ИССЛЕДОВАНИЕ СЦЕПЛЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКОЙ МАКРОФИБРЫ С МАТРИЦЕЙ

​STUDY OF ADHESION OF SYNTHETIC MACROFIBER TO THE MATRIX

Irina Polyanskaya

master's student, department of technology of building materials and metrology, St. Petersburg state university of architecture and civil engineering,

Russia, St. Petersburg

Nikolay Sevostyanov

master's student, department of technology of building materials and metrology, St. Petersburg state university of architecture and civil engineering,

Russia, St. Petersburg

Mikhail Zhavoronkov

scientific supervisor, candidate of Engineering Sciences,

associate professor, St. Petersburg state university of architecture and civil engineering,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

В статье описываются и применяются методы испытаний характеристики прочности сцепления синтетической макрофибры Durus S500 с матрицей, а также приводится анализ полученных данных. В ходе испытаний применялась методика определения характеристики прочности сцепления фибры с матрицей по прочности фибробетона на растяжение при изгибе, по диаграммам зависимостей прогибов от прилагаемых нагрузок при испытании на изгиб и по методике прямых испытаний. При прямых испытаниях отдельные волокна вытягиваются из матрицы и при этом контролируется прилагаемая нагрузка. Получение численных значений результатов таких испытаний способствует накоплению статистических и справочных данных, которые можно использовать при проектировании фибробетонных конструкций и при анализе поведения фибробетона под нагрузкой.

ABSTRACT

The article describes and applies test methods for the characteristics of the adhesion strength of Durus S500 synthetic macrofiber to the matrix, and also provides an analysis of the data obtained. During the tests, a technique was used to determine the characteristics of the adhesion strength of fiber to the matrix by the tensile strength of fiber-reinforced concrete during bending, by diagrams of the dependences of deflections on applied loads during bending tests, and by direct testing methods. In direct testing, individual fibers are pulled from a matrix and the applied load is monitored. Obtaining numerical values of the results of such tests contributes to the accumulation of statistical and reference data that can be used in the design of fiber-reinforced concrete structures and in analyzing the behavior of fiber-reinforced concrete under load.

Ключевые слова: фибробетон, прочность, диаграмма деформирования, характеристика прочности сцепления фибры с матрицей.

Keywords: fiber-reinforced concrete, strength, deformation diagram, characteristics of the adhesion strength of fiber to matrix.

В настоящее время, на кафедре технологии строительных материалов и метрологии продолжаются исследования, направленные на изучение поведения фибробетона под нагрузкой. Проводятся исследования фибробетонов изготовленных на основе различных матриц и армированных различными видами фибры. Большая часть проведенных исследований посвящена анализу результатов испытаний силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фибробетона, проводимых по методике, регламентируемой положениями ГОСТ 29167-2021 «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении» [1, 2]. Методика указанного ГОСТа предполагает построение диаграмм зависимостей прогибов образцов от прилагаемых нагрузок (диаграмм деформирования) и их последующую обработку для получения численных значений характеристик трещиностойкости. Такие диаграммы строятся в процессе проведения испытаний образцов - призм на растяжение при изгибе. Следует отметить большую трудоемкость таких испытаний, поскольку требуется изготавливать серии из нескольких образцов-близнецов и делать в них начальные надрезы, для построения диаграмм необходимо применять специфическое оборудование, кроме того, сам процесс обработки диаграмм довольно длительный. В связи с чем было предложено строить теоретические диаграммы деформирования, путем определения координат (нагрузок и прогибов) их ключевых точек расчетным путем. Такой подход способствует значительному упрощению всего процесса, однако требует наличия определенной базы статистических и справочных данных. Одной из важнейших величин, используемых при построении теоретических диаграмм является прочность сцепления фибр с матрицей. В настоящее время, справочные данные, в части прочности сцепления различных видов фибры с матрицей, требуют дополнения, в связи с чем, научные работы, направленные на определение этой характеристики, фибры приобретают особую актуальность.

В настоящей работе испытаниям подвергались образцы мелкозернистого бетона и фибробетона, армированного синтетической макрофиброй Durus S500, представленной на рис. 1.

Рисунок 1. Синтетическая макрофибра Durus S500

Состав бетонной матрицы подбирался в соответствии с положениями РТМ 5-05-2009 «Руководящие технические материалы по проектированию, изготовлению и применению сталефибробетонных конструкций на фибре из тонкой стальной проволоки», с учетом удельной поверхности мелкого заполнителя. В ходе расчета состава было получено цементно-песчаное соотношение 1:3,52 и водоцементное отношение 0,61. Для приготовления фибробетонной смеси был использован кварцевый песок с модулем крупности 2,34 и бездобавочный портландцемент класса ЦЕМ I 42,5 Н по ГОСТ 31108. Перемешивание фибробетонной смеси производилось в лабораторном двухвальном смесителе. Уплотнение смеси осуществлялось на лабораторной виброплощадке. Твердение образцов происходило в шкафу нормально твердения, при температуре 20±2°C и влажности >98% в течении 28 суток.

