Research of technical characteristics of glass-fiber concrete

Full Text

Применение стеклофибробетона – композита, состоящего из бетонной матрицы и армирующего стеклянного волокна, в России началось еще в 50-х гг. прошлого века [1].Однако сравнительно высокая стоимость, низкая стойкость к щелочной среде, отсутствие глубоких исследований физико-химических показателей материала, которые оказывают большое влияние на прочностные, деформационные характеристики и долговечность конструкций из стеклофибробетона, не позволили материалу найти широкое применение в строительстве.

После изготовления щелочестойкого стеклянного волокна конструкции из стеклофибробетона начали постепенно завоевывать свою нишу в строительстве. Неподверженность коррозии, значительно малый вес по сравнению с фибробетоном, повышенная прочность на растяжение по сравнению с обычной бетонной матрицей делают стеклофибробетон перспективным материалом, в том числе при усилении конструкций зданий и сооружений. При разработке методик усиления железобетонных и бетонных конструкций на химических и нефтеперерабатывающих предприятиях необходимо применять ремонтные материалы, имеющие повышенную коррозионную стойкость, высокие прочностные и адгезионные характеристики [2].

Известны исследования прочностных характеристик стеклофибробетона с использованием стеклофибры производства фирмы Saint-Gobain Vetrotex, а также продукции китайских производителей [3]. В нашем исследовании было принято решение использовать материалы, изготовленные отечественными организациями.

Для исследования стеклофибробетона были изготовлены образцы в виде балочек 160×40×40 мм. Всего было испытано три серии образцов. Каждая серия состояла из контрольных образцов, изготовленных из мелкозернистого бетона без введения фибры и образцов с различным объемом стеклофибры.

При изготовлении образцов в качестве вяжущего был использован портландцемент марки М500 «ЦЕМ 42,5Б ГОСТ 31108».

В качестве мелкого заполнителя в исследовании образцов использовались следующие материалы:

а) камский песок по ГОСТ 8736 «Песок для строительных работ» с модулем крупности М_кр = 2,56. Гранулометрический состав камского песка представлен в табл. 1.

 

Таблица 1

Остатки на ситах	Размер отверстий сит, мм
	2,5	1,25	0,63	0,315	0,16	<0,16
Частные, г	156	92	113	456	162	21
Частные, %	15,6	9,2	11,3	45,6	16,2	2,1
Полные, %	15,6	24,8	36,1	81,7	97,9	-

 

М_кр = (15,6 + 24,8 + 36,1 + 81,7 + 97,9)/100 = 2,56;

б) монофракционный вольский песок по ГОСТ 6139 «Песок для испытаний цемента» для определения активности цемента;

в) волжский мелкий песок по ГОСТ 8736 «Песок для строительных работ» с модулем крупности М_кр = 1,46. Гранулометрический состав волжского песка представлен в табл. 2.

 

Таблица 2

Остатки на ситах	Размер отверстий сит, мм
	2,5	1,25	0,63	0,315	0,16	<0,16
Частные, г	1,2	2,1	11,6	599,6	216,9	168,6
Частные, %	0,12	0,21	1,16	59,96	21,69	16,86
Полные, %	0,12	0,33	1,49	61,45	83,14	-

 

М_кр = (0,12 + 0,33 + 1,49 + 61,45 + 83,14)/100 = 1,46.

Для дисперсного армирования бетона применялась щелочестойкая фибра производства ООО «СевКомпозит», используемая в качестве армирующей добавки в различных видах строительных смесей: штукатурки, шпатлевки, плиточного клея, стяжки пола, производства всех видов бетона и изделий из него, белого цвета, длиной волокон 18 мм. Страна-изготовитель ‒ Россия.

 

Рис. 1. Стеклянное армирующее волокно длиной L=18 мм, ООО «СевКомпозит»

 

В целях улучшения характеристик бетонной смеси использовался гиперпластификатор третьего поколения «ПОЛИПЛАСТ» на основе поликарбоксилатного эфира. Продукт Линамикс ПК-7, дозировка 0,2-1 %, концентрация 50 %.

При приготовлении стеклофибробетонной смеси был определен расход материалов на каждый замес объемом, необходимым для изготовления образцов в виде балочек определенного количества по пособию Ю.М Баженова [4].

До проведения испытания в возрасте 7 и 28 сут образцы выдерживали в нормальных условиях твердения.

Испытания прочности образцов на сжатие и растяжение при изгибе проводились в соответствии с ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».

Для разработки методики введения стеклофибры в бетонную смесь серии образцов для испытаний изготавливали различным способом.

