PROGRAM AND RESULTS OF EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF FIBER CONCRETE PRODUCED BY THE MECHANICAL TECHNOLOGY OF CREATING AGGREGATE ORIENTED FIBER REINFORCEMENT
Abstract and keywords
Abstract (English):
Statement of the problem. The pace of development of modern construction creates the need to develop new technologies that make it possible to impart special properties to classical building materials, allowing them to expand the range of their application. The developed technology of mechanical distribution and orientation along the fiber fibers acting in the structure of tensile stresses in the body of linear fiber-reinforced concrete and fiber-reinforced concrete elements can provide more efficient use of fiber-dispersed reinforcement by including more fibers in the work of the section. It is necessary to develop a program of experimental studies of the strength and deformation properties of fiber-reinforced concrete in order to test the technology of laying fiber-reinforced concrete mixture developed by the authors. Results. A program of experimental studies of the strength and deformation characteristics of fiber-reinforced concrete, manufactured using the mechanical technology for creating aggregated oriented fiber reinforcement, is presented. The results of experiments carried out in accordance with the developed program are also presented. Conclusions. The presented program of experimental studies of the characteristics of fiber-reinforced concrete, made according to the technology developed by the authors for the mechanical creation of aggregated oriented fiber reinforcement, became the basis for experimental studies, the purpose of which was to test the technology developed by the authors for the mechanical laying of a fiber-reinforced concrete mixture with a uniform distribution of fiber fibers in a concrete matrix, as well as obtaining new data on the mechanical and deformative properties of such fiber-reinforced concrete.

Keywords:
concrete, reinforced concrete, fiber-reinforced concrete, prestressed structures, use of materials in structures and calculations
Text

Введение

Бетонные и железобетонные конструкции уверенно занимают одну из важнейших ролей в строительной отрасли. Даже на сегодняшний день рост объемов современного строительства неразрывно связан с ростом применения бетона. Этот материал доказал свою эффективность многолетней практикой применения.  Однако, наряду с его преимуществами, хорошо известен и основной недостаток – малая прочность на растяжение по сравнению с прочностью на сжатие. В железобетонных конструкциях он нивелируется введением арматурных стержней вдоль действия основных напряжений, действующих в элементе, что позволяет ему воспринимать значительные эксплуатационные нагрузки без разрушения. Но такое армирование не предотвращает образование не только видимых трещин, возникающих при деформировании элемента под нагрузкой, но и микротрещин, которые образуются не только при нагружении элемента, но и на этапе твердения железобетонной конструкции, в процессе усадки бетона. Этот фактор приводит к снижению итоговой прочности конструкции и значительно снижает ее долговечность. Введение в бетонную смесь фибрового дисперсного армирования позволяет значительно увеличить трещиностойкость бетона, а также препятствует не только развитию появившихся микротрещин, но и снижает их общее количество [1]. Особенности создания фибробетонной смеси таковы, что если с вопросом равномерного распределения фибровых волокон в теле железобетонного элемента сложностей не возникает, то направление волокон всегда хаотично. Отклонение каждого отдельно взятого волокна от линии действия основных растягивающих напряжений в элементе приводит к снижению его вклада в работу сечения, пропорционально степени его отклонения. В результате, фибровое дисперсное армирование не реализует свой потенциал полностью, что открывает вопрос о возможности повышения его эффективности путем создания технологии, позволившей бы расположить фибровое дисперсное армирование ориентированно вдоль действия основных растягивающих напряжений, действующих в железобетонном элементе. Существующие на данный момент технологии, позволяющие получить частично ориентированное расположение фибровых волокон в бетонной матрице, в основном, направлены на ориентирование волокон в заданном направлении уже после перемешивания их с бетонной смесью. Однако, после перемешивания фибры с бетоном, полученная фибробетонная смесь имеет повышенную жесткость, а фибровые волокна распределены в ней хаотично и неравномерно, вплоть до образования комков из фибровых волокон, что сильно усложняет процесс укладки такой смеси в опалубку и препятствует получению однородного состава [2]. После этого произвести процесс создания ориентированного направления фибровых волокон затруднительно даже с использованием магнитного поля. Добавим также, что в представленных на данный момент технологиях создания направленного ориентирования фибровых волокон в теле фибробетонного элемента одним из условий является отсутствие крупного заполнителя, что неприемлимо применительно к реальным строительным конструкциям.

