.6	2,5	99	10,9	21,2
1.7	3	97	12,2	19,9
Стальная фибра «Волна»
2.1	0	107	4,6	13,7
2.2	0,5	115	5,3	14,5
2.3	1	113	6,6	15,1
2.4	1,5	110	5,9	15,7
2.5	2	107	8,5	17,8
2.6	2,5	98	9,7	18,6
2.7	3	95	9,6	18,2
Стальная фибра «Драмикс»
3.1	0	105	3,9	15,5
3.2	0,5	101	4,1	16,2
3.3	1	106	4,3	17,3
3.4	1,5	105	4,6	18,8
3.5	2	98	6	19,5
3.6	2,5	94	6,4	20
3.7	3	92	6,2	19,1

 

Из представленных в табл. 7 результатов видно, что при введении стальной фибры всех видов до 1,5% по объему подвижность мелкозернистой бетонной смеси может в незначительных пределах как увеличиваться, так и уменьшаться; при содержании стальной фибры от 1,5 до 3% подвижность смеси для арматуры «Весло», «Волна» и «Драмикс» падает на 3–8; 8–11 и 7–12% соответственно; введение в мелкозернистую бетонную смесь стальной фибровой арматуры «Весло», «Волна» и «Драмикс» в количестве 0,5–3% по объему увеличивает предел прочности на растяжение при изгибе соответственно на 23–184; 15–109 и 5–164%; при сжатии – 12–57; 6–36 и 5–29%; оптимальный процент армирования по объему находится в пределах 2–2,5%.

Дальнейшее повышение прочности фибробетонов возможно за счет усиления анкеровки фибры в матрице. Профессором В.И. Калашниковым [37] было сделано предположение о перспективности применения гантелеобразной микрофибры, изображенной на рис. 1, d. Фибра такого типа была напечатана на 3D-принтере. Проведение испытаний на растяжение при изгибе образцов показало увеличение на 20% прочности материалов, содержащих в своем составе армированную гантелеобразную микрофибру, по сравнению с такими же материалами, но армированными гладкой микрофиброй. Если бы такая фибра была изготовлена из фотополимерной смолы, стали или пучка стекловолокон, то можно было бы ожидать повышения прочности дисперсно-армированных композитов в еще большей степени.

К повышению физико-механических свойств дисперсно-армированных бетонов привело их изготовление по каркасной технологии (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Изменение прочностных свойств дисперсно-армированных каркасных композитов: а – прочность при сжатии; b – прочность при изгибе; c – удельная ударная вязкость; длина волокон: 1 – 1 см; 2 – 2 см; 3 – 3 см

Fig. 3. Changes in the strength properties of dispersed reinforced carcass composites: а – compressive strength; b – bending strength; c – specific impact strength; fiber length: 1 – 1 сm; 2 – 2 сm; 3 – 3 сm

 

Из всего изложенного следует, что разработка эффективных дисперсно-армированных бетонов каркасной структуры для строительных конструкций является перспективной и актуальной задачей.

Выводы

1. При увеличении прочности сцепления фибры с матрицей возможен другой механизм разрушения фибробетона. Представлен теоретический расчет оценки прочности стеклофибробетона и сталефибробетона в случае разрыва волокон разрушения образцов.
2. Стеклофибробетон характеризуется показателями: N=8,3 шт./см²; R_бт=17/8,3=2,05 кг/шт.; R_рф=175/31=5,64 кг. Стекло в данном случае вырабатывает себя только на 36%.
3. Прочность на растяжение при изгибе составляет 15,2 МПа и больше на 1,7 МПа по сравнению с неармированным образцом. В этом случае N=8,3 шт./см²; R_и=5,64×8,3/10+13,5=18,2 МПа; R_рф=175/31=5,64 кг. При выработке стекла на 100% при том же проценте армирования прочность на растяжение при изгибе теоретически возрастает до 18,2 МПа и больше на 4,7 МПа по сравнению с неармированным образцом.
4. Сталефибробетон характеризуется показателями: N=208 шт./см²; R_бт=252/208=1,2 кг/шт.; R_рф=105/31=3,38 кг.
5. Стальные волокна вырабатывают себя на 35%. Прочность на растяжение при изгибе составляет 38,7 МПа и больше на 22,5 МПа по сравнению с неармированным образцом. При этом получены следующие показатели: N=208 шт./см²; R_и=3,38×208/10+13,5=83,8 МПа; R_рф=105/31=3,38 кг.
6. При выработке стальных волокон на 100% при том же проценте армирования прочность на растяжение при изгибе теоретически возрастает до 83,8 МПа и больше на 70,3 МПа по сравнению с неармированным образцом.
7. Выявлено, что содержание в мелкозернистых бетонных смесях стальной фибры типа «Весло», «Волна» и «Драмикс» в количестве более 1,5% приводит к снижению подвижности на 3–8; 8–11 и 7–12% соответственно.
8. Введение в мелкозернистую бетонную смесь стальной фибры «Весло», «Волна» и «Драмикс» в количестве 0,5–3% по объему приводит к увеличению предела прочности на растяжение при изгибе соответственно на 23–184; 15–109 и 5–164%, а при сжатии на 12–57; 6–36 и 5–29%.
9. Оптимальный процент армирования дисперсной арматуры по объему составляет 2–2,5%.
10. Гантелевидная форма фибры, разработанная В.И. Калашниковым, имеет перспективы широкого применения в высокопрочных реакционно-порошковых самоуплотняющихся бетонах, значительно повышая эффективность дисперсного армирования композита. Представленная форма волокна позволяет задействовать прочность материала фибры на 100%, что существенно увеличит прочность бетона при изгибе. Технология же производства такого волокна требует развития.
11. Показана перспективность изготовления дисперсно-армированных изделий по каркасной технологии. В этом случае достигается значительное увеличение прочности при сжатии и изгибе, удельной ударной вязкости.

About the authors

V. T. Erofeev

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: erofeevvt@bk.ru

Academician of RAASN, Doctor of Sciences (Engineering)

Russian Federation, 26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337

O. V. Tarakanov

Penza State University of Architecture and Construction

Email: tarov60@mail.ru

Doctor of Sciences (Engineering)

Russian Federation, 28, Germana Titova Street, Penza, 440028

S. V. Ananyev

Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletov

Email: ntsmos@yandex.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, 87, Gorkogo Street, Vladimir, 600000

V. V. Lesnov

National Research Mordovian State University named after N.P. Ogarev

Email: vvl377mgu@rambler.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, 68, Bolshevistskaya Street, Saransk, 430005

I. V. Erofeeva

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Email: ira.erofeeva.90@mail.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, 26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337

Ya. A. Sanyagina

Scientific-Research Institute of Building Physics of RAACS

Email: sanyagina@mail.ru

Engineer

Russian Federation, 21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238

N. S. Sidorov

Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletov

Email: ntsmos@yandex.ru

Student

Russian Federation, 87, Gorkogo Street, Vladimir, 600000

Y. S. Ananyeva

Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletov

Email: ntsmos@yandex.ru

Student

Russian Federation, 87, Gorkogo Street, Vladimir, 600000

References

Supplementary files