Все компоненты состава бетонной смеси в первой (пробной)серии перемешивались в сухом виде, вода вводилась постепенно в процессе перемешивания. При изготовлении образцов по указанной технологии было отмечено, что во время перемешивания в сухом виде смесь образует комки с фиброй, что приводит к неравномерному распределению стеклянного волокна в бетонной смеси (рис. 2).

 

Рис. 2. Комкование при добавлении фибры в сухом виде

 

Изготовленные образцы испытывались в возрасте 7 и 28 сут (рис. 3).

 

Рис. 3. Процесс испытания образцов на растяжение при изгибе

 

Анализ результатов испытаний первой серии образцов показал, что с увеличением количества фибры прочность на изгиб начинает возрастать, при этом не уменьшая прочность при сжатии. Также был выявлен ряд проблем:

• способ введения и распределения фибры (при неравномерном введении фибры в состав наблюдается снижение прочности);
• обязательное введение пластифицирующих добавок в фибробетонном составе;
• правильный и рациональный подбор мелкого заполнителя (нерационально использовать мелкие пески с высокой водопотребностью);
• увеличение процента армирования стекловолокном.

Для повышения удобоукладываемости фибробетонной смеси во второй серии образцов применяли гиперпластификатор третьего поколения «ПОЛИПЛАСТ» на основе поликарбоксилатного эфира в количестве 1 % от массы бетонной смеси. Все образцы имели одинаковый состав при водоцементном соотношении В:Ц = 0,397.

Для изготовления фибробетонных образцов второй серии был использован средний песок Камского месторождения с модулем крупности М_кр = 2,23. Стеклянное фиброволокно вводилось в состав бетонной смеси в количестве 0,6; 0,8; и 1 % от массы бетонной смеси. Состав второй серии образцов фибробетона представлен в табл. 3.

 

Таблица 3

Состав	Ц : П = 1:3
Цемент ЦЕМ 42,5Б ГОСТ 31108-2020, г	529	529	529	529
Песок средний камский, г	1569	1569	1569	1569
Вода, мл	210	210	210	210
Фибра стеклянная, %	-	0,6	0,8	1
Гиперпластификатор, %	1	1	1	1
В/Ц	0,397	0,397	0,397	0,397
Средняя плотность, г/см3	2,340	2,293	2,317	2,280

 

Фибру добавляли в часть воды затворения, хорошо перемешивали, чтобы волокна распределились и затем добавляли в бетонную смесь в процессе замешивания (рис. 4).

 

Рис. 4. Добавление фибры в часть воды затворения

 

При подборе состава бетонной смеси удобоукладываемость подбиралась таким образом, чтобы смесь можно было легко наносить на поверхность при проведении ремонтных работ и при этом смесь при нанесении уверенно держалась на вертикальных поверхностях.

Экспериментальным путем были подобраны составы с подвижностью П1 (ОК 1 – 4 см) по ГОСТ 10181. При этом, так как смесь мелкозернистого бетона с добавлением фибры можно рассматривать как разновидность специального раствора (для проведения ремонтных работ), также проводились испытания по определению подвижности по величине погружения стандартного конуса по ГОСТ 5802 (рис. 5). В результате пробных замесов бетонной смеси было установлено, что при получении показателя осадки конуса 1 – 4 см значение погружения конуса было в диапазоне 3 – 4 см.

 

Рис. 5. Определение подвижности фибробетонной смеси

 

При этом, несмотря на относительно невысокую подвижность, смесь легко наносится на поверхность и удерживается на ней. Введение фибры вместе с пластифицирующей добавкой изменяет реологические свойства, влияя на тиксотропность смеси. Осадка конуса в 1–4 см объясняется тем, что фибра, особенно при высоких дозировках, связывает бетонную смесь, не давая ей растекаться.

Пределы прочности образцов стеклофибробетона и контрольных образцов второй партии при изгибе представлены в табл. 4.

 

Таблица 4

Возраст образцов, сут	Количество фибры, %			Контрольный образец
	0,6	0,8	1
	Предел прочности при изгибе, кг/см2
7	68,2	71,5	78,6	69,21
28	72,36	88,64	84,92	76,88

 

Максимальные нагрузки и деформации образцов представлены на рис. 6.

