Введение. Разработка облегченных бетонов весьма актуальна в настоящее время в связи с возрастающей потребностью в современных строительных материалах и изделиях, имеющих одновременно необходимые проектные прочностные и деформативные характеристики и при этом обладающих существенно меньшей массой по сравнению с традиционным тяжелым бетоном.Потребность в снижении массы конструкций и как следствие возводимых из них зданий и сооружений обусловлена разнообразием инженерно-геологических условий, уменьшением нагрузок на основания и фундаменты, плотностью застройки сложностью монтажных работ. Для решения проблемы эффективного снижения массы бетонов с сохранением их достаточной прочности и деформативности, необходимо тщательно подпирать компоненты и состав разрабатываемых новых облегченных изделий.В данном исследовании был выбран бетон, облегченный за счет введения пористого заполнителя – шлаковой пемзы – вместо части крупного плотного заполнителя и применения менее плотных видов фибры по сравнению с металлической, а именно базальтовых и стеклянных волокон.Фибробетон эффективно показал себя при изготовлении цокольных панелей многоэтажных зданий, несъемной опалубки для обойм укрепления свайных фундаментов, стеновых панелей и монолитных стен, малых архитектурных форм при благоустройстве городских парков, архитектурного декора зданий и многих других. Несмотря на востребованность, научная проблема разработки и применения, облегченного фибробетона остается нерешенной и привлекает внимание ученых всего мира [1–9].Обычный бетон по своей природе является хрупким материалом с относительно слабыми характеристиками при растяжении. Чтобы изменить эти характеристики и избежать внезапного хрупкого разрушения бетонных конструкций, в матрицу бетона закладывают армирующие материалы. С древних времен люди помещали волокна, такие как солома и волосы, в строительные растворы и кирпичи, чтобы улучшить их прочностные и деформативные характеристики при растяжении. Эти древние и простые методы армирования бетона теперь преобразованы в передовые методы, которые включают использование коротких волокон, случайным образом распределенных по бетонной матрице. Полученный композитный материал называется цементным композитом, армированным волокном, хотя известны и другие названия для бетонов, строительных растворов или паст, содержащих волокна в их матрицах [1–4].Основные свойства волокна, которые определяют характеристики композита в свежем и затвердевшем состояниях, включают размеры волокна, модуль упругости, предел прочности при растяжении, предельную деформацию, а также сцепление и химическую совместимость с матрицей. Рассматривая различные волокнистые материалы, используемые в текущей практике, можно выделить четыре основные категории металлических, стеклянных, полимерных и натуральных волокон [5, 6].Объектом исследований, приведенных в [10, 11], являлся дисперсно-армированный облегчённый бетон, включающий в своем составе как тяжелый, так и лёгкий заполнитель, то есть часть тяжелого традиционного заполнителя из плотных горных пород заменена аналогом по объему, но существенно меньшим по массе лёгким пористым заполнителем. В качестве исходных компонентов были применены гранитный щебень и шлаковая пемза. Следует отметить, что в результате такого исследования решалась не только техническая проблема, то есть снижение веса зданий и сооружений за счёт снижения плотности применяемого бетона при сохраненной его прочности, но также и проблема стоимости возводимых зданий и сооружений, так как в результате существенно снижается не только вес, но и стоимость применяемого бетона, ввиду более низкой стоимости шлаковой пемзы по сравнению с гранитом.В [1, 4] проверялось влияние рубленого базальтового волокна в керамзитобетоне на улучшение его прочности. Были получены экспериментальные зависимости поведения бетона под нагрузкой с помощью испытаний на сжатие и изгиб. Дисперсное рубленое базальтовое волокно использовалось в качестве армирования образцов размерами 100×100×100 мм и 100×100×400 мм. Фактически, влияние непосредственно на характер разрушения наблюдалось на керамзитобетоне без базальтовой фибры и затем считывалось по значению прочности и предельной деформации образцов [1].Искусственные нейронные сети активно применяются для предсказания механических свойств фибробетонов [12, 13]. В [12] c помощью искусственных нейронных сетей получена аналитическая модель, описывающая конечную прочность сцепления через средние значения касательных напряжений. В качестве объекта исследования выступает бетон различных классов прочности, армированный металлической и композитной арматурой. Установлено, что величина сцепления связана с прочностными характеристиками бетона и видом применяемой арматуры. Техника искусственных нейронных сетей предложена в [13] для предсказания прочности связи фиброволокна и цементной матрицы.