ПРОЧНОСТЬ  БЕТОНОВ  АРМИРОВАННЫХ  СТАЛЬНЫМИ  ВОЛОКНАМИ

Ахмеднабиев  Расул  Магомедович

доцент,  канд.  техн.  наук,  Полтавский  технический  университет  имени  Юрия  Кондратюка,  Украина,  г.  Полтава

E -mail:  arasul 49@mail.ru

Гутак  Ольга  Игоревна

младший  научный  сотрудник,  Полтавский  технический  университет  имени  Юрия  Кондратюка,  Украина,  г.  Полтава

STRENGTH  OF  STEEL  FIBER-REINFORCED  CONCRETE

Rasul  Akhmednabiev

Ph.D.,  Poltava  Technical  University  named  after  Yuri  Kondratyuk,  Ukraine  Poltava

Olga  Gutak

junior  Researcher,  Poltava  Technical  University  named  after  Yuri  Kondratyuk,  Ukraine  Poltava

АННОТАЦИЯ

Приведены  характеристики  используемых  материалов,  методики  испытания  образцов  дисперсно-армированного  бетона,  результаты  испытания  бетонных  образцов  дисперсно-армированных  стальными  волокнами  на  сжатие,  изгиб  и  деформативность. 

ABSTRACT

The  article  consists  of  reference,  description  of  materials  used,  methods  of  test  samples.  The  results  of  tests  on  samples  fibere  reinforced  concrete  compressive  and  flexural  strength  and  deformability. 

Ключевые  слова:   прочность  при  сжатии  и  изгибе;  стальные  волокна;  математическое  планирование  эксперимента;  уравнение  регрессии;  поверхности  влияния.

Keywords:   compressive  strength  and  bending  strength;  steel  fibers;  mathematical  planning  of  the  experiment;  the  regression  equation;  the  influence  of  the  surface

Человечество  использовало  композиционные  материалы  еще  в  древние  времена  [5].  Например,  в  Вавилоне  использовали  тростник  для  армирования  глины  при  строительстве  жилья,  а  древние  египтяне  добавляли  рубленую  солому  в  глину  для  кирпича.  В  Древней  Греции  железными  прутьями  укрепляли  мраморные  колонны  при  сооружении  дворцов  и  храмов.  В  1555—1560  годах  при  сооружении  храма  Василия  Блаженного  в  Москве  русские  архитекторы  использовали  армированные  железными  полосами  каменные  плиты  [6].

Подобные  технологии  существовали  у  многих  народов.  Инки  использовали  растительные  волокна  при  изготовлении  стеновых  материалов,  а  английские  строители  добавляли  в  штукатурку  волосы  [3]. 

Самым  известным  на  сегодня  композитным  строительным  материалом,  вероятнее  всего,  является  железобетон  [3].

Интерес,  который  сейчас  проявляется  к  армированию  бетонов  волокнами  (фибрами)  объясняется,  прежде  всего,  стремлением  существенно  повысить  прочность  конструкционных  бетонов  на  растяжение,  трещиностойкость  и  ударную  вязкость,  а  также  необходимостью  создания  новых  эффективных,  экономических  решений  тонкостенных  конструкций.

1  МАТЕРИАЛЫ,  ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ  В  РАБОТЕ

Матрица  представляет  собой  мелкозернистый  бетон,  изготовленный  с  использованием  портландцемента  ПЦ1-500-Н,  производства  ОАО  «Балцем»  г.  Балаклея,  что  соответствует  требованиям  ДСТУ  Б  2.7-112-2002  [2]. 

Мелким  заполнителем  для  бетонной  матрицы  был  использован  кварцевый  песок  с  модулем  крупности  М_кр  =  2,36  ,  насыпной  плотностью  ρ_н  =  1580  кг/м³.  Основные  характеристики  песка  были  определены  в  соответствии  с  требованиями  ДСТУ  Б  В.2.7-32-95  [1].

