Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Ростовская область, Россия
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Республика Дагестан, Россия
Краснодарский край, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
ББК 38 Строительство
ТБК 54 Строительство
BISAC TEC009000 Engineering (General)
На сегодняшний день дисперсно-армированные бетоны являются перспективным конструкционным строительным материалом. С целью улучшения прочностных характеристик базальтофибробетона нами было изучено влияние рецептурных факторов, а именно процента фибрового армирования и процентного содержания фракций крупного заполнителя. Всего было изготовлено и испытано 18 серий базовых образцов стандартного размера: 27 кубов с размерами 100х100х100 мм для испытаний на сжатие; 27 призм с размерами 100х100х400 мм для испытаний на растяжение при изгибе. Также были проведены расчеты прочностных характеристик в зависимости от рецептурных факторов, расчеты производились методом математического планирования эксперимента – полнофакторный эксперимент (ПФЭ 22). По результатам исследования методом наименьших квадратов были получены базовые уравнения регрессии, которые представлены в виде полиномов 2-ой степени. На основании полученных результатов сделан вывод о том, что наиболее эффективным будет применение базальтовой фибры в количестве 4,5 % от массы бетонной смеси и применение крупного заполнителя с содержанием фракции 5-10 мм в количестве 40 %, а фракции 10-20 мм в количестве 60 %.
прочность, базальтовая фибра, рецептурные факторы, фибра, процент фибрового армирования, фибробетон
Введение. На сегодняшний день дисперсно-армированные бетоны достаточно широко распространены в различных видах строительства. Фибробетоны в сравнении с традиционными бетонами имеют ряд преимуществ, а именно: более высокую ударную прочность, прочность на растяжение, по таким показателям как водонепроницаемость, истираемость, морозостойкость, жаропрочность, трещиностойкость они также превосходят традиционные бетоны [1–3].
Основываясь на опыте зарубежной и отечественной строительной практики применение фибробетона наиболее эффективно при изготовлении конструкций и изделий, имеющих криволинейную поверхность, при изготовлении изгибаемых и ударостойких конструкций, а также в тонкостенных плоских конструкциях.
Существуют различные виды фибр, на современном рынке их номенклатура довольно обширна, начиная от менее распространённых и дорогостоящих – углерода, вольфрама, карбида, нитрида кремния, до широко распространенных – полимерных, стальных, базальтовых и стеклянных [4].
Для достижения наилучшего эффекта от фибрового армирования при нагружении важно учитывать ряд факторов, а именно: процентное содержание фибры, степень ее сцепления с бетоном, отношение длины волокна фибры к диаметру волокна. Установлено, что при l/d = 100 и более достигается наилучший эффект от фибрового армирования, а также возрастает число разрываемых фибр по отношении к выдернутым, что свою очередь положительно сказывается на прочностных характеристиках фибробетона [5].
Положительное влияние фибрового армирования на прочностные характеристики бетонов возможно, когда достигается минимальная критическая объёмная концентрация дисперсной фазы, данная концентрация описывается зависимостью, представленной в формуле 1.
, (1)
где ν – коэффициент, определяется как отношение продольного размера частицы к поперечному [6].
В процессе разрушения фибробетона можно выделить ряд деструктивных процессов, которые протекают в следующей последовательности: микротрещинообразование, растрескивание, разрывы фиброволокон, потеря связи между компонентами и разрушение межфазовых границ. Наибольший эффект от дисперсного армирования прослеживается на стадии образования и раскрытия трещин [6–8].
Основным отличием при разрушении неармированного бетона в сравнении с фибробетонами является то, что разрушение неармированного бетона происходит с образованием магистральной вертикальной трещины, а у фибробетонов процесс разрушения протекает с формированием множественных разветвленных трещин [9].