В работе [10] исследовались прочностные свойства мелкозернистого бетона, армированного аморфным волокном на основе системы Fe-B-C и получаемого методом «прядения», и бетонов, армированных доступными видами фибры: фиброй на основе минеральной ваты, базальтовым волокном, стекловолокном, стальными и полипропиленовыми волокнами. Наибольшие значения прочности на изгиб показали образцы с аморфным волокном, а наибольшую прочность на сжатие – со стальной фиброй. Добавление аморфных волокон приводит к увеличению прочности на изгиб на 56 %, но снижает прочность на сжатие на 30 % по сравнению с контрольными образцами. Добавление стальной фибры показывает увеличение прочности на изгиб на 20 % и увеличение прочности на сжатие на 14 %, что подтверждает положительный эффект от добавления коммерчески доступной фибры к мелкозернистому бетону. Авторами разработаны составы фибробетона с пределом прочности на сжатие до 38 МПа и пределом прочности при изгибе до 12 МПа, что позволяет использовать аморфную фибру в качестве компонента мелкозернистого бетона в строительстве [10].Механические свойства и долговечность легкого бетона на основе пемзы, армированного базальтовым волокном и содержащего наноразмерный карбонат кальция (НКК) исследованы в [11]. НКК использовался в качестве замены портландцемента в различном процентном соотношении: от 5 до 25 с шагом 5 %. Базальтовые волокна длиной 6 мм были добавлены в двух количествах: 0,5 % и 1 % по объему. Результаты исследований показали, что смеси с добавлением НКК имели более низкие результаты по механической прочности в раннем возрасте и сопоставимые с контрольными смесями – в более позднем возрасте. Добавление НКК также привело к снижению водопоглощения, сорбционной способности и повышенной устойчивости к сульфату магния по сравнению с контрольным составом легкого бетона. Использование базальтового волокна улучшило механические свойства легкого бетона на основе пемзы, но ухудшило свойства свежеприготовленного бетона. Показано, что полученный вид бетона может применяться в промышленности по производству экологически чистых бетонных блоков наряду с геополимерными облегченными бетонами [10, 11].Проанализированные публикации не дают всех ответов на вопросы, касающиеся прочностных и деформативных характеристик облегченных бетонов [14–21] с добавлением дисперсно-армирующих волокон [1–9, 22]. Не изучено влияние рецептурных факторов на диаграммы деформирования таких бетонов.Таким образом, целью работы стало исследование напряженно-деформированного состояния облегченных фибробетонов, а также построение диаграмм напряжения – деформации и их анализ для выявления наиболее эффективного вида применяемой фибры.Материалы и методы. При проведении экспериментальных исследований применялся портландцемент марки ПЦ 500 Д0, физико-механические характеристики которого представлены в таблице 1. Таблица 1Физико-механические характеристики портландцемента ПЦ 500 Д0 Наименование показателяФактическое значенияФизико-механические показатели Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток, МПа54,8Сроки схватывания, мин- начало- конец 155220Тонкость помола (проход через сито № 008), %96,7Удельная поверхность, см2/г2930Нормальная густота цементного теста, %23,5  В качестве крупного плотного заполнителя применялся щебень гранитный со следующими физико-механическими характеристиками: размер фракций – 5-20 мм; насыпная плотность – 1503 кг/м3; истинная плотность – 2620 кг/м3; дробимость – 11,4 % по массе; содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм –8,1 % по массе; пустотность – 43 %. В качестве крупного легкого заполнителя применялась шлаковая пемза: размер фракций – 5-20 мм; насыпная плотность – 612 кг/м3; истинная плотность – 1310 кг/м3; прочность по ГОСТ 32496 – 0,8 МПа; пустотность – 53 %.В качестве мелкого заполнителя применялся песок кварцевый со следующими физическими характеристиками: модуль крупности – 1,66; содержание пылевидных и глинистых частиц – 1,2 %; насыпная плотность – 1438 кг/м3; истинная плотность – 2650 кг/м3.В качестве дисперсной арматуры применялась базальтовая и стеклянная фибра. В таблице 2 представлены физико-механические характеристики применяемой фибры. Таблица 2Физико-механические показатели фибры Вид фибры Прочность на растяжение, МПаДлина волокна, ммМодуль упругости, ГПаПлотность, кг/м³Коэффициент удлинения, %Базальтовая3200128026003,2Стеклянная1800127026001,5 Для регулирования подвижности бетонных смесей использовался суперпластификатор Muraplast FK 48.Всего было изготовлено и испытано 4 серии образцов с размерами 150х150х600 мм:первая серия – контрольный состав облегченного бетона;вторая серия – облегченный бетон с содержанием базальтовой фибры 3 %;третья серия – облегченный бетон с содержанием стеклянной фибры 3 %;четвертая серия – облегчённый бетон с содержанием базальтовой фибры 1,5 % и стеклянной фибры – 1,5 %.Параметры состава бетонной смеси для изготовления опытных образцов рассчитывались согласно [8, 23, 24] и приведены в таблице 3.