CC BY
92
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВОЛОКОН НА СВОЙСТВА ФИБРОБЕТОНОВ
АхмеднабиевРасул Магомедович
канд. техн. наук, доцент, Полтавский национальный технический университет
имени Юрия Кондратюка, г. Полтава E-mail: arasul49@mail. ru Калиман Алексей Михайлович студент 4 курса Полтавский национальный технический университет
имени Юрия Кондратюка, г. Полтава E-mail: kalman@ua.fm Кравчук Николай Юрьевич студент 4 курса Полтавский национальный технический университет
имени Юрия Кондратюка, г. Полтава E-mail: grand nick@i. ua
EFFEKT OF DIFFERENT FIBERS ON THE PROPRTIES OF FIBER-
REINFORCED CONCRET
Akhmednabi Rasul Magomedovich
Ph.D., Poltava National Technical University named after Yuri Kondratyuka
Caliman Alexis
4th year student of Poltava National Technical University named after Yuri
Kondratyuk Kravchuk Nikolay
4th year student of Poltava National Technical University named after Yuri
Kondratyuk
АННОТАЦИЯ
Приведены результаты исследования влияния волокон различного происхождения на трещиностойкость и деформативность фиброармированных бетонов.
ABSTRACT
The results of the study of the effect of fibers of different origin on the fracture toughness and deformability of fiber reinforced concrete.
Ключевые слова: волокна, матрица, деформативность, модуль упругости, коэффициент концентрации напряжений, трещиностойкость.
Keywords: fibers, matrix, deformability, elasticity modulus, stress
concentration factor, fracture.
Проблема фибробетонов в ее современной постановке существует более 3 -х десятков лет и в настоящее время имеет особую актуальность в связи с необходимостью коренного улучшения качества при одновременном снижении затрат материалов, труда и снижении энергоемкости железобетонных конструкций [1].
Очевидные преимущества фибробетонов (многократное увеличение прочности, трещиностойкости, износостойкости и т. д.) и мнимая легкость достижения желаемого результата обусловили, в основном, эмпирический характер исследований, что позволило накопить обширные экспериментальные данные для инженерной практики [2]. Это ведет к созданию современных технологий, в полной мере отвечающих потенциалу прогрессивности, конкурентоспособности и экономичности дисперсного армирования, способного обеспечить значительные сдвиги по вопросам повышения эффективности строительной продукции. Успешное решение этих задач не возможно без теоретического обобщения и дальнейшего углубления знаний о сложных процессах, обусловливающих формирование структуры и физико -механических свойств фибробетонов, об их взаимосвязи с характеристиками исходных материалов, составу и технологическим процессом получения изделий [2].
В данной работе представлены результаты исследования мелкозернистого фибробетона на трещиностойкость и деформативность. Мелкозернистый бетон изготовлен на основе ПЦ активностью 51 Мпа. В качестве заполнителей использован щебень фракции 3—5 мм и песок с модулем крупности 2,63. В качестве фиброарматуры использованы полипропиленовые волокна диаметрами 0,03 мм и 0,2 мм, а также стальные волокна диметром 0,2 мм. Длина волокон всех типов 30 мм. Объемное содержание волокон во всех образцах 3 %. Испытаниям подвергались образцы в возрасте 28 суток.
Трещиностойкость фибробетонов оценивалась по коэффициенту интенсивности напряжений. Для его вычисления были изготовлены плиты размерами 820 х 640 х 40 мм. Во время изготовления в геометрическом центре
плиты была образована трещина размерами 52 х 2 мм. По длинным сторонам в плиты были заложены траверсы из полосовой стали 50 х 30 мм, к которым с одной стороны были приварены анкера, а к другой — петля для испытаний (рис. 1).
40
Рисунок 1. Общий вид плиты
Перед началом испытаний на плиту по вертикальной оси были установлены индикаторы часового типа для измерения податливости плиты и ширины раскрытия трещины (рис. 2)
Рисунок 2. Вид плиты перед началом испытаний
Растягивающие усилия на плиту передавались через шарнирное устройство. Таким образом, в плите создавались только нормальные
растягивающие напряжения. При достижении предельных напряжений матрицы в ней образуются микротрещины, дальнейший рост которых сдерживают волокна [3].
Трещина может двигаться, оставляя волокна в виде связей, соединяющих берега трещины. При увеличении нагрузки волокна могут или разрываться, если ^ > 1к или вырываться из матрицы, если ^ <1к. В обоих случаях волокна способствуют повышению трещиностойкости композитного материала. Авторы работы [8] приводят схемы распространения трещины, где волокна в виде связей стягивают берега трещины (рис. 3). Очевидно, что при наличии достаточных касательных напряжений на поверхности раздела волокна не вырываются из матрицы, а деформируются при достижении напряжений текучести (рис. 3 б).
Рисунок 3. Схемы распространения трещин: а) при выдергивании волокна,
б) при разрыве волокна
Коэффициент концентрации напряжений в этом случае определяется
выражением [8]
Кс = + К™ + 8пйс 1Г£С Щ 1 + а И1 12 (1)
Волокна, длина которых меньше критической внесут вклад в работу разрушения материала только за счет трения и передачи напряжений при этом матрице (рис.3 а). В таком случае коэффициент концентрации напряжений определяется выражением [8]
Кс = Кт+т1УпЫ 1-й 1 + й1)12П1, (2)
где: Кт — трещиностойкость матрицы;
й — критическое смещение перед разрушением;
Е — эффективный модуль зависит от модулей матрицы и связи;
— напряжение текучести волокна,
1 — размер зоны вырывание;
т — напряжение сдвига на поверхности раздела волокно -матрица.