При дисперсном армировании бетонов возможно получение направленной и свободной ориентации волокон фибр. Получить направленную ориентацию волокон возможно за счет применения непрерывных нитей, а также при воздействии магнитного поля в процессе формования изделий, содержащих стальную фибру. Произвольная ориентация реализуется за счет применения коротких фиброволокон. Также выделяют плоскопроизвольную ориентацию, которая характеризуется беспорядочным расположение фибр в плоскости и объёмно-произвольную, характеризующуюся хаотичным распределение фибр по всему объёму бетона [10].
Наибольшее распространение в отечественной строительной практике получила стальная фибра. Применение стальных волокон обеспечивает повышение прочности на растяжение при изгибе на 15–20 %, а также позволяет снизить внутренние напряжения, но из-за малой удельной поверхности стальной фибры, невысокой адгезии к ней цементного камня и недостаточной прочности самого бетона, приводящей к «продергиванию» фибр при его разрушении, потенциал дисперсного армирования полностью реализовать не удается.
В связи с этим применение базальтовой фибры является более перспективным, базальтовая фибра по прочности превосходит стальную, а значения относительного удлинения базальтовой фибры при разрыве в два раза ниже, чем у стальной, что позволяет ей более эффективно препятствовать образованию микротрещин в бетоне при нагружении [11–14].
Базальтовую фибру изготавливают из расплавов изверженных горных пород (базальт, диабаз, габбро и т. д.). Базальтовая фибра имеет высокий модуль упругости, а также она не вступает в реакцию с солями, это позволяет использовать базальтофибробетоны при строительстве морских сооружений [6, 15].
Целью исследования является изучение изменения основных прочностных характеристик базальтофибробетона (прочность на сжатие и прочность на растяжение при изгибе) за счет варьирования рецептурных факторов, а именно: изменения процентного соотношения фракций крупного заполнителя и процента фибрового армирования.
Методы и материалы. В данном исследовании была применена базальтовая фибра, основные физико-механические характеристики которой представлены в таблице 1.
Таблица 1
Физико-механические характеристики базальтовой фибры
|
Прочность волокон на растяжение, МПа |
Диаметр фиброволокна, мкм |
Длина фиброволокна, мм |
Модуль упругости, ГПа |
Коэффициент удлинения фибры, % |
Плотность фибры, г/см3 |
|
3500 |
9-12 |
3,3-15,7 |
70 |
3,5 |
2,6 |
В качестве вяжущего использовался портландцемент марки ПЦ 500 Д0 производства ОАО «Новоросцемент», в таблице 2 представлены физико-механические характеристики портландцемента.
Таблица 2
Физико-механические характеристики портландцемента ПЦ 500 Д0
|
Наименование свойства |
Значение и размерность |
|
Истинная плотность |
3,14 г/см3 |
|
Насыпная плотность |
1,052 кг/м3 |
|
Удельная поверхность |
не менее 311 м2/г |
|
Нормальная густота цементного теста |
не более 26,6 % |
|
Сроки схватывания |
начало – 225 мин, конец – 345 мин |
|
Активность цемента |
42 МПа |
В качестве мелкого заполнителя применялся кварцевый песок с модулем крупности Мкр = 2,27 и насыпной плотностью ρн = 1650 кг/м3. Гранулометрический состав представлен в таблице 3.
Таблица 3
Гранулометрический состав песка
|
Остатки на ситах |
диаметр сит, % |
|||||
|
2,5 |
1,25 |
0,63 |
0,315 |
0,16 |
<0,16 |
|
|
Частные |
1,89 |
4,71 |
24,52 |
59,18 |
6,67 |
0,31 |
|
Полные |
1,89 |
6,60 |
31,13 |
90,30 |
96,97 |
|
В качестве крупного заполнителя применялся гранитный щебень, физико-механические характеристики щебня представлены в таблице 4.