Разработанная авторами и изложенная в работах [3,4] технология укладки фибробетонной смеси позволит не только улучшить механические свойства фибробетонной смеси, но и приведет к более равномерному распределению волокон в теле фибробетонного элемента, позволяя получить более однородные фибробетоны с гарантированными проектными свойствами. Также, укладка фибробетонной смеси по разработанной авторами механической технологии позволит создать агрегированное ориентированное фибровое армирование, позволяющее обеспечить наиболее полное включение в работу сечения каждого фибрового волокна за счет его ориентирования вдоль действующих в элементе растягивающих напряжений. Однако для практической апробации и оптимизации предложенной авторами технологии необходимо провести экспериментальные исследования, предполагающие получение новых данных о физико-механических свойствах фибробетонов с агрегированным ориентированным расположением армирующих волокон, изготовленных по новой, предложенной авторами, технологии укладки фибробетонной смеси.

1. Программа экспериментальных исследований

Для проверки эффективности предлагаемой технологии и исследования свойств и диаграмм фибробетона с ориентированным агрегированным расположением волокон была разработана программа экспериментальных исследований, предусматривающая изготовление 36 опытных образцов для последующих испытаний на осевое сжатие, осевое растяжение и растяжение при изгибе (Рис. 1).  
 

Рис. 1. Программа экспериментальных исследований бетонных и фибробетонных опытных образцов с произвольным распределением и расположением волокон и с агрегированным ориентированным расположением фибр.

 

В представленной авторами программе экспериментальных исследований рассматривается влияние наличия фибрового дисперсного армирования, используемой технологии укладки фибробетонной смеси, конструкции ориентирующего элемента установки для укладки фибробетонной смеси, вида напряженно-деформированного состояния и типа образцов.

Для получения данных о прочности на осевое сжатие предполагается изготовить 12 призм 10х10х100 для испытания на осевое сжатие, 12 призм 10х10х100 для испытания на растяжение при изгибе и 12 образцов-восьмерок для испытания на осевое растяжение. При этом, полученные данные будут контролироваться с помощью эталонных образцов, а также, с помощью метода прямого сопоставления будет определяться непосредственное влияние каждого из варьируемых факторов.

Опытные образцы будут разделены на 3 партии по 12 образцов, в зависимости от вида испытания. 3 образца из каждой партии являются эталонными и не будут содержать фибрового дисперсного армирования. Это необходимо для получения данных о фактической прочности бетона, используемого в экспериментах. Для оценки влияния предложенной авторами технологии укладки фибробетонной смеси на физико-механические свойства фибробетона, оставшиеся 9 образцов будут разделены на 2 части. 3 образца будут содержать фибровое дисперсное армирование с произвольным расположением армирующих волокон, а в остальных 6 с помощью предложенной авторами механической технологии будет создано агрегированное ориентированное расположение фибровых волокон. Эти образцы также будут делиться на 2 группы по 3 образца, в зависимости от типа конструкции выравнивающего элемента установки для укладки фибробетонной смеси.

Предложенная программа исследований позволит путем прямого сопоставления достаточно подробно оценить влияние каждого варьируемого фактора на прочностные и деформативные свойства используемых в экспериментах фибробетонов.

