ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ФИБРЫ И КРУПНОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ В ВИБРОЦЕНТРИФУГИРОВАННЫХ БЕТОНАХ

Нажуев М.П.; Халюшев А.К.; Ткач П.С.; Ефимов И.И.; Санин И.С.; Курбанов Н.С.; Орлов М.Г.

Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.todav 2020, №2, Том 12 / 2020, No 2, Vol 12 https://esj.today/issue-2-2020.html URL статьи: https://esj.today/PDF/45SAVN220.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:

Нажуев М.П., Халюшев А.К., Ткач П.С., Ефимов И.И., Санин И.С., Курбанов Н.С., Орлов М.Г. Эффективность применения различных видов фибры и крупного заполнителя в виброцентрифугированных бетонах // Вестник Евразийской науки, 2020 №2, https://esj.today/PDF/45SAVN220.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

For citation:

Nazhuev M.P., Khalyushev A.K., Tkach P.S., Efimov I.I., Sanin I.S., Kurbanov N.S., Orlov M.G. (2020). Efficiency of using various types of fiber and coarse aggregate in vibrocentrifuged concrete. The Eurasian Scientific Journal, [online] 2(12). Available at: https://esj.today/PDF/45SAVN220.pdf (in Russian)

УДК 691 ГРНТИ 67.09.33

Нажуев Мухума Пахрудинович

ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный технический университет», Махачкала, Россия

Аспирант E-mail: [email protected]

Халюшев Александр Каюмович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики»

Кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]

Ткач Павел Сергеевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Ефимов Иван Иванович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Санин Иван Сергеевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Курбанов Надир Сейфудинович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Орлов Максим Геннадьевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Студент E-mail: [email protected]

Эффективность применения различных видов фибры и крупного заполнителя в виброцентрифугированных бетонах

Аннотация. В статье приведен обзор научной литературы, посвященной тематике армирования различных видов бетона и изделий и конструкций из него дисперсными волокнами (фибрами). Отмечено, что наиболее показательными характеристиками фибробетона являются прочность, вязкость и работа разрушения при осевом растяжении и изгибе. По последнему показателю фибробетон может в 15-20 раз превосходить обычный бетон. Существенным же недостатком центрифугированного бетона является его способность к хрупкому разрушению, связанному с непропорциональностью возрастания предела прочности при сжатии и растяжении. Именно это несоответствие определяет появление продольных трещин в центрифугированных изделиях и особенно в опорах. Целью исследования является изучение влияния разного вида фибры и крупного заполнителя на механические свойства виброцентрифугированного бетона. Для исследований механических свойств был сделан подбор состава центрифугированного бетона. Планирование эксперимента по оценке различных факторов на механические свойства виброцентрифугированного бетона проводилась по схеме дисперсионного анализа с помощью латинского квадрата. Одним из достоинств использования алгоритма латинского квадрата является минимальное число опытов, которое определяется произведением уровней и исследуемых факторов. По результатам полученных данных на основе экспериментов, выполненных по схеме дисперсионного анализа с применением латинского квадрата 3x3, найдены наиболее оптимальные сочетания фибры и плотного крупного заполнителя в составе виброцентрифугированного бетона.

Ключевые слова: фибра; дисперсное армирование; фибробетон; крупный заполнитель; виброцентрифугированный бетон; механические свойства; дисперсионный анализ

Бетон, армированный дисперсными волокнами - фибрами, называется фибробетоном. Данный вид бетона имеет улучшенные трещиностойкость, прочность на растяжение, ударную вязкость и сопротивление истираемости. Фибробетонные изделия можно изготавливать не армированными металлическими сетками и каркасами, что значительно упрощает технологию производства изделия и уменьшает ее трудоемкость [1].

В зарубежной практике армированные волокнами бетоны применяют при производстве железобетонных труб, дорожных и аэродромных покрытий, отдельных конструкций гидротехнических сооружений, облицовочных элементов зданий и других изделий и конструкций [2].

За счет армирования фиброй бетон разрушается не сразу, а постепенно. Начинается такое разрушение появлением микротрещин, количество которых постепенно увеличивается. Для образования сплошной трещины необходимы более значительные деформации по сравнению с бетоном без фибры. Дисперсные волокна как бы связывают бетон, улучшая его сопротивление растягивающим напряжениям. Под воздействием механических или тепловых ударов бетон не выкрашивается на поверхности и при этом длительное время обеспечивает защиту арматуры или более глубоких слоев. За счет такого поведения армированного фиброй бетона при нагружении обеспечивается повышение надежности работы изделий и конструкций во время эксплуатации в особых случаях [3].

