Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
с 01.01.2021 по настоящее время
Донской государственный технический университет (кафедра Автомобильные дороги)
с 01.01.2021 по настоящее время
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Ростовская область, Россия
ВАК 2.1.2 Основания и фундаменты, подземные сооружения (Технические науки)
ВАК 2.1.3 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение (Технические науки)
ВАК 2.1.5 Строительные материалы и изделия (Технические науки)
ВАК 2.1.6 Гидротехническое строительство, гидравлика и инженерная гидрология (Технические науки)
ВАК 2.1.7 Технология и организация строительства (Технические науки)
ВАК 2.1.8 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (Технические науки)
ВАК 2.1.9 Строительная механика (Технические науки)
ВАК 2.1.10 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства (Технические науки)
ВАК 2.1.11 Теория и история архитектуры, реставрация и реконструкция историко-архитектурного наследия (Технические науки)
ВАК 2.1.12 Архитектура зданий и сооружений. Творческие концепции архитектурной деятельности (Технические науки)
ВАК 2.1.13 Градостроительство, планировка сельских населенных пунктов (Технические науки)
ВАК 2.1.14 Управление жизненным циклом объектов строительства (Технические науки)
ВАК 2.1.15 Безопасность объектов строительства (Технические науки)
УДК 624.6.012.46 из предварительно напряженного железобетона
УДК 69.002.5 Строительные машины, механизмы и оборудование
УДК 691 Строительные материалы и изделия
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
Постановка задачи. Темпы развития современного строительства создают необходимость разработки новых технологий, позволяющих придать классическим строительным материалам особые свойства, позволяющие расширить спектр их применения. Разработанная технология механического распределения и ориентирования вдоль действующих в конструкции растягивающих напряжений фибровых волокон в теле линейных фибробетонных и фиброжелезобетонных элементов может обеспечить более эффективное использование фибрового дисперсного армирования за счет включения большего количества волокон в работу сечения. Необходимо разработать программу экспериментальных исследований прочностных и деформативных свойств фибробетона для апробации разработанной авторами технологии укладки фибробетонной смеси. Результаты. Представлена программа экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик фибробетона, изготовленного по механической технологии создания агрегированного ориентированного фибрового армирования. Также представлены результаты проведенных в соответствии с разработанной программой экспериментов. Выводы. Представленная программа экспериментальных исследований характеристик фибробетона, изготовленного по разработанной авторами технологии механического создания агрегированного ориентированного фибрового армирования стала основой для экспериментальных исследований, целью которых являлась апробация разработанной авторами технологии механической укладки фибробетонной смеси с равномерным распределением фибровых волокон в бетонной матрице, а также получение новых данных о механических и деформативных свойствах таких фибробетонов.
бетон, железобетон, фибробетон, преднапряженные конструкции, использование материалов в конструкциях и расчетах
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:
- 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.
1. Л. Р. Маилян, Р. Л. Маилян, А. В. Шилов, Расчет прочности изгибаемых фибробетонных элементов с высокопрочной арматурой, Известия вузов. Строительство и архитектура 4 (1997) 4-7
2. Р. Л. Маилян, Л. Р. Маилян, А. В. Шилов, М. Т. Абдаллах, Изгибаемые элементы из керамзитофибробетона с высокопрочной арматурой без предварительного напряжения и при частичном, Известия вузов. Строительство 12(1995) 19-23
3. Маилян Л. Р., Шилов П. А., Шилов А. А. МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ НАПРАВЛЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ФИБР В ЛИНЕЙНЫХ ФИБРОБЕТОННЫХ И ФИБРОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ // Строительство и ар-хитектура. 2022. №. 2. С. 1-5. DOI: https://doi.org/10.29039/2308-0191-2022-10-2-1-5 (дата об-ращения: 11.02.2023).
4. Маилян Л. Р., Шилов П. А., Шилов А. А. МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ПЛИТНЫХ ФИБРОБЕТОННЫХ И ФИБРОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С НАПРАВЛЕННОЙ ОРИЕНТАЦИЕЙ ФИБР В ДВУХ НАПРАВЛЕНИЯХ //Строительство и архитектура. 2022. №. 2. С. 6-10. DOI: https://doi.org/10.29039/2308-0191-2022-10-2-6-10 (дата обращения: 11.02.2023).
5. Аболиньш, Д. С. Дисперсно хаотически армированный бетон как двухфазный материал и некоторые экспериментальные данные о его прочности при цен тральном сжатии и изгибе / Д. С. Аболиньш, В. К. Кравинскис // Исследования по механике строительных материалов и конструкций. - Рига: РПИ, 1969. - Вып.4. - C. 117 - 123.
6. Вылекжанин, В. П. О совместной работе стержневой и фибровой арматуры в изгибаемых сталефиброжелезобетонных элементах / В. П. Вылекжанин, В. И. Григорьев // Исследование и расчет новых типов пространственных конструкций гражданских зданий: сб. науч. тр. - Л.: ЛЕНЗНИИЭП, 1985. - С. 69 - 77.