 

Рис. 6. Результаты испытаний прочности при изгибе стеклофибробетонных образцов 2-й серии на 28-е сут с процентом армирования: а – 0,6 %; б – 0,8 %; в – 1 %

 

Анализ результатов испытаний второй серии образцов показывает, что с увеличением количества фибры до 0,8 % от массы бетонной смеси прочность при изгибе начинает возрастать на 16,32 % по сравнению с образцами с процентом армирования, равным 0,6 % от массы бетонной смеси. После увеличения процента фибры до 1 % показатель прочности при изгибе снизился на 4,2 % по сравнению с образцами с показателем армирования 0,8 %. Наилучшие прочностные характеристики в возрасте 28 сут имеют образцы мелкозернистого бетона с стеклофиброармированием, равным 0,8 % от массы бетонной смеси. Таким образом, стеклофибробетон имеет лучшие показатели прочности при изгибе, а именно они выше на 13,3 % по сравнению с контрольными образцами.

 

Рис. 7. Зависимость предела прочности фибробетона при изгибе от степени армирования стеклянным фиброволокном

 

Характер разрушения стеклофибробетонного образца при испытании на изгиб показан на рис. 8.

 

Рис. 8. Образец – балочка с фиброй (вторая партия) после испытания на изгиб

 

Образцы испытывали также на сжатие. Пределы прочности образцов стеклофибробетона и контрольных образцов второй серии при сжатии представлены в табл. 5.

 

Таблица 5

Возраст образцов, сут	Количество фибры, %			Контрольный образец
	0,6	0,8	1
	Предел прочности при сжатии, Н/мм2
7	32,0	41,6	39,2	40,0
28	53,12	53,92	48,48	53,94

 

Данные исследований второй серии показывают, что с увеличением процента армирования до 1 % показатели прочности при сжатии начинают снижаться. Наилучшие и максимально приближенные показатели прочности на сжатие к показателям мелкозернистого бетона (контрольный образец) имеют образцы с фиброармированием, равным 0,8 %.

 

Рис. 9. Зависимость предела прочности фибробетона при сжатии от степени армирования стеклянным волокном

 

Обобщенный анализ результатов испытаний на сжатие и изгиб позволяет сделать выводы, что наилучшим вариантом для дальнейшего расчета является стеклофибробетон с показателем армирования 0,8 % от массы бетонной смеси при R_сж = 53,92 МПа и R_изг = 88,64 кг/см².

При определении водопоглощения испытуемых образцов было установлено, что введение стеклофибры не приводит к повышению данного показателя.

Для исследования зависимости прочности образцов от мелкого заполнителя была изготовлена третья серия образцов стеклофибробетона с тем же составом и водоцементном соотношением, что и образцы второй серии, но в качестве мелкого заполнителя принят песок Волжского месторождения с модулем крупности М_кр = 1,46.

Стеклянное фиброволокно вводилось в состав бетонной смеси в том же количестве, что и для образцов второй партии: 0,6; 0,8 и 1 % от массы бетонной смеси. Состав образцов стеклофибробетона и контрольных образцов третьей партии представлен в табл. 6.

 

Таблица 6

Состав	Ц : П=1:3
Цемент ЦЕМ 42,5Б ГОСТ 31108-2020, г	529	529	529	529
Песок мелкий волжский, г	1569	1569	1569	1569
Вода, мл	210	210	210	210
Фибра стеклянная, %	-	0,6	0,8	1
Гиперпластификатор, %	1	1	1	1
В/Ц	0,397	0,397	0,397	0,397
Средняя плотность, г/см3	2,160	2,150	2,220	2,250

 

Пределы прочности образцов стеклофибробетона и контрольных образцов третьей партии при изгибе представлены в табл. 7.

 

Таблица 7

Возраст образцов, сут	Количество фибры, %			Контрольный образец
	0,6	0,8	1
	Предел прочности при изгибе, кг/см2
7	62,28	65,74	66,58	57,28
28	71,22	76,24	78,2	70,74

 

Максимальные нагрузки и деформации образцов представлены на рис. 10.

 

Рис. 10. Результаты испытаний прочности при изгибе стеклофибробетонных образцов 3-й серии на 28-е сут с процентом армирования: а – 0,6 %; б – 0,8%; в – 1 %

 

Результаты исследований третьей партии показывают, что с увеличением количества фибры до 1 % от массы бетонной смеси прочность при изгибе начинает возрастать на 9,54 % по сравнению с контрольными образцами без фибры. Фибробетонные образцы с процентом армирования, равным 1 %, также выше на 2,5 %, чем у образцов с процентом армирования, равным 0,8, и на 8,93 % выше, чем у образцов с показателем армирования, равным 0,6 %.

 

Рис. 11. Зависимость предела прочности фибробетона при изгибе от степени армирования стеклянным фиброволокном

 

Пределы прочности образцов стеклофибробетона и контрольных образцов третьей партии при сжатии представлены в табл. 8.

