Диаграммы разрушения цементных композитов, армированных аморфнометаллической фиброй Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ü

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2020. № 3 (6)

УДК 691.3

DOI 10.24411/2686-7818-2020-10025

ДИАГРАММЫ РАЗРУШЕНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ, АРМИРОВАННЫХ АМОРФНОМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФИБРОЙ*

© 2020 Ю.В. Пухаренко, В.И. Морозов, Д.А. Пантелеев, М.И. Жаворонков**

Рассматриваются вопросы моделирования процесса деформирования и разрушения фибробетона, армированного новой разновидностью фибры - аморфнометаллической. Приводятся сведения об основных свойствах таких волокон и их влияния на механические характеристики фибробетона. Описываются зависимости, позволяющие теоретически моделировать поведение образцов при их испытании на прочность на растяжение при изгибе, и строить расчетные диаграммы прогибов образцов от прилагаемых к ним нагрузок. Так же в статье представлены результаты испытаний силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фибробетона, его прочности на растяжение при изгибе и модуля упругости. Экспериментальные данные были получены в результате использования устройства, специально разработанного для проведения подобных исследований. Показано, что между полученными расчетными и экспериментальными данными наблюдается удовлетворительная сходимостью.

Ключевые слова: цементный композит, фибробетон, деформации, вязкость разрушения, трещиностойкость, силовые и энергетические характеристики.

В настоящее время на кафедре технологии строительных материалов и метрологии Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета продолжаются исследования свойств фибро-бетонов, изготавливаемых с применением различных видов волокон.

В современной строительной практике к строительным материалам предъявляются все более высокие требования по физико-механическим и эксплуатационным характеристикам, при этом требуется постоянное снижение материально-экономических затрат на производство и монтаж изготавливаемых изделий и конструкций. Данным условиям может ответить такой перспектив-

ный строительный материал как фибробетон. Свойствами и характеристиками получаемых фибробетонов можно в широких пределах управлять изменением вида и расхода армирующих волокон [1, 2]. При этом, степень вли-яния вида волокон при различных его расходах, с учетом всего многообразия существующих видов, остается изученной недостаточно. В связи с этим, особую актуальность приобретают теоретическое обоснование и разработка новых эффективных материалов, методов их испытаний, расчета и проектирования конструкций на их основе.

Одним из новых видов волокон, пополнивших существующую в настоящее время

* Работа представлена в качестве доклада на XI Академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Долговечность, прочность и механика разрушения строительных материалов и конструкций», посвященной памяти первого Председателя Научного совета РААСН «Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов» Почетного члена РААСН, д.т.н., профессора Зайцева Юрия Владимировича (Саранск, ФГБОУ ВО "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва", 2020 год).

** Пухаренко Юрий Владимирович (tsik@spbgasu.ru) - доктор технических наук, профессор; Морозов Валерий Иванович (tsik@spbgasu.ru) - доктор технических наук, профессор; Пантелеев Дмитрий Андреевич (tsik@spbgasu.ru) - кандидат технических наук; Жаворонков Михаил Ильич (tsik@spbgasu.ru) - кандидат технических наук; все - Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (Санкт-Петербург, РФ).

номенклатуру, является аморфное металлическое. Особенности такого вида волокон заключаются в технологии их производства, которая состоит в сверхбыстром охлаждении расплава легированной стали. Находясь в жидком состоянии, расплав не имеет упорядоченной кристаллической решетки, и при быстром охлаждении сохраняет структуру жидкости, переходя в аморфное состояние. Аморфная структура металла обуславливает его особые свойства: повышенную, по сравнению с кристаллическим металлом того же состава, прочность, твердость, коррозионную стойкость, а также более высокий коэффициент интенсивности напряжений. Волокна представляют собой отрезки лент длиной 40 мм, толщиной 20-30 мкм и шириной 2-3 мм. Введение таких волокон в состав бетона, так или иначе влияет на свойства получаемого композита и изменяет характер его деформирования и разрушения под нагрузкой.