В  качестве  крупного  заполнителя  был  использован  мелкозернистый  гранитный  щебень  размерами  зерен  3—5  мм.  Основные  характеристики  щебня  были  определены  в  соответствии  с  требованиями  ДСТУ  Б  В.2.7-71-98. 

Для  повышения  пластичности  и  снижения  расслаиваемости  бетонной  смеси  был  использован  гиперпластификатор  на  основе  поликарбоксилатов. 

Стальные  волокна  были  получены  из  отработанных  стальных  канатов. 

2  МЕТОДИКА  ИСПЫТАНИЙ 

С  целью  досконального  изучения  особенностей  влияния  стальных  волокон  на  физико-механические  свойства  бетона,  в  работе  была  реализована  трехфакторная  матрица  планирования  эксперимента.  Переменными  параметрами  матрицы  были:  Х₁  —  длина  волокна  (  );  Х₂  —  объемное  содержание  (    Х₃  —  расход  гиперпластификатора  в  процентах  от  массы  цемента  (ГП). 

Условия  планирования  эксперимента  приведены  в  таблице  2.1. 

Таблица  2.1

Условия  планирования  эксперимента

Параметрами  отклика  матрицы  были:  прочность  при  сжатии,  прочность  при  изгибе.

Для  определения  прочности  при  сжатии  были  изготовлены  образцы  в  виде  кубиков  со  стороной  70  мм,  прочность  при  изгибе  и  деформативность  определялись  на  образцах  в  виде  призм  размерами  70  х  70  х  280  мм.

Базовый  состав  бетона  на  1  м³:  Цемент  370  кг;  щебень  —  915  кг;  песок  —  1040  кг;  вода  130  кг.  Прочность  при  сжатии  базового  бетона  —  35  МПа. 

Испытания  были  проведены  через  28  суток  после  изготовления  образцов. 

Прочность  при  сжатии  была  определена  на  гидравлическом  прессе  максимальной  мощностью  1000  кН. 

Прочность  при  изгибе  —  на  гидравлическом  прессе  максимальной  мощностью  50  кН. 

Деформационные  характеристики  при  сжатии  и  начальный  модуль  упругости  определялись  по  методике  НИИЖБ  [4]  на  призмах  размером  70х70х280  мм.  Для  измерения  деформаций  на  каждой  из  граней  образца  по  вертикальной  оси  были  установлены  индикаторы  часового  типа.  Относительные  деформации  измерялись  с  погрешностью  не  более  0,001  %.

3  РЕЗУЛЬТАТЫ  ИСПЫТАНИЙ

3.1  Прочность  при  сжатии

В  результате  обработки  результатов  испытаний  получено  уравнение  регрессии  зависимости  прочности  при  сжатии  от  входных  параметров: 

  (3.1)

Решение  данного  уравнения  относительно  Х₁  и  Х₂  дает  поверхность  влияния  двух  факторов  и    на  прочность  при  сжатии,  что  показано  на  рисунке  3.1.  Наглядно  видно,  что  влияние  длины  волокна  на  прочность  при  сжатии  имеет  криволинейный  характер,  и  пик  значения  приходится  на  l  =  35  мм.  При  увеличении  длины  волокна  интенсивность  повышения  прочности  снижается,  что  объясняется  склонностью  волокон  большей  длины  к  образованию  «ежей»  при  приготовлении  бетонной  смеси.

При  увеличении  содержания  волокна  ,  наблюдается  тенденция  к  повышению  прочности  при  сжатии.  Очевидно,  что  с  увеличением  содержания  увеличивается  количество  волокон,  стягивающих  берега  микротрещин.  Таким  образом,  замедляется  процесс  перерастания  микротрещин  в  макротрещины  и  прочность  при  сжатии  растет. 

Увеличение  длины  волокна  до  l  =  50  мм  при  объемном  содержании    3  %  приводит  к  уменьшению  значения  прочности  при  сжатии,  что  является  следствием  неравномерности  распределения  волокон  по  объему  образцов  из-за  образования  «ежиков»  при  перемешивании  с  матрицей.