Таблице 4
Физико-механические характеристики щебня
|
Фракция |
Насыпная плотность, кг/м3 |
Пустотность, % |
Содержание % по массе |
Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм, % по массе |
Дробимость, % по массе |
|
5–10 |
1470 |
0,457 |
0,65 |
23 |
12,7 |
|
10–20 |
1430 |
0,468 |
0,61 |
24 |
13,1 |
Для регулирования подвижности бетонных смесей использовался суперпластификатор Schomburg Remicrete SP-10 (FM) – это высокоэффективный пластификатор на основе полиэфиркарбоксилата, который, воздействуя на процессы гидратации, способствует ускоренному раннему и конечному набору прочности. Технические характеристики суперпластификатора приведены в таблице 5.
Таблица 5
Технические характеристики суперпластификатора
|
Суперпластификатор Schomburg Remicrete SP-10 (FM) |
Сырьевая основа |
Цвет |
Физическое состояние |
Плотность, г/см³ |
|
полиэфиркарбоксилат |
светло-желтый |
жидкость |
1,1 |
Всего было изготовлено и испытано 18 серий базовых образцов стандартного размера:
- кубы 27 шт. с размерами 100×100×100 мм для испытаний на сжатие;
- призмы 27 шт. с размерами 100×100×400 мм для испытаний на растяжение при изгибе.
Все образцы были изготовлены из бетона одинакового состава, расход материалов на 1 м3 составил: Ц = 315 кг, Щ = 1205 кг, П = 689 кг,
В = 190 л, суперпластификатор – 2 л.
Для исследований применялось: технологическое оборудование (бетоносмеситель лабораторный БЛ-10), средства измерений (весы лабораторные и линейки) и испытательное оборудование (пресс гидравлический) [16–20].
Испытания на сжатие и растяжение при изгибе проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 10180.
Также были проведены расчеты прочностных характеристик базальтофибробетона в зависимости от рецептурных факторов. Расчеты производились методом математического планирования эксперимента (ПФЭ 2к) с использованием программы «MathCAD».
Результаты и их обсуждение. Результаты экспериментальных исследований влияния рецептурных факторов на прочностные характеристики базальтофибробетона представлены в таблице 7.
Определение прочностных характеристик базальтофибробетона произведено с помощью регрессионных зависимостей, вид и значения коэффициентов которых определяются методами математического планирования эксперимента.
В качестве функций были приняты изменяющиеся из-за рецептурных факторов характеристики базальтофибробетона (прочность на сжатие и прочность на растяжение при изгибе).
В качестве же аргументов были приняты рецептурные факторы (процент фибрового армирования; соотношение фракций заполнителя 5-10 и 10-20) в абсолютных показателях с различными уровнями варьирования.
Расчеты производились методом математического планирования эксперимента – полнофакторный эксперимент (ПФЭ 22). Значения рецептурных факторов представлены в таблице 6.
За функцию отклика были приняты параметры:
- Rсж (µ, ɑ) – прочность на сжатие – МПа;
- Rизг (µ, ɑ) – прочность на растяжение при изгибе – МПа.
Таблица 6
Значения рецептурных факторов ПФЭ 2к
|
№ п/п |
Код фактора |
Физический смысл фактора |
Ед. измерения |
Интервал |
Уровни фактора |
||
|
-1 |
0 |
+1 |
|||||
|
1 |
µ |
фибровое армирование |
% |
±0,5 |
3,5 |
4 |
4,5 |
|
2 |
ɑ |
соотношение фракций заполнителя 5–10 и 10–20 |
% |
±0,1 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
Таблица 7
Результаты экспериментальных исследований влияния рецептурных факторов
на прочностные характеристики базальтофибробетона
|
Номер опыта |
Фибровое армирование, % |
Соотношение фракций 5-10/10-20 |
Прочность базальтофибробетона на сжатие, МПа |
Прочность базальтофибробетона на растяжение |
|
1 |
3,5 |
0,4 |
46,7 |
3,9 |
|
2 |
4,5 |
0,4 |
48,8 |
4,2 |
|
3 |
3,5 |
0,6 |
46,6 |
4,1 |
|
4 |
4,5 |
0,6 |
58,1 |
4,6 |
|
5 |
3,5 |
0,5 |
46,1 |
4,2 |
|
6 |
4,5 |
0,5 |
50,3 |
4,4 |
|
7 |
4 |
0,4 |
50,1 |
4,3 |
|
8 |
4 |
0,6 |
48,3 |
4,2 |
|
9 |
4 |
0,5 |
47,8 |
4,0 |
По результатам исследования методом наименьших квадратов были получены базовые уравнения регрессии, которые представлены в виде полиномов 2-ой степени:
(1)
(2)
Графическая интерпретация математических зависимостей представлена на рисунках 1 и 2.