2. Изготовление опытных образцов
Для реализации разработанной авторами программы исследований было изготовлено 36 опытных образцов из тяжелого бетона проектного класса В25. В качестве минеральных компонентов бетонной смеси использовались: портландцемент завода ОАО «Новоросцемент» марки ПЦ 500-Д20 по ГОСТ 10178-85; щебень фракции 10 мм, прочностью 140 МПа, Бесланского карьера, с содержанием пылеватых и глинистых частиц 0,3-0,8%; песок кварцевый речной с модулем крупности 1,6-1,8, насыпной плотностью 1510 кг/м3. Для увеличения подвижности бетонной смеси и улучшения сцепления с фиброй была использована добавка «Оптимист Суперпластификатор С409». Состав бетонной смеси был одинаковым для всех опытных образцов, подбирался расчетно-экспериментальным методом и приведен в Табл. 1. В смесь для фибробетонных образцов добавлялось фибровое армирование в кол-ве 2% от объема бетона.

 

Таблица 1.

Состав тяжелого бетона проектного класса В25 естественного твердения

Бетон класса

Расход материалов на 1м3 бетона, кг

Ц

П

Щ

В

Пластификатор

В25

459

657

1066

185

8,5

В качестве фибрового дисперсного армирования была принята анкерная фибра ФСВ-А-1,0/50, выпускаемая ЗАО «Танис» по ТУ РБ 400518274.004-2009, из рессорно-пружинной стали 70-85 с временным сопротивлением разрыву 2200 МПа, с латунным антикоррозионным покрытием. Номинальный диаметр волокон составил 1,0 мм, длина фибры — 50 мм.

Бетонная и фибробетонная смесь изготавливалась одним замесом для всех опытных образцов, в бетоносмесителе принудительного действия.

Уплотнение смеси для бетонных и фибробетонных образцов с хаотичным расположением волокон осуществлялось на вибростоле, а смеси для образцов с ориентированным агрегированным армированием - с помощью разработанной авторами мобильной установки. Схема установки для укладки фибробетонной смеси приведена в статьях, изданных ранее [3,4].

Разопалубка опытных образцов производилась на 7 сутки. Образцы хранились при влажности воздуха 89% и температуре от 20 до 23°С.

3. Результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативных свойств фибробетонов с ориентированным агрегированным фибровым армированием

Прочностные и деформативные характеристики бетона и сталефибробетона при осевом сжатии определялись на стандартных призмах ступенчато возрастающей нагрузкой. Деформации бетона на каждой ступени нагружения измерялись электротензодатчиками сопротивления и механическими деформометрами. Начальный модуль упругости определялся при 30% от разрушающей нагрузки.

Всего на осевое сжатие было испытано 12 опытных образцов-призм. Из них 3 эталонные, не содержащие фибрового дисперсного армирования, 3 фибробетонные с хаотичным расположением фибровых волокон и 6 с фибровым агрегированным ориентированным армированием, которые также были разделены на 2 группы по 3 образца, в зависимости от типа выравнивающего элемента установки для укладки фибробетонной смеси. Общий вид испытаний на осевое сжатие образцов-призм приведен на Рис. 2.

 

Рис. 2. Общий вид испытаний образцов-призм на осевое сжатие.

 

При проведении испытаний отмечено, что характер разрушения бетонных и фибробетонных призм при сжатии кардинально отличался. Для бетонных призм было характерно хрупкое, мгновенное разрушение с появлением вертикальной магистральной трещины. Фибробетонные образцы разрушались вязко, при этом даже после разрушения, части призм оставались соединёнными фибрами.

Для определения характеристик бетона и фибробетона на осевое растяжение было испытано 12 образцов-«восьмёрок» размером 100х100х700мм. Для получения дополнительных данных о влиянии типа гребёнки на изменение прочности и определения значения коэффициента перехода от прочности при осевом растяжении к растяжению при изгибе были проведены испытания на растяжение при изгибе 12 призм 100х100х700мм по ГОСТ 10180-2012.