Дисперсное армирование заключается в равномерном распределении волокон-фибр в теле бетона. Для этого применяются следующие виды фибры: металлические, неметаллические минерального или органического происхождения [4; 5].

Работы большинства авторов свидетельствуют о том, что наиболее важными и определяющими свойствами фибробетона являются прочность, вязкость и работа при осевом растяжении и изгибе. По последнему показателю армированный фиброй бетон может в 15-20 раз превосходить бетон без фибры [6-11].

С другой стороны, существенным недостатком центрифугированного бетона является его склонность к хрупкому разрушению, связанному с анизотропией свойств по толщине бетона и непропорциональным увеличением пределов прочности на сжатие и растяжение. Ряд исследователей [12] считает, что именно это несоответствие определяет появление продольных трещин в центрифугированных изделиях и особенно в опорах.

В работе [13] подробно изучен механизм взаимодействия пористых и волокнистых компонентов при центробежном уплотнении бетонной смеси, который был представлен следующими этапами: вначале был установлен характер распределения волокнистого материала в структуре мелкозернистого бетона с плотным заполнителем. Определено влияние вида волокнистого материала и его дозировки (изменяющейся в широком диапазоне) на свойства полученных бетонов.

В исследовании сравнивались прочностные свойства центрифугированных образцов с результатами испытания вибрированных бетонов:

• на втором этапе экспериментально изучалась роль пористой добавки, заменяющей часть плотного мелкого заполнителя. В этих исследованиях диапазон варьирования дозировки волокнистого материала сужен, равно как и содержание пористого заполнителя;

• на третьем этапе при планировании многофакторного эксперимента было изучено взаимное влияние дозировки пористого и волокнистого компонентов на структуру центрифугированного бетона и его механические свойства. В данном случае наибольшую ценность представляет корреляцонно-регрессионные зависимости механических свойств бетона от количества пористой добавки, волокнистого материала и длины волокна;

• на четвертом этапе полученные результаты были проверены экспериментально на центрифугированном бетоне с крупным заполнителем, используя при этом образцы-фрагменты реальных конструкций, изготовленных при режимах уплотнения, рекомендуемых нормативными документами. Необходимость подобных испытаний вызвана тем, что характер изменения прочностных свойств по толщине опытного образца-кольца непосредственно зависит от масштабного фактора, в то время как эксперименты, проведенные ранее, можно было осуществлять на образцах меньшего размера.

Оптимальная дозировка волокнистой добавки определялась на мелкозернистых бетонных смесях с плотным заполнителем.

В качестве варьируемого фактора принимались предел прочности при изгибе вибрированных балочек размером (0,04x0,04x0,16) м и предел прочности на сжатие их половинок.

Полученные данные были проверены на образцах из центрифугированного бетона.

Из указанных выше составов формировались следующей формы и размеров образцы: вибрированные кубы (0,07x0,07x0,07) м и (0,10x0,10x0,10) м; призмы (0,07x0,07x0,30) м и (0,10x0,10x0,40) м; центрифугированные кольца диаметром 0,40 м, длиной 0,07 и 0,30 м при толщине стенки 0,07 м; кольца высотой 0,3 м, разрезанные на призмы размером (0,07x0,07x0,30) м.

Испытания пропаренных образцов проводились через 8 ч после тепловлажностной обработки и в 28-суточном возрасте, а образцы естественного твердения в 7- и 28-суточном возрасте.

Влияние вида и количества волокнистой добавки на механические свойства мелкозернистого бетона изучалось на составах с отходом асбестоцементного производства, волокнами распушенного асбеста, отходом минераловатного производства.

В процессе исследования из одного замеса мелкозернистого бетона непостоянного состава и подвижности изготавливались как вибрированные, так и центрифугированные образцы (кубы, кольца, призмы) с различным содержанием армирующей добавки.

Анализ полученных данных показывает, что при введении волокнистых компонентов в состав мелкозернистого бетона его прочность на растяжение при изгибе повышается до 40 %, а на растяжение при раскалывании - до 35 %. Повышенные показатели этих свойств отмечены при содержании добавки минерального волокна и волокон распушенного асбеста в пределах 0,03-0,09 %, а отхода асбестоцементного производства 0,3-0,9 % от расхода цемента.