Рисунок  3.1.  Поверхность  влияния  длины  и  содержания  волокна  на  прочность  при  сжатии

Решение  уравнения  относительно  параметра  Х₃  показало,  что  содержание  пластифицирующей  добавки  оказывает  незначительное  влияние  на  прочность  при  сжатии  фибробетона. 

3.2  Прочность  при  изгибе

Обработка  результатов  испытания  призм  на  прочность  при  изгибе  дает  следующее  уравнение  регрессии:

  (3.2)

На  рисунке  3.2  приведена  поверхность  влияния  факторов  и  на  прочность  при  изгибе  при  постоянном  содержании  добавки  ГП=1  %.  Изучая  данную  поверхность,  приходим  к  выводу,  что  при  их  росте  наблюдается  тенденция  к  увеличению  прочности  при  изгибе.  Максимального  значения  прочности  при  изгибе  (13,12  МПа)  достигают  образцы  при  l_f  =  50  мм,  V_f  =  3  %,  а  минимального  (4,82  МПа)  -  при    =  20  мм,  =  1  %. 

Решение  уравнения  регрессии  относительно  Х₃  показало,  что  содержание  пластификатора  имеет  незначительное  влияние  на  прочность  при  изгибе.

Рисунок  3.2.  Поверхность  влияния  l_f  и  на  прочность  при  изгибе

3.3  Деформативность  и  модуль  упругости

В  данной  работе  дисперсно-армированный  бетон  был  исследован  на  деформативность  при  сжатии,  которые  определялись  на  образцах  —  призмах  с  объемным  содержанием  V_f  =  3  %  и  l_f  =  50  мм.  Для  сравнения  были  испытаны  образцы  без  содержания  волокна.

Испытание  образцов  показало,  что  деформативность  дисперсно-армированного  бетона  меньше  деформативности  неармированного  бетона  в  среднем  на  46  %.  Это  явление  вполне  описывается  теорией  композитных  материалов. 

Изменение  деформаций  с  введением  волокон  ведет  за  собой  изменение  модуля  упругости.  Результаты  расчетов  модуля  упругости  показали: 

·     неармированный  бетон,  Е  =  33325  МПа  ;

·     дисперсно-армированный  бетон,  Е  =  60075  МПа.

ВЫВОДЫ

1.Увеличение  длины  волокон  приводит  к  снижению  эффекта  роста  прочности  дисперсно-армированного  бетона  в  результате  снижения  однородности  смеси.  Эффективным,  в  рамках  эксперимента,  оказалась  длина  волокна  35  мм.

2.Рост  количества  волокон  в  смеси  приводит  к  образованию  «ежей»  и  снижению  однородности  смеси,  как  следствие  снижению  эффекта  упрочнения  бетона.  Наиболее  эффективным  в  рамках  эксперимента  является  содержание  волокна  2,0  ...  2,5  %  . 

3.С  введением  стальных  волокон  в  бетонную  смесь  деформативность  бетона  снижается,  как  следствие  увеличивается  модуль  упругости.

Список  л итературы:

1.ДСТУ  Б.В.2.7-32-95.  Песок  плотный  природный  для  строительных  материалов,  изделий,  конструкций  и  работ. 

2.ДСТУ  Б  В.  2.7-112-2002.  Цементы.  Общие  технические  условия. 

3.Кербер  М.Л.  Композиционные  материалы.  Соросовский  Образовательный  Журнал.  1999,  №  5.

4.НИИЖБ.  Методические  рекомендации  по  определению  прочностных  и  структурных  характеристик  бетонов  при  кратковременном  и  длительном  нагружении.  Р-10-76.  М.,  1976.

5.Фудзии  Т.,  Дзако  М.  Механика  разрушения  композитов.  М.:  Мир,1982,  —  с.  232. 

6.[Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://c-a-m.narod.ru/wpc/composite.html