Примечание. В/Ц – водоцементное отношение; Ц – расход цемента; В – расход воды; Щ – расход щебня; П – расход песка; ρбс – плотность бетонной смесиТакже для исследований были применены: испытательное оборудование (пресс гидравлический ИП-1000 (ООО НПК «ТЕХМАШ», г. Нефтекамск, Республика Башкортостан, Россия)), средства измерения (линейка измерительная металлическая, весы лабораторные, прибор для измерения отклонений от плоскости НПЛ-1, прибор для измерения отклонений от перпендикулярности НПР-1).Применялась стандартная методика испытаний по ГОСТ 24452-80 «Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона». Нагружение образцов производилось ступенями по 10 % от ожидаемой разрушающей нагрузки со скоростью (0,6±0,2) МПа/с.Испытания на осевое растяжение проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».Измерения деформаций бетона опытных призм производились цепочкой тензодатчиков с базой 50 мм и индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм. Таблица 3Параметры состава бетонной смесиНаименование параметраВ/ЦЦ, кг/м3В, л/м3Щ, кг/м3П, кг/м3ρбс, кг/м3Марка по удобо-укладываемости (осадке конуса)гранитный щебеньшлаковая пемзаЗначение параметра0,57373205670 (60 %по объему)180 (40 %по объему)5201948П1  Основная часть. Результаты, полученные по итогам испытаний опытных образцов облегченных бетонов представлены в таблице 4.По результатам испытаний были построены диаграммы сжатия «εb-σb» и растяжения «εbt-σbt». Графические зависимости «напряжения – деформации» представлены на рисунках 1 и 2. Таблица 4Результаты определения прочностных и деформативных характеристик и их приростов опытных образцов облегченных бетоновХарактеристики бетона1 серия2 серия3 серия4 серияRb, МПа (ΔRb, %)33,7 (0)38,5 (+14)37,9 (+12)36,2 (+7)εbR, мм/м·10-3 (ΔεbR, %)2,65 (0)3,92 (+45)3,11 (+31)3,03 (+24)Rbt, МПа (ΔRbt, %)2,9 (0)4,2 (+48)3,8 (+17)3,6 (+14)εbtR, мм/м·10-4 (ΔεbtR, %)1,67 (0)5,78 (+350)5,56 (+330)4,51 (+270)E, ГПа (ΔE, %)29,1 (0)33,6 (+15)32,8 (+12)31,2 (+7)Примечание. Rb – призменная прочность на сжатие; εbR – предельные деформации при осевом сжатии; Rbt – прочность на осевое растяжение; εbtR – предельные деформации при осевом растяжении; E – модуль упругости; ΔRb – прирост призменной прочности на сжатие; ΔεbR – прирост предельных деформаций при осевом растяжении; ΔRbt – прирост прочности на осевое растяжение; ΔεbtR – прирост предельных деформаций при осевом растяжении; ΔE – прирост модуля упругости. Рис. 1. Криволинейная диаграмма состояния сжатого бетона ОБ – облегченный бетон; ОБ+Б – облегченный фибробетон с содержанием фибры 3 %; ОБ+С – облегченный бетон с  содержанием стеклянной фибры 3 %; ОБ+БС – облегчённый бетон с содержанием базальтовой фибры 1,5 % и стеклянной фибры – 1,5 % Рис. 2. Криволинейная диаграмма состояния растянутого бетона (см. рисунок 1)  Анализ построенных диаграмм «напряжения – деформации» всех четырех исследованных видов бетонов выявил следующее. Наименьшей деформативностью обладает неармированный облегченный бетон, выступавший в качестве контрольного состава, его пик диаграммы находится левее и ниже всех остальных пиков. Наибольшей деформативностью обладает облегченный бетон, дисперсно-армированный базальтовым фиброволокном. Его пик диаграммы находится правее и выше всех остальных пиков. При распределении стеклянных и базальтовых волокон в бетоне наблюдалась тенденция неравномерного диспергирования волокон в матрице ввиду различий в характеристиках волокон, их поведении в механике процесса перемешивания и иных факторов, что требует дополнительных усилий по гомогенизации фибры в теле бетона. Данное обстоятельство приводит к увеличению водоцементного отношения до 0,6–0,62 или дополнительному перемешиванию, которое может потенциально повредить волокна и поставить под угрозу их долговременные характеристики. Следует отметить, что влияние фиброволокна на удобоукладываемость бетона сильно зависит от соотношения сторон и площади поверхности волокон. Марка по удобоукладываемости (осадке конуса) контрольного состава (первая серия образцов) составляла П2, у составов же с фиброй (вторая, третья и четвертая серии образцов) она изменялась до П1.Выводы. В результате проведённых исследований сделаны следующие выводы. Наибольшей деформативностью обладает облегченный бетон, армированный базальтовой фиброй. Факт лучшей совместной работы бетонной матрицы и базальтового волокна обусловлен прежде всего наилучшими механическими характеристиками базальтовой фибры. В сравнении со стеклянной фиброй и с комбинированной (базальтовая и стеклянная) базальтовая имеет большую прочность при растяжении и более высокое значение модуля упругости.Однако в дальнейшем планируется изучить прочность сцепления фибры с матрицей. Сцепление фибры с бетонной матрицей композита является результатом комбинированного проявления адгезии, трения и механического зацепления в зоне их контакта с цементным камнем. Влияние каждого из этих факторов на анкеровку волокон в матрице может быть различным и зависит от состава, структуры и свойств цементного камня, а также от материала фибр, их формы и размеров.Полученные в ходе исследования результаты рекомендуются к внедрению в практику строительства и производства.