Отмечено, что в вибрированных бетонах величина оптимального количества волокнистой добавки сдвигается к нижней границе, в то время как в центрифугированных - к верхней. Это объясняется характером распределения волокна в затвердевшей системе. Как и следовало ожидать, при центрифугировании значительная часть волокнистого материала выжимается во внутренний слой и поэтому его оптимальное содержание в системе должно быть выше. Снижение водоцементного отношения при центрифугировании предопределило получение центрифугированных бетонов с более высоким пределом прочности на растяжение при раскалывании по сравнению с виброуплотненными бетонами при равных содержаниях добавок. Одновременно с этим введение в состав бетонной смеси волокон распушенного асбеста и отхода минераловатного производства повышало подвижность бетонной смеси и облегчало тем самым процесс водоотделения при центрифугировании. Плотность отошедшего шлама снижалась по сравнению с бетонами контрольного состава.

Результаты испытаний сегмента колец (как вибрированных, так центрифугированных) с использованием метода акустической эмиссии выявили различный характер образования и развития микротрещин при нагружении образцов.

Наличие волокнистой добавки изменяет характер трещинообразования материала: процесс образования и интенсивности роста трещин в бетонах с добавкой, по сравнению с контрольными образцами, происходит при большей степени загружения и в более поздние сроки с момента приложения нагрузки. Это можно объяснить тем, что в армированном волокном материале для развития образовавшихся трещин необходима дополнительная внешняя энергия, которая должна превысить величину сцепления «арматуры» с матрицей, что возможно только при увеличении степени загружения материала.

Результаты качественной оценки характера микротрещинообразования позволяют дать косвенную оценку его границ. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что нижняя и верхняя границы микротрещинообразования мелкозернистых бетонов с модифицирующими добавками повышаются, и это может быть залогом повышенной трещиностойкости центрифугированного бетона с добавками пористых и волокнистых минеральных компонентов [13].

Страница 4 из 10

45SAVN220

Целью исследования является изучение влияния разного вида фибры и крупного заполнителя на механические свойства виброцентрифугированного бетона.

В качестве исходных компонентов для приготовления виброцентрифугированного бетона приняты следующие материалы [14-18]:

щебень гранитный ОАО «Павловск Неруд» фракции 5-10 мм с маркой по дробимости Др1400;

щебень из песчаника фракции 5-10 мм с маркой по дробимости Др1000; щебень из известняка фракции 5-10 мм с маркой по дробимости Др1000; песок кварцевый Грушевского месторождения (Мк = 2,0); три различных вида фибры (полипропиленовая, базальтовая и стальная).

Для исследований механических свойств был сделан подбор состава центрифугированного бетона по методу проф. Ахвердова И.Н. [18]. Состав бетона с проектным классом В40 П1 (осадка конуса 1-3 см) на 1 м3, кг: Ц - 398; Щ - 1274; П - 658; В - 175. Фибровое волокно вводили в бетонную смесь в дозировке от 1 до 3 %.

Для исследований показателей прочности бетона на сжатие и на растяжение при изгибе готовили замес на 9,0 л.

Из бетонной смеси изготавливали кубики размером 100 мм и призмы с размерами 100^100x400 мм, которые затем набирали прочность в нормальных условиях.

Планирование эксперимента по оценке различных факторов на механические свойства виброцентрифугированного бетона проводилось путем дисперсионного анализа методом латинского квадрата. Достоинством применения метода латинского квадрата является минимальное число экспериментов, определяемое произведением уровней и исследуемых факторов. Так, например, при одинаковом количестве факторов и уровней ПФЭ дает N = 33 = 27 опытов [19].

В данной работе необходимо было оценить влияние трех меняющихся факторов А, В, С на механические свойства виброцентрифугированного бетона:

• фактор А (строка плана) - содержание фибры в составе виброцентрифугированного бетона, %: 1, 2, 3;

• фактор В (столбец плана) - вид плотного заполнителя в составе виброцентрифугированного бетона: гранит, известняк, песчаник;

• фактор С (элемент плана) - вид фибры: полимерная, базальтовая, стальная.

В качестве выходных параметров были приняты следующие механические свойства:

У] - предел прочности при сжатии виброцентрифугированного бетона в возрасте 28 суток нормального твердения, МПа - не менее 50;

У2 - предел прочности на растяжение при изгибе, не менее 3,5 МПа.

Результаты экспериментов по схеме трехуровневого латинского квадрата можно представить моделью:

Ух]к = ^ + Щ + Р)+Ук + аф] + ^хУк + Р]Ук + щР]Гк + е1]к, (1)

в которой имеются кроме линейных эффектов еще три парных эффекта и один тройной эффект взаимодействия факторов; е^^ - ошибка с нормальным распределением.