Одним из наиболее информативных методов исследования фибробетонов, является построение диаграмм зависимостей прогибов от прилагаемых нагрузок, производимое в процессе испытания стандартных образцов - балок на растяжения при изгибе [3 -5]. Такой метод испытаний регламентирует-

ся ГОСТ 29167. Учитывая особенности фиб-робетона как композиционного материала, существующая методика была усовершенствована и разработано устройство, позволяющее с высокой точностью строить диаграммы разрушения фиброармированных образцов. Примененные при разработке устройства технические решения позволили при использовании неравновесной схемы проведения испытаний контролировать упругие деформации фибробетонного образца с высокой точностью [6 - 7].

Проведенные исследования позволяют представить общий вид диаграммы деформирования фибробетонного образца под нагрузкой, обеспечивающей его изгиб вплоть до разрушения (рис. 1) [8].

На общем виде диаграммы можно отметить четыре ключевых точки, характеризующие переход материала от одной стадии работы материала под нагрузкой к другой. Точка О соответствует началу отсчета, на этом этапе к испытываемому образцу не прикладывается нагрузка. Сразу после точки О образец воспринимает действующую на него нагрузку, деформируясь упруго. Точка T показывает окончание действия упругих деформаций, правее этой точки диаграмма характеризует процесс микротрещинообразо-

ЛС

Т \

ьм / 1

т- сз / V

[Л > / \

1-1-» V

/ \

'о В

1 1 1 Прогиб, мм 1

Рис. 1. Общий вид диаграммы деформирования фибробетонного образца

ü

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2020. № 3 (6)

вания. Микротрещины образуются развиваются и сливаются в магистральную трещину, начало ее движения соответствует точке С. Правее точки С на диаграмме можно увидеть плавно нисходящий участок. Данный участок диаграммы описывает работу материала с трещиной. Точка О характеризует окончание испытания .

Представленные диаграммы можно построить экспериментальным путем в процессе испытаний натурных образцов. Однако этот процесс может оказаться достаточно трудоемким, поскольку перед началом испытаний требуется произвести специфическую подготовку образцов, а полученные данные следует обрабатывать по особой методике. Поэтому, представляется разумным произвести предварительное теоретическое прогнозирование поведения фибробетона под нагрузкой, а затем выборочно проверить полученные модели экспериментальным путем.

Совершенно очевидно, что высокомодульные и низкомодульные волокна по-разному влияют на механизмы разрушения фибробетона, при этом волокна могут как обрываться при разрушении фибробетона, так и вытягиваться из матрицы [9 -11]. И при этом, координаты ключевых точек диаграмм будут зависеть от длины волокон, их диаметра, прочности, модуля упругости, расхода и прочности сцепления с матрицей. Большинство упомянутых характеристик представляют собой справочные данные, другие несложно определить расчетным или экспериментальным путем по соответствующим методикам.

При проведении теоретического прогнозирования поведения фибробетона под нагрузкой, предлагается определять координаты ключевых точек диаграмм разрушения расчетным путем.

Для этого предполагается, что микротре-щинообразование в фибробетоне начинается при одинаковых с неармированным образцом прогибах, которые по имеющейся информации колеблются в интервале 0,030,04 мм. В этом случае нагрузку, и соответ-

ственно местоположение точки Т, можно определить по формуле (1):

/т 48Ер1

P =

О

(1)

где Рт - нагрузка, действующая на образец; /Т - прогиб, соответствующий точке Т; I - момент инерции; 1о - база образца (расстояние между опорами), Е^ - модуль упругости фибробетона, который можно рассчитать по правилу смесей (формула 2):

Е/ь = т ьЕь + фт/Е/, (2)

где Еь и Ef - модули упругости бетона и фибры; ць и ^ - объемные доли бетона и фибры; ц - экспериментальный комплексный коэффициент [5, 6]. Нагрузку в точке С можно найти, выражая из известной формулы прочности бетонного образца на растяжение при изгибе (формула 3):

2ЬИ2 Яь

V, (3>

P =

где Я - прочност фибробетона; Ь и Ь - ширина и высота образца . Для расчета прочности фибробетона при использовании высокомодульной фибры при разрушения образца в результате разрыва волокон следует применять формулу 4:

Я/ь = я1 mf + + Р-ь (1 - 4,5т/) (4)

где т - прочность сцепления волокон с матрицей; ^ - длина фибры; у. - объемная доля фибры; д - диаметр фибры; Яь/ Яf и Якз - прочность бетона, фибры и контактной зоны на границе раздела «волокно-матрица».

