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.