Если предположить, что взаимодействия факторов незначимы, то результаты эксперимента можно представить моделью:

ут =р + щ+Р;+ук + ет. (2)

Расчет итогов по строкам Лг, столбцам Bj и элементам квадрата Ск

А1=У1+У2+ Уз;^2 =У4+У5+ У6';^3 = У7 + У8 + У 9, (3)

В1=У1+У4+ У7';В2 = У2 + У5 + У8~;Вз = Уз + Уб + У9, (4)

С1=У1+У6+ У8; С2=У2+У4+ У9; С3 = Уз + У5 + У7. (5)

План эксперимента и расчеты итогов представлены в таблице 1.

Таблица 1

План эксперимента и расчеты итогов по схеме трехуровневого латинского квадрата

Фактор А Фактор В Итоги по строкам А

b 1 - гранит b2 - известняк b3 - песчаник

a1 - 1 % С1 C2 C3 An = 158,3 A1 = 10,4

У11 = 49,4 У21 = 3,6 У12 = 51,1 У22 = 3,4 У13 = 57,8 У23 = 3,4

a2 - 2 % С2 С3 C1 Au = 153,2 a22 = 10,1

У14 = 53,0 У24 = 3,8 У15 = 58,6 У 25 = 3,6 У16 = 41,6 У26 = 2,7

аз - 3 % С3 C1 C2 A13 = 154,5 A23 = 10,5

У17 = 59,8 У 27 = 4,4 У18 = 44,2 У28 = 3,2 У19 = 50,5 У29 = 2,9

Итоги по столбцам В Bn = 162,2 B21 = 11,8 B12 = 153,9 B22 = 10,2 B13 = 149,9 B23 = 9,0 Общий итог: Gl = 466,0 G2 = 31

Итоги по элементам C Cn = 135,2 C21 = 9,5 C12 = 154,6 C22 = 10,1 C13 = 176,2 C23 = 11,4

Составлено авторами

Принятие решения осуществляется по расчетному значению критерия Фишера, которое должно удовлетворять неравенствам:

FpA < FT(fA = p-l,f0 = (p- 1)(р -2),q = 0.05); (6)

FVB<mA,fo,q); (7)

FpC<FT(fA,fo,q); (8)

в этом случае влияние всех факторов несущественно.

Если какое-нибудь из отношений оказывается большим FV, то влияние этого фактора существенно.

Результаты расчетов дисперсионного анализа эксперимента (таблица 2) показывают, что как фактор B (вид плотного заполнителя), так и фактор С (вид фибры) оказывают существенное влияние на Y2 (предел прочности на растяжение при изгибе). Вместе с тем, на выходной параметр Yi (Я28сж - предел прочности бетона при сжатии, МПа) значительное влияние оказывает только фактор С.

Таблица 2

Результаты дисперсионного анализа

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Наименование показателя Расчетная формула № Значение для параметра

Yi (Я28сж, МПа) Y2 (R2V, МПа)

Сумма квадратов всех наблюдений р 2 S — I (Ук )2 1=1 (1) 24445,86 108,78

Сумма квадратов итогов по строкам - Аi 1 p S 2 —1 ZA PTi (2) 24133,13 106,81

Сумма квадратов итогов по столбцам - Б] i p S3 =1ZB2 (3) 24154,69 108,09

Сумма квадратов итогов по элементам - Си 1 p S4 = - IQ2 pt-t (4) 24408,88 107,41

Корректирующий член S = -1 G2 n (5) 24128,44 106,77

Сумма квадратов для строки SA = s2 - s6 (6) 4,69 0,04

Сумма квадратов для столбца SB = s3 - S6 (7) 26,25 1,32

Сумма квадратов для элемента квадрата SC = S4 - S6 (8) 280 0,64

Сумма квадратов общая $общ = s1 - S6 (9) 317,42 2,01

Сумма квадратов остаточная Sост = $общ - (SA + SB + SC ) (10) 6,48 0,01

Дисперсия фактора f2 SA SA - , p - 1 (11) 2,345 0,02

Дисперсия фактора C<2 SB p - 1 (12) 13,125 0,66

Дисперсия фактора q2 sc sc = , p - 1 (13) 140 0,32

Ошибка опыта •> S S2 — ост 0 = (p -1)(p - 2) (14) 3,24 0,005

Расчетное значение критерия Фишера S 2 o2 * pA S 0 (15) 1,17 4

Расчетное значение критерия Фишера ^ = F о 2 1 pB S0 (16) 4,05 132

Расчетное значение критерия Фишера s2 J7 o2 = FpC s0 (17) 43,21 64

Табличное значение критерия Фишера Ft (fa — 2, fo — 2, q = 0,05) (18) 19,0

Составлено авторами

Анализ полученных результатов позволяет выделить наиболее оптимальные сочетания по виду фибры и плотного заполнителя в виброцентрифугированном бетоне, отвечающие требованиям к выходным параметрам Y1 и Y2:

• Ü2bi02 - базальтовая фибра (2 %) - щебень из гранита;

• азЬсз - стальная фибра (3 %) - щебень из гранита;

• а2Ь2Сз - стальная фибра (2 %) - щебень из известняка.