Для определения координаты, соответствующей точке С по оси прогибов, предлагается формула (5), полученная путем выражения этой величины из уравнения (1) после внесения некоторых изменений, связанных с тем, что в данный момент рассматривается зона пластического деформирования:

73

fc =

PçK

48E;/

(5)

где Е/ - модуль деформации фибробетона.

Модуль деформации фибробетона можно найти по формуле 6:

где ЕI - модуль упругости фибробетона, п -

коэффициент упругопластичности в момент, предшествующий разрушению фибробетона.

При построении линии СЭ необходимо учитывать, что при достижении максимальной нагрузки в точке С магистральная трещина в образце проходит через все рабочее сечение, и участие матрицы в дальнейшем процессе практически прекращается. Восприятие нагрузок в нисходящей части диаграммы обеспечивается только прочностью сцепления волокон с матрицей в процессе их вытягивания.

Для построения нисходящего участка диаграммы, в зависимости от длины фибры, следует применить формулу (7) которая позволяет определить прогиб в точке Э при длине фибры больше критической, когда волокна при разрушении композита в основном разрываются, и вытягивается из матрицы лишь некоторая их часть, имеющая в ней неглубокую заделку

¡4 d tbhm f 12/2

fD = 2-f- + fc

(7)

где 1с - критическая длина фибры.

Выше указывалось, нагрузка, соответствующая точке Э, равна нулю. Соединив точки С и Э, получим под линией СЭ прямоугольный треугольник, площадь которого равна энергетическим затратам на статическое разрушение композита в результате движения магистральной трещины, то есть вязкости разрушения фибробетона (М) Следует заметить, что правая ветвь на экспериментальных диаграммах имеет вид плавно нисходящей линии. Для достижения удовлетворительного согласия между расчетными и экспериментальными диаграммами, можно путем последовательного приближения, в результате логарифмической аппроксимации полученного отрезка СЭ и увеличения прогиба в точке Э, добиться равной с треугольником площади.

Примеры диаграмм, полученных расчетным путем с применением предлагаемых теоретических зависимостей, представлены на рис. 2.

Численные значения характеристик трещиностойкости, определенные с помощью расчетных диаграмм, приведены ниже в таблице. По представленным данным видно, что аморфная металлическая фибра значительно увеличивает модуль упругости, критический коэффициент интенсивности напряжений и повышает условные энерго-

Рис. 2. Расчетная и экспериментальная диаграмма разрушения фибробетона

ф

ЭКСПЕРТ: 7П2П N0 3 (6) EXPERT:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА J \ THEORY AND PRACTICE

Результаты расчетного и экспериментального определения характеристик трещиностойкости,

прочности и модуля упругости

Характеристика трещиностойкости Объемное содержание фибры, %

0% 1% 1,5 %

С, - условные удельные энергозатраты на статическое разрушение до момента начала движения магистральной трещины, Дж/м2 Эксперимент 12 541 611

Расчет 319 522

G*f - условные удельные эффективные энергозатраты на статическое разрушение, Дж/м2 Эксперимент 15 706 913

Расчет 849 1189

К*с - условный критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа-м°,5 Эксперимент 0,35 0,73 0,94

Расчет 0,76 0,85

Прочность на растяжение при изгибе, МПа Эксперимент 4,41 9,37 10,54

Расчет 9,81 11,01

Модуль упругости, МПа*103 Эксперимент 30,1 38,2 40,1

Расчет 37,3 39,9

затраты на разрушение на разных этапах работы образца под нагрузкой.

В целом, по представленным данным можно проследить удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных данных, что подтверждает справедливость выбранных подходов и принятых допущений. В некоторых отдельных случаях, когда разница между расчетными и экспериментальными данными представляется существенной следует отметить то, что при расчете рассматривался идеальный случай, тогда как на практике испытываемые образцы, как правило, имеют некоторые дефекты и отклонения.

Важно подчеркнуть, что значения энергозатрат и коэффициента интенсивности напряжений вычисляются с учетом координат точек Т и С на диаграммах разрушения фиб-робетонных образцов, точность определения которых стандартными методами вызывает серьезные затруднения.