Для испытаний характеристики прочности сцепления фибр с матрицей использовались 3 метода: метод, разработанный д.т.н. проф. Ю.В. Пухаренко [3], при котором характеристика прочности сцепления фибр с матрицей определяется по результатам испытаний прочности образцов на растяжение при изгибе, метод определения характеристики прочности сцепления по диаграммам деформирования фибробетона, построенным по ГОСТ 29167-2021 и прямой метод, при котором из образцов вытягиваются отдельные волокна и контролируется прилагаемая к ним сила.

Для определения характеристики прочности сцепления фибры с матрицей по результатам испытаний прочности на растяжение при изгибе было изготовлено и испытано несколько серий образцов размерами 40×40×160 мм. Серии образцов отличались объемным насыщением волокон и на каждое объемное насыщение было изготовлено по 6 образцов-близнецов. В соответствии с положениями используемой методики, необходимо определить такое содержание волокон, до которого волокна практически не проявляют армирующего эффекта, и после которого, наблюдается устойчивый рост прочности. Средние результаты испытаний прочности серий образцов приведены в табл. 1 и на рис. 2.

Таблица 1.

Прочность образцов на растяжение при изгибе

Рисунок 2. Результаты испытаний прочности образцов фибробетона на растяжение при изгибе

По представленным на рисунке 2 данным видно, что до объемного насыщения, составляющего 0,6%, не наблюдается армирующего эффекта фибры, поскольку прочность фибробетона остается равной прочности бетона, а после - наблюдается устойчивый рост прочности.

Характеристику прочности сцепления фибр с матрицей можно определить по формуле (1):

φτ - характеристика прочности сцепления волокон с матрицей;

l_ф- длина фибры;

µ_min - объемная доля фибры, соответствующая тому содержанию фибр в матрице после которого наблюдается устойчивое повышение прочности;

d_ф - диаметр фибры;

R_фб, R_кз и R_б - прочность фибробетона, контактной зоны (составляет 1,4×R_б) на границе раздела «волокно-матрица» и бетона.

Характеристика прочности сцепления синтетической макрофибры Durus S500, определенная по указанной методике, составила 1,28 МПа.

Для определения характеристики прочности сцепления фибры с матрицей по диаграммам деформирования фибробетона при изгибе было изготовлено и испытано несколько серий образцов размерами 70×70×280 мм. Серии образцов отличались объемным насыщением волокон и на каждое объемное насыщение было изготовлено по 2 образца-близнеца. Некоторые из полученных диаграмм деформирования представлены на рис. 3.

Рисунок 3. Диаграммы деформирования фибробетонных образцов: а - начала диаграмм деформирования; б - полные диаграммы

По представленным на рис. 2 диаграммам видно, что бетонный образец разрушился при нагрузке 1,06 кН. Неармированный образец разрушается хрупко, то есть после образования трещины (при нагрузке 1,06 кН) быстро делится на части, о чем свидетельствует резко нисходящая ветвь диаграммы деформирования, что хорошо видно на рис. 2 а. Фибробетонные образцы разрушаются иначе: при нагрузке примерно соответствующей разрушению неармированного образца, происходит образование трещины, однако после этого деление образцов на части не происходит. Это объясняется тем, что армирующие волокна заанкерены в обеих половинках образца и удерживают его от деления на части, удлиняясь и воспринимая при этом значительную нагрузку, об этом свидетельствует более развитая правая часть диаграммы.

Таким образом, на диаграммах деформирования фибробетонных образцов формируется два условных пика: первый соответствует моменту образования магистральной трещины и совпадает с моментом разрушения неармированного образца, а второй соответствует максимальной нагрузке, воспринимаемой преимущественно волокнами после образования трещины.

Для определения характеристики прочности сцепления по полученным диаграммам необходимо построить графики зависимости нагрузок, соответствующей первым и вторым пикам диаграмм деформирования, от объемного содержания волокон (рис. 4) [4 - 6].

Рисунок 4. Графики зависимостей нагрузок в первых и вторых пиках диаграмм деформирования от объемного содержания фибры: 1 - график, построенный по первым пикам; 2 - усредненная линия графика, построенного по первым пикам; 3 - график, построенный по вторым пикам; 4 - усредненная линия графика, построенного по вторым пикам

Характеристику прочности сцепления фибр с матрицей можно определить по формуле (2):

φτ - характеристика прочности сцепления волокон с матрицей;

l_ф- длина фибры;

µ - объемная доля фибры, соответствующая пересечению графиков на рис. 4;

d_ф - диаметр фибры;

P - нагрузка, соответствующая пересечению графиков на рис. 4;

l - база испытаний (266 мм);

h - высота образца;

b - ширина образца.