По результатам полученных данных на основе экспериментов, выполненных по схеме дисперсионного анализа с применением латинского квадрата 3x3, найдены наиболее

оптимальные сочетания фибры и плотного крупного заполнителя в составе виброцентрифугированного бетона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баженов Ю.М. Бетоны: технологии будущего // Современные стройматериалы. 2005. С. 50-52.

2. Симакина Г.Н. Высокопрочный дисперсно-армированный бетон: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Пенза, 2006. 161 с.

3. Баженов Ю.М. Модифицированные высококачественные бетоны: науч. изд-е. М.: Изд-во АСВ, 2006. 368 с.

4. Рабинович Ф.Н. Дисперсно армированные бетоны. М.: Стройиздат, 1989. 176 с.

5. Рахимов Р.З. Фибробетон - строительный материал 21 века // Экспозиция 26 (54). Бетон и сухие смеси. 2008.

6. Антропова Е.А., Дробышев Б.А., Амосов П.В. Свойства модифицированного сталефибробетона // Бетон и железобетон. 2002. № 3. С. 3-6.

7. Бабков В.В., Мохов В.Н., Давлетшин М.Б., Парфенов А.В. Технологические возможности повышения ударной выносливости цементных бетонов // Строительные материалы. 2003. № 10. С. 19-20.

8. Бабков В.В., Аминов Ш.Х., Струговец И.Б., Недосеко И.В., Мохов В.Н., Дистанов Р.Ш. Сталефибробетонные конструкции в автодорожном строительстве Республики Башкортостан // Строительные материалы. 2006. № 3. С. 50-53.

9. Баженов Ю.М. Бетон при динамическом нагружении. М.: Стройиздат, 1970. 272 с.

10. Железобетон в XXI веке: Состояние и перспективы развития бетона и железобетона в России / Под ред. К.В. Михайлова / Госстрой России; НИИЖБ. М.: Готика, 2001. 684 с.

11. Крылов Б.А. Фибробетон и его применение в строительстве М.: Стройиздат, 1979. 173 с.

12. Подольский В.И., Рягузов Ю.С. Опоры контактной сети из высокопрочного бетона // Сб. трудов ЦНИПС. М.: Транспорт, 1985. С. 12-21.

13. Романенко Е.Ю. Высокопрочные бетоны с минеральными пористыми и волокнистыми добавками для изготовления длинномерных центрифугированных конструкций: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1989. 179 с.

14. Халюшев А.К., Прудников В.В., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Оценка эффективности комбинирования минеральных добавок в мелкозернистом бетоне // Науковедение. 2017. № 5. URL: https://naukovedenie.ru/PDF/25TVN517.pdf.

15. 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, https://esj .today/PDF/ 14SAVN618.pdf.

16.

17.

18.

19.

20.

Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Влияние вида заполнителя и дисперсного армирования на деформации усадки виброцентрифугированных бетонов / Проблемы и перспективы развития строительства, теплогазоснабжения и энергообеспечения: материалы VIII Национальной конф. с междунар. участием. Наука. Саратов, 2018. С. 323-327.

Щербань Е.М., Стельмах С.А., Нажуев М.П., Холодняк М.Г. Влияние вида заполнителя и дисперсного армирования на деформации ползучести виброцентрифугированных бетонов / Проблемы и перспективы развития строительства, теплогазоснабжения и энергообеспечения: материалы VIII Национальной конф. с междунар. участием / Наука. Саратов, 2018. С. 347-349.

Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Нажуев М.П., Яновская А.В., Осадченко С.А. Механические свойства виброцентрифугированных бетонов с комбинированным заполнителем и волокнистой добавкой // Инженерный вестник Дона: электрон. науч.-инновац. журн. 2018. № 3. http ://ivdon.ru/ru/m agazine/archive/n3y2018/5047.

Ахвердов И.Н. Железобетонные напорные центрифугированные трубы. М.: Стройиздат, 1967. 165 с.

Бондарь А.Г., Статюха Г.А., Потяженко И.А. Планирование эксперимента при оптимизации процессов химической технологии (алгоритмы и примеры): учеб. пособие. К.: Вища шк., 1980. 264 с.

45SAVN220

Nazhuev Mukhuma Pakhrudinovich

Dagestan state technical university, Makhachkala, Russia

E-mail: [email protected]

Khalyushev Aleksandr Kayumovich