В представленной работе предложены и апробированы теоретические зависимости, позволяющие строить диаграммы разрушения фибробетонных образцов, изготовленных с использованием аморфной металлической фибры, применение которых может значительно упростить и ускорить проведение предварительных этапов исследований свойств различных видов фибр. Предложенная методика и устройство, разработанные в рамках данного исследования, по-

зволили получить диаграммы разрушения фибробетонных образцов с более высокой, по сравнению со стандартным методом, точностью. Удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о справедливости предложенных подходов и допущений.

Библиографический список

1. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно - армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции.- М.: Издательство АСВ, 2004. - 560 с.

2. Рабинович Ф.Н. Бетоны, дисперсно - армированные волокнами: Обзор / Всесоюзный научно-исследовательский институт научной и технической информации и экономики промышленности строительных материалов. - М., 1976 - 73 с.

3. Мэттьюз Ф. Композиционные материалы. Механика и технология. / Ф. Мэттьюз, Р. Ролингс - М.: Техносфера, 2004. - 408 с.

4. Партон В.З. Механика разрушения: От те -ории к практике. - М.: Наука, 1990. - 240 с.

5. Зерцалов М.Г. Экспериментальное определение характеристик трещиностойкости фиб-робетона / М.Г. Зерцалов, Е.А. Хотеев // Вестник МГСУ. - 2014. - № 5. - С. 91-99.

6. Жаворонков М.И. Методика определения энергетических и силовых характеристик разрушения фибробетона // Вестник гражданских инженеров. - 2014. - № 6(47). - С. 155-160.

7. Жаворонков М.И. Определение характеристик разрушения и модуля упругости фибробетона // Известия КГАСУ. - 2015. - № 3(33). -С. 114-120.

8. Пухаренко Ю.В. Диаграммы деформирования цементных композитов, армированных стальной проволочной фиброй / Ю.В. Пухаренко, Д.А. Пантелеев, М.И. Жаворонков // Academia. Архитектура и строительство. - 2018. - № 2. - С. 143-147.

9. Пухаренко Ю.В., Голубев В.Ю. О вязкости разрушения фибробетона // Вестник гражданских инженеров. - 2008. - №3. - C. 80-83.

10. Пухаренко Ю.В. Принципы формирования структуры и прогнозирование прочности фибробетонов // Строительные материалы. -2004. - № 10(598). - С. 47-50.

11. Кострикин М.П. Характер и степень взаимодействия синтетической макрофибры с цементным камнем // Вестник гражданских инженеров. - 2018. - № 4(69). - С. 116-120.

Поступила в редакцию 28.04.2020 г.

DIAGRAMS OF DESTRUCTION OF CEMENT COMPOSITE MATERIALS REINFORCED WITH AMORPHOUS METAL FIBERS

© 2020 Yu.V. Pukharenko, V.I. Morozov, D.A. Panteleev, M.I. Zhavoronkov*

The problems of modeling the process of deformation and fracture of fiber reinforced concrete reinforced with a new type of fiber - amorphous metal are considered. Information is provided on the basic properties of such fibers and their effect on the mechanical characteristics of fiber-reinforced concrete. The dependences are described that make it possible to theoretically simulate the behavior of samples during their testing for tensile strength in bending, and to construct calculated diagrams of deflection of samples from the loads applied to them. The article also presents the results of testing the force and energy characteristics of the crack resistance of fiber-reinforced concrete, its tensile strength under bending and the elastic modulus. The experimental data were obtained as a result of using a device specially designed for such studies. It is shown that satisfactory convergence is observed between the calculated and experimental data.

Keywords: cement composite, fiber-reinforced concrete, deformation, fracture toughness, crack resistance, power and energy characteristics.

Received for publication on 28.04.2020

* Pukharenko Yuri Vladimirovich - Doctor of Sciences, Professor; Morozov Valery Ivanovich - Doctor of Sciences, Professor; Panteleev Dmitry Andreevich - Candidate of Sciences; Zhavoronkov Mikhail Ilyich -Candidate of Sciences; Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (Saint-Petersburg, Russia).