Рис. 1. Зависимость изменения прочности на сжатие базальтофибробетона от процентного содержания фракций заполнителя (фр. 5-10/10-20) и процента фибрового армирования
Риc. 2. Зависимость изменения прочности на растяжение при изгибе базальтофибробетона от процентного содержания фракций заполнителя (фр. 5-10/10-20) и процента фибрового армирования
По результатам экспериментальных исследований прочностных характеристик базальтофибробетона были получены их значения в зависимости от влияния процента фибрового армирования базальтовой фиброй и процентного содержания фракций крупного заполнителя с размерами 5–10 мм и 10–20 мм.
Как видно на рисунках 1 и 2 максимальные значения прочности на сжатие и прочности на растяжение при изгибе достигаются при проценте фибрового армирования базальтовой фиброй равном 4,5 %, и содержанием фракции
5–10 мм в количестве 40 %, а фракции 10–20 мм в количестве 60 %. Данный положительный эффект обусловлен, по всей видимости, наиболее равномерным и рациональным распределение фибры в теле бетона.
Полученные в ходе расчетов полиномиальные уравнения регрессии оценивали по значимости коэффициентов, среднеквадратичному отклонению, также с помощью критерия Фишера была приведена оценка адекватности.
Отметим, что, проанализировав полученные результаты исследования, выявлено рациональное значение такого рецептурно-технологического фактора, как процент фибрового армирования, что немаловажно, так как остро стоит проблема повышения качества структурообразования бетона и усиления его несущей способности за счет дополнительного армирования без существенного увеличения веса конструкций и изделий, получаемых из таких бетонов. Вследствие этого выглядит перспективным именно дисперсное армирование, которое, с одной стороны приводит к существенному улучшению характеристик, а с другой стороны – не приводит к утяжелению таких конструкций и поэтому является актуальным и перспективным направлением.
Вывод. На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что наиболее эффективным будет применение базальтовой фибры в количестве 4,5 % от массы бетонной смеси и применение крупного заполнителя с содержанием фракции 5–10 мм в количестве
40 % и фракции 10–20 мм в количестве 60 %. Прочностные характеристики базальтофибробетона и их стабильность определяются равномерностью распределения волокон в объёме всей смеси.
Полученные результаты показывают перспективность и целесообразность проведенных исследований, а данные о прочностных свойствах базальтофибробетона расширяют информационную базу проектирования бетонов данного вида.
Полученные экспериментальные данные в дальнейшем будут применены в работе по изучению влияния технологических факторов на прочностные характеристики базальтофибробетона. Планируется изучение различных способов распределения базальтового волокна в составе бетонной смеси, в частности постадийное введение и раздельное перемешивание волокон с компонентами бетонной смеси.
1. Волков И.В. Фибробетон - состояние и перспективы применения в строительных конструкциях // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2004. №5. С. 24-25.
2. Маилян Л.Р., Шило А.В. Изгибаемые керамзитофиброжелезобетонные элементы на грубом базальтовом волокне. Ростов-на-Дону: Рост. гос. строит. ун-т., 2001. 174 с.
3. Моргун Л.В. Теоретическое обоснование и экспериментальная разработка технологии высокопрочных фибропенобетонов // Строительные материалы. 2005. №6. С. 59-63.
4. Моргун Л.В. Анализ закономерностей формирования оптимальных структур дисперсно-армированных бетонов // Изв. Вузов. Строительство. 2003. №8. С. 58-60.