Благодаря интенсивному развитию механики разрушения разработаны и другие критерии, которые применяются как характеристики сопротивления материала распространению трещины. Например, критическое раскрытие трещины в ее вершине, удельная энергия образования новых поверхностей и т. д. Существуют определенные зависимости, которые позволяют эти величины пересчитать на Кс [6, 7].
Отношение высвобожденной энергии к приросту площади трещины О, может быть также по аналогии с коэффициентом интенсивности напряжений использован как параметр, который определяет условие разрушения.
Отмечено, что О соответствует обобщенной силе, которую называют «сила продвижения трещины». Обобщенная сила определяется по аналогии с обычными силами:
О = Р2/2 (Эе / ЭЛ), (3)
где: Р — разрушающая нагрузка;
с — податливость образца с трещиной;
А — площадь вновь трещины.
В данной работе коэффициент интенсивности напряжений Кс определялся по формуле (3). Скорость нагрузки была в пределах 1000 Н / мин и постоянной на всех стадиях нагрузки.
В процессе испытания через каждые 60 с контролировались: время 1:, нагрузка Р, длина трещины 2а, перемещения опор, ширина раскрытия трещины.
1,50 1,40 £ 1,20
5 1,00
О
0,80
о
л 0,60
§ 0,40
£ 0,20
о 0,00 1=
30 40 50 60 70 80 150 200 270
Длина, мм
Рисунок 4. Кривые податливость — длина трещины
По углу наклона касательных к кривым определялся параметр (Эе / дА), а по формуле (3) вычислялся коэффициент Кс. Необходимо отметить, что кривые податливости плит наполненных полипропиленовыми волокнами разной толщины практически одинаковы, а наполненных металлическими волокнами отличается незначительно.
Вычисления Кс для фибробетонов и исходного неармированного бетона показали увеличение Кс для фибробетонов в несколько раз. Так, для
3/2
неармированного бетона Кс = 1993 кН/м , а для фибробетонов, наполненных
3/2
полипропиленовыми и стальными волокнами соответственно Кс=6351 кН/м ; Кс=6578 кН/м3/2 .
Из приведенных данных видно, что введение волокон в бетонную матрицу, способствует повышению трещиностойкости фибробетонов в три раза.
Деформативность фибробетонов были исследованы по методике НИИЖБ на образцах-призмах со стороной 10 см [4]. Зависимости напряжения-деформации при испытании на сжатие представлены на рис.5.
45
О ОД 0,2 0,3 0,4
Деформация,%
Рисунок 5. Зависимости напряжения — деформация при испытании на сжатие композиций, наполненных разным видом волокон: 1 — полипропиленовое микроволокно: 2 — без волокон; 3 — полипропиленовое
моноволокно; 4 — стальное волокно
Как видно из графиков, наибольшую деформативность имеет фибробетон наполненный полипропиленовым микроволокном, конечная деформативность которого на 105 % больше чем неармированного бетона, а призменная прочность этого композита ниже, чем неармированного бетона на 32,5 %. Композиты, наполненные полипропиленовым моноволокном, имеют деформативность меньшую, чем неармированный бетон всего на 23,5 % при почти одинаковой призменной прочности. Это явление вызывает интерес потому, что согласно теории композитных материалов компонент с более эластичными свойствами должен внести долю эластичности в свойства композита пропорционально объемному содержанию. Наименьшее деформативность имеет композит, наполненный стальными волокнами,
деформативность которого меньше неармированного бетона на 70 %. Это явление вполне описывается теорией композитных материалов. Однако, призменная прочность его ниже, чем неармированного бетона, что вызывает необходимость продолжения исследований.
Таким образом, установлено, что свойства волокна, которым наполняется бетон, имеют различные влияния на свойства композитных материалов с бетонной матрицей.
Изменение деформаций с введением волокон различного вида влечет за собой изменение модуля упругости. Результаты расчетов модуля упругости показали следующее:
• Волокно отсутствует, Е = 23325 МПа;
• Полипропиленовое моноволокно, Е = 23716 МПа;
• Полипропиленовое микроволокно, Е = 22632 МПа;
• Стальное волокно, Е = 90075 МПа.
Проведенными исследованиями установлено, что введение волокон повышает деформативность бетона. Стальные волокна способствуют повышению модуля упругости и снижению деформативности бетона. Трещиностойкость фибробетона выше, чем матрицы в 2—3 раза.
Список литературы:
1. Кербер М.Л. Композиционные материалы. Соросовский Образовательный журнал. 1999, № 5.
2. Купер Д., Пигготт М. Разрушение и растрескивание композитов. — В кн.: Механика разрушения, № 17. М., Мир 1979, с. 165—216.
3. Лифшиц М. Замедление разрушения волокнистых композитов. — В кн.: Композитные материалы, т. 5.М., Мир, 1978, с. 267—333.
4. НИИЖБ. Методические рекомендации по определению прочностных и структурных характеристик бетонов при кратковременном и длительном нагружении. Р-10-76. М., 1976.
5. Панасюк В.В., Бережницкий Л.Т. Оценка трещеностойкости цементного
бетона по вязкости разрушения. — Бетон и железобетон. — 1981. № 2, с. 18—19.
6. Экобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов. — Киев: Наукова думка, 1978, с. 78—99.
7. Romualdi J.R., Mandel J.A. Toenail Strength of Concrete. Affected by Uniformly Distributed and Closely Spaced Zengths of Wire Reinforcement. — ACI Journal,1964, v. 61. № 6.p. 657.
8. Schaschinger J, Schubert J, Stangel T, Schmidt K, Heinz D, Ultrahochfester Beton — Bereit fur die Anwendung. Schriftenreihe Baustoffe. Fest — Schrift zum 60. Geburtstag von Prof. Dr.-ing. Peter Schliessl. Heft 2. 2003. C. 267— 276.