Характеристика прочности сцепления синтетической макрофибры Durus S500, определенная по указанной методике, составила 5,35 МПа.

Для проведения прямых испытаний прочности сцепления фибы с матрицей было изготовлено несколько серий нестандартных образцов (рис. 5).

Рисунок 5. Образцы, изготовленные для испытаний прочности сцепления фибры с матрицей прямым методом

Размеры образцов составили 70×70 мм, а высота образцов была переменной - 15...30 мм. В начале, в форму укладывалась мелкозернистая бетонная смесь и уплотнялась на лабораторной виброплощадке, после чего в свежеуложенную смесь вставлялись отдельные волокна. Такой способ гарантировал определенную глубину анкеровки фибры в бетоне, поскольку она точно совпадает с высотой образца.

В ходе испытаний была применена специально разработанная установка. Можно было зафиксировать образцы в неподвижном положении и с помощью специального захвата вытянуть фибру из бетонного образца. При проведении такого испытания контролировалась прилагаемая к фибре нагрузка. Описанное испытание реализовано приближено к положениям ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия», при этом прочность сцепления можно определить по формуле (3):

l_ан,ф - глубина анкеровки фибры.

Прочности сцепления синтетической макрофибры Durus S500, определенная по указанной методике, составила в среднем 2,25 МПа.

В результатах испытаний характеристики прочности сцепления фибры с матрицей по первому и второму способу наблюдается очевидное расхождение. Если применить расчетную часть первого метода к результатам испытаний образцов вторым методом, то характеристика прочности сцепления оказывается равной 2,58 МПа. Если применить расчетную часть второго метода к результатам испытаний образцов первым методом, то характеристика прочности сцепления оказывается равной 4,39 МПа. Расхождение в результатах испытаний этими методами объясняется тем, что в первом методе, кроме характеристики прочности сцепления фибр с матрицей, учитывается роль матрицы, в виде ее прочности и прочности контактной зоны, в формировании прочности фибробетона, а во втором - учитывается только характеристика прочности сцепления фибр с матрицей. То есть принципиальное согласие в полученных данных наблюдается.

Следует подчеркнуть, что в этих методах определяется не сама прочность сцепления фибр с матрицей, а характеристика прочности сцепления с матрицей. То есть, такая величина, которая учитывает не только саму прочность сцепления, но и прочие факторы, такие как ориентация волокон в объеме фибробетона, шероховатость поверхности фибры, особенности профиля фибры и ее поперечного сечения, взаимное влияние фибр, и т.д.

Прямой метод испытаний, позволяет определить прочность сцепления одиночного волокна с матрицей, при этом ось фибры совпадает с направлением действия вытягивающей силы. Очевидно, что в фибробетоне, лишь малая часть волокон будет воспринимать нагрузку в таких условиях. То есть прочность, найденную прямым методом не вполне справедливо сравнивать с результатами испытаний полученными другими методами.

Список литературы:

1. Влияние крупного заполнителя на энергетические и силовые характеристики сталефибробетона / Ю. В. Пухаренко, Д. А. Пантелеев, В. И. Морозов, М. И. Жаворонков // Строительство и реконструкция. – 2022. – № 3(101). – С. 110-118.
2. Пухаренко, Ю. В. Оценка эффективности дисперсного армирования бетонов по показателям прочности и трещиностойкости / Ю. В. Пухаренко, Д. А. Пантелеев, М. И. Жаворонков // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. – 2022. – Т. 19, № 5(87). – С. 752-761.
3. Пухаренко, Ю. В. Принципы формирования структуры и прогнозирование прочности фибробетонов / Ю. В. Пухаренко // Строительные материалы. – 2004. – № 10. – С. 47-50.
4. Кострикин, М. П. Характер и степень взаимодействия синтетической макрофибры с цементным камнем / М. П. Кострикин // Вестник гражданских инженеров. – 2018. – № 4(69). – С. 116-120.
5. Совершенствование метода определения величины сцепления армирующих волокон с матрицей в фибробетоне / Ю. В. Пухаренко, Д. А. Пантелеев, М. И. Жаворонков, М. П. Кострикин // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2020 году : Сборник научных трудов РААСН: в 2 томах / Российская академия архитектуры и строительных наук (РААСН). Том 2. – Москва : Издательство АСВ, 2021. – С. 208-216.
6. Определение прочности сцепления армирующих волокон с матрицей в фибробетоне / Ю. В. Пухаренко, В. И. Морозов, Д. А. Пантелеев, М. И. Жаворонков // Строительные материалы. – 2020. – № 3. – С. 39-44.