5. Рахимов Р.З. Фибробетон - строительный материал XXI века // Экспозиция - бетон и сухие смеси. 2008. № 2 (54). C. 35-42.
6. Ивлев В.А. Фибробетон в тонкостенных изделиях кольцевой конфигурации: дис. канд. техн. наук. Уфа, 2009. 176 c.
7. Баженов Ю.М., Алимов Л.А., Воронин В.В., Магдеев У.Х. Технология бетона, строительных изделий и конструкций. М.: Изд-во АСВ, 2008. 350 с.
8. Боровских И.В. Высокопрочный тонкозернистый базальтофибробетон: дис. … канд. техн. наук. Казань: КГАСУ, 2009. 169 с.
9. Пухаренко Ю.В. Реставрация и строительство: потенциал фиброармированных материалов и изделий // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=6582 (дата обращения: 06.04.2021).
10. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. М.: Изд-во АСВ, 2004. 560 с.
11. Kim J.-J., Yoo D.-Y. Effects of fiber shape and distance on the pullout behavior of steel fibers embed-ded in ultra-high-performance concrete // Cement and Concrete Composites. 2019. Vol. 103. Pp. 213-223.
12. Chen L., Sun W., Chen B., Shi Z., Lai J., Feng J. Multiscale study of fibre orientation effect on pullout and tensile behavior of steel fibre reinforced concrete // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 283. 122506. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.122506 (дата обращения: 30.03.2021).
13. Yoo D.-Y., Shin W., Chun B., Banthia N. Assessment of steel fiber corrosion in self-healed ultra-high-performance fiber-reinforced concrete and its effect on tensile performance // Cement and Concrete Re-search. 2020. Vol. 133. 106091. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2020.106091 (дата обращения: 06.04.2021).
14. Balendran R.V., Zhou F.P., Nadeem A., Leung A.Y.T. Influence of steel fibres on strength and ductility of normal and lightweight high strength concrete // Building and Environment. 2020. Vol. 37. Iss. 12. P. 1361-1367. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: https://doi.org/10.1016/S0360-1323(01)00109-3 (дата обращения: 30.03.2021).
15. Стерин B.C. Промышленная технология дисперсно-армированных железобетонных конструкций: автореф. дис. канд. техн. наук. СПб., 2002. 32 c.
16. Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Третьяков Д.А., Дао В.Н., Заикин В.И. Предложения по расчетному определению прочностных характеристик вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов // Вестник Евразийской науки. 2018. №6. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: https://esj.today/PDF/66SAVN618.pdf (дата обращения: 30.03.2021).
17. Стельмах С.А., Щербань Е.М., Насевич А.С., Нажуев М.П., Тароян А.Г., Яновская А.В. Сравнение влияния армирования фибровыми волокнами различных видов на свойства центрифугированных и вибрированных изделий из тяжелого бетона класса В50 // Вестник Евразийской науки. 2018. №5. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: https://esj.today/PDF/29SAVN518.pdf (дата обращения: 30.03.2021).
18. Щербань Е.М., Стельмах С.А., Нажуев М.П., Насевич А.С., Гераськина В.Е., Пошев А.У.-Б. Влияние различных видов фибры на физико-механические свойства центрифугированного бетона // Вестник Евразийской науки. 2018. №6. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: https://esj.today/PDF/14SAVN618.pdf (дата обращения: 31.03.2021).
19. Стельмах С.А., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П., Тароян А.Г., Чебураков С.В. Сравнение влияния армирования фибровыми волокнами различных видов на свойства центрифугированных и вибрированных изделий из тяжелого бетона класса В20 // Инженерный вестник Дона. 2018. №4. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_5_Stelmakh_Shcherban.pdf_9004eb63bd.pdf (дата обращения: 31.03.2021).
20. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П. Совершенствование расчетных рекомендаций по подбору состава бетона центрифугированных конструкций // Вестник Евразийской науки. 2018. №3. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: https://esj.today/PDF/63SAVN318.pdf (дата обращения: 31.03.2021).