В каждом виде испытаний по 3 образца были изготовлены из обычного бетона и по 9 - из фибробетона. Как и при испытаниях при сжатии, в 3 фибробетонных образцах фибры располагались произвольно, а в 6 – агрегированно и ориентированно. Последние также делились на две группы, по 3 образца в каждой, в зависимости от типа гребёнки в процессе ориентирования.

Для испытания «восьмёрок» на осевое растяжение использовались захваты, обеспечивающие соосность усилий. На каждом этапе нагружения производились замеры деформаций бетона с помощью тензодатчиков и механических деформометров. Появление первой микротрещины в фибробетонных образцах характеризовалось резким увеличением показаний одного из тензодатчиков, по которому прошла трещина, с уменьшением показаний соседних датчиков.

При испытаниях на осевое растяжение и растяжение при изгибе, после достижения максимальной нагрузки образцы из бетона разрушались практически мгновенно. Разрушение фибробетонных образцов, за счёт постепенного выдёргивания фибр из бетона и восприятия растягивающих усилий фиброй в трещине, проходило не так резко - после разрушения фибробетонные образцы какое-то время продолжали воспринимать нагрузку, а её снижение происходило с плавным нарастанием деформаций.

Результаты проведенных экспериментов приведены в табл. 2-4. Кривые деформирования бетона при сжатии и растяжении соответственно приведены на рис. 3-4.

 

Таблица 2.

Результаты испытаний бетона и фибробетона на сжатие

Серия

Материал

Опытные значения

прочности,

МПа

Средние отклонения

Rfb от Rb,

%

Начальный модуль упругости,

МПа∙10-3

Отклоне-ния

Efb от Eb

%

Класс бетона прочности на сжатие

В

1

Бетон

35,53

-

31,6

-

25

2

Фибробетон с произвольным расположением фибр

53,39

50,27

35,8

13,3

40

3

Фибробетон с агрегированным ориентированным расположением фибр гребёнкой I типа [3]

58,24

63,92

37,0

17,1

45

4

Фибробетон с агрегированным ориентированным расположением фибр гребёнкой II типа [3]

54,63

53,76

36,1

14,2

45

Примечание: значения призменной прочности приведены с учётом масштабного коэффициента α=0,95

 

Рис. 3. Диаграммы деформирования бетона и фибробетона при сжатии:

  1. бетон; 2 - фибробетон с произвольным расположением фибр; 3 - фибробетон с усредненным ориентированным расположением фибр;

 

 

Таблица 3.

Прочности бетона и фибробетона на осевое растяжение и растяжение при изгибе

Серия

Материал

Вид силового воздействия

Коэффициент перехода от прочности при осевом растяжении к растяжению при изгибе

Осевое растяжение

Растяжение при изгибе

Опытные значения средней прочности

МПа

Средние отклонения

Rвхрfbt

от  Rвхрbt,

%

Опытные значения средней прочности,

МПа

Средние отклонения

Rвхрfbt

от  Rвхрbt,

%

1

Бетон

1,53

-

2,89

-

0,53

2

Фибробетон с произвольным распределением фибр

4,10

167,9

7,59

162,6

0,54

3

Фибробетон с агрегированным ориентированным расположением фибр гребёнкой I типа [3]

5,57

264,0

9,94

243,9

0,56

4

Фибробетон с агрегированным ориентированным расположением фибр гребёнкой II типа [3]

5,15

236,6

9,36

223,9

0,55

Примечание: значения прочности на растяжение приведены c учётом масштабных коэффициентов β=0,92 и δ=0,92

 

Рис. 4. Усредненные опытные диаграммы деформирования фибробетона при осевом растяжении: 1- фибробетон с произвольным и 2- усредненные с ориентированным расположением фибр

 

Таблица 4.