 

Таблица 8

Возраст образцов, сут	Количество фибры, %			Контрольный образец
	0,6	0,8	1
	Предел прочности при сжатии, Н/мм2
7	25,32	26,59	29,28	29,41
28	35,31	44,11	38,51	41,01

 

Данные исследований третьей серии образцов показывают, что наилучшие показатели прочности при сжатии имеют стеклофибробетонные образцы с показателем армирования 0,8 %. С увеличением процента армирования до 1 % показатели прочности при сжатии начинают снижаться.

Сравнительная характеристика показателей прочности образцов от вида мелкого заполнителя представлена в табл. 9, 10.

 

Таблица 9

Номер партии	Количество фибры, %			Контрольный образец
	0,6	0,8	1
	Предел прочности при изгибе, МПа
Вторая серия: с заполнителем – песок группы «средний»	7,2	8,9	8,5	7,7
Третья серия: с заполнителем – песок группы «мелкий»	7,1	7,6	7,8	7,1

 

Таблица 10

Номер партии	Количество фибры, %			Контрольный образец
	0,6	0,8	1
	Предел прочности при сжатии, МПа
Вторая серия: с заполнителем – песок группы «средний»	53,12	53,92	48,48	53,94
Третья серия: с заполнителем – песок группы «мелкий»	35,31	44,11	38,51	41,01

 

Сравнительный анализ второй и третьей серий образцов показывает, что образцы с заполнителем – песок группы «средний» имеют лучшие показатели прочности при изгибе и сжатии.

 

Рис. 12. Зависимость предела прочности фибробетона при сжатии от степени армирования стеклянным фиброволокном

 

При проведении ремонтных работ одним из главных критериев, влияющих на качество их выполнения, является адгезионная прочность. При исследовании данного показателя был принят состав третьей серии образцов стеклофибробетона с соответствующими показателями армирования (табл. 6).

 

Рис. 13. Образцы с фиброй и контрольным составом без фибры перед испытанием на адгезионную прочность

 

Наличие на поверхности тонкого слоя бетонной пыли, цементных пленок, органических загрязнений может значительно снизить показатели адгезии, поэтому перед началом нанесения ремонтного состава поверхность должна быть тщательно подготовлена. Прочность ремонтного состава должна быть не ниже прочности основания.

Нанесенный на поверхность ремонтный состав в процессе твердения цементного камня находится в напряженно-деформированном состоянии в процессе усадки. Значительные перепады температур в процессе эксплуатации также могут привести к нарушению целостности и появлению микротрещин. По данным авторов [5, 6], введение фибры в мелкозернистые бетонные смеси позволяет снизить усадочные деформации, что в свою очередь положительно сказывается на адгезионной прочности. Показатели адгезионной прочности были измерены при помощи прибора ПСО МГ4 и приведены в табл. 11.

 

Таблица 11

Количество фибры, %	Показатели прочности, МПа		Среднее значение прочности, МПа
Контрольный состав, без фибры	0,44	0,46	0,45
0,6	0,55	1,05	1,6
0,8	1,64	2,03	1,835
1	1,13	2,15	1,64

 

Результаты испытаний показывают, что введение фибры в состав ремонтной смеси увеличивает адгезионную прочность, что, в свою очередь, позволяет использовать данный состав при проведении ремонтных работ.

 

Рис. 14. Характер разрушения образцов: а – контрольный; б − со стеклофиброй

 

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Вводить стеклофибру в состав бетонной смеси целесообразно в часть воды затворения, а не в сухом виде, также обязательно введение в фибробробетонный состав пластифицирующих добавок.
2. Нецелесообразно использовать мелкие пески с высокой водопотребностью.
3. Процент армирования фибры в бетонную смесь при ручном способе ввода не должен превышать 1 % ввиду сложности её однородного распределения в смеси.
4. Исследование физико-механических свойств стеклофибробетона показали, что наиболее оптимальный процент армирования стеклофибробетона при ручном способе введения фибры составил 0,8 % стеклянного волокна от массы бетонной смеси.
5. Отмечено увеличение адгезионной прочности бетонного состава с добавлением стеклянного волокна, что позволяет использовать его при ремонте и усилении железобетонных конструкций.

About the authors

Nadezhda V. Kondratyeva

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: samstroyisp@gmail.com

Academy of Civil Engineering and Architecture
PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Building Structures Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Mariia A. Golovatyuk

LLC SamaraNIPIneft

Email: miss2010@mail.ru

Master’s Degree Student of Academy of Civil Engineering and Architecture, Engineer of the Building Department

Russian Federation, 443010, Samara, Vilonovskaya str., 18

References

Supplementary files