Сравнение прочности фибробетона с произвольным и агрегированным ориентированным расположением волокон при сжатии и растяжении

Серия

Материал

Вид силового воздействия

Осевое сжатие

Осевое растяжение

Опытные значения

средней  прочности,

МПа

Средние отклонения

Rfb с произвольным распределением фибр от ориентированного,

%

Опытные значения средней прочности,

МПа

Средние отклонения

Rвхрfbt с произвольным распределением фибр от ориентированного,

%

1

Фибробетон с произвольным распределением фибр

53,39

-

4,10

-

2

Фибробетон с агрегированным ориентированным расположением фибр гребёнкой I типа [3]

58,24

9,1

5,57

35,8

3

Фибробетон с агрегированным ориентированным расположением фибр гребёнкой II типа [3]

54,63

2,3

5,15

25,6

Примечание: значения прочности на растяжение приведены c учётом масштабных коэффициентов β=0,92 и δ=0,92

Выводы

Анализируя результаты проведенных экспериментов, можно сделать следующие выводы:

  • предложенная механическая технология агрегирования и ориентирования фибр в теле бетонной матрицы, помимо улучшения механических свойств, позволяет получать более однородные фибробетоны;;
  • проведенные экспериментальные исследования позволили выбрать конструкцию выравнивающих элементов - максимальные показатели прироста прочности при сжатии и растяжении были получены при использовании гребёнки I типа с двумя рядами ножей [3];
  • агрегирование и ориентирование фибр увеличивает по сравнению с бетоном без фибр прочность фибробетона на сжатие на 63,92%, на растяжение — на 264%, начальный модуль упругости — на 17,1% , в то время как произвольная распределение и ориентация фибр – лишь на 53,39, 167,9 и 13,3 % соответственно;
  • наибольший эффект при ориентировании и агрегировании фибр вдоль действующих в бетоне напряжений отмечен при осевом растяжении - прочность выросла на 35,8% по сравнению с фибробетоном с произвольным расположением фибр и на 264 % по сравнению с бетоном без фибр.

 

References

1. L. R. Mailyan, R. L. Mailyan, A. V. Shilov, Calculation of the strength of bent fiber-reinforced concrete elements with high-strength reinforcement, Izvestiya vuzov. Building and Architecture 4 (1997) 4–7

2. R. L. Mailyan, L. R. Mailyan, A. V. Shilov, M. T. Abdallah, Bending elements from expanded clay fiber reinforced concrete with high-strength reinforcement without prestressing and with partial stress, Izvestiya vuzov. Construction 12 (1995) 19–23

3. Mailyan L.R., Shilov P.A., Shilov A.A. MECHANICAL TECHNOLOGY OF CREATING DIRECTIONAL ORIENTATION OF FIBER IN LINEAR FIBROCONCRETE AND FIBROCONCRETE ELEMENTS // Construction and architecture. 2022. no. 2. P. 1-5. DOI: https://doi.org/10.29039/2308-0191-2022-10-2-1-5 (date of access: 02/11/2023).

4. Mailyan L.R., Shilov P.A., Shilov A.A. MECHANICAL TECHNOLOGY FOR CREATING PLATED FIBROCONCRETE AND FIBROCONCRETE ELEMENTS WITH DIRECTIONAL ORIENTATION OF FIBER IN TWO DIRECTIONS // Construction and architecture. 2022. no. 2. P. 6-10. DOI: https://doi.org/10.29039/2308-0191-2022-10-2-6-10 (date of access: 02/11/2023).

5. Abolinsh, D.S., Kravinskis V.K. Dispersion chaotically reinforced concrete as a two-phase material and some experimental data on its strength under central compression and bending. - Riga: RPI, 1969. - Issue 4. - P. 117 - 123.

6. Vylekzhanin, V.P. On the joint work of bar and fiber reinforcement in bending steel-fiber-reinforced concrete elements / V.P. Vylekzhanin, V.I. Grigoriev // Research and calculation of new types of spatial structures of civil buildings: Sat. scientific tr. - L .: LENZNIIEP, 1985. - P. 69 - 77.


Login or Create
* Forgot password?