CC BY
46
1НАР : 18 :
'КЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА МОСКВА, МГГУ, 31 января — 4 февраля 20:
к
Э.Я. Кипко, А.В. Литвинов, А.А. Шубин, 2000
УДК 622.281.4
Э.Я. Кипко, А.В. Литвинов, А.А. Шубин
К ФИБРОБЕТОНА
ак показали результаты исследований, проведенных в лабораториях кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» и Шахтинского завода железобетонных изделий, дисперсно - армированный бетон имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными бетоном и железобетоном. Бетоны с дисперсными волокнами (фибробетоны) обладают высокой трещиностойкостью и ударной прочностью, имеют лучшие показатели пределов прочности на сжатие и растяжение при изгибе. Использование фибробетонов в различных сооружениях, в частности в качестве материала крепи вертикальных стволов, фундаментов под здания, а также других строительных конструкций дает возможность вести бетонные работы по обычной технологии без установки пространственных арматурных каркасов.
Для армирования бетона применяют различные металлические и неметаллические волокна. В качестве фибр обычно используют тонкую проволоку, отходы промышленного производства (стружку и т.п.), стеклянные, базальтовые и асбестовые волокна. Эффективность влияния различных видов фибр на свойства бетона зависит от соотношения модулей деформации армирующих волокон и бетона. При отношении ЕЬ > 1 возможно получение фиброзе
бетонов с повышенной прочностью на растяжение и трещиностойко-стью. При 1 повышаются ударив <
ная прочность и сопротивление материала и стираемости [1].
Деформационные характеристи-
ки материалов, из которых изготавливаются фибры общеизвестны. Что же касается бетона, то до настоящего времени не существует единой картины его поведения под нагрузкой. В частности, известно, что цементный камень содержит большое количество несплошностей - пор, трещин, пустот, однако точный механизм их влияния на прочность бетона не выработан.
В современных исследованиях оказалась весьма плодотворной идея А.А. Гвоздева о деформируемости бетона как материала, обладающего свойствами неравномерного поля внутренних напряжений и дискретностью [2]. То есть идея, учитывающая «недруж-ную» работу элементарных связей в бетоне, что в конечном итоге является, по-видимому, основной причиной сравнительно невысокой прочности этого материала.
Введение в бетон фибровых элементов еще более усложнит «недружную» работу. Анализ деформационной картины, в данном случае, должен быть произведен для системы, учитывающей взаимосвязь фибры с бетоном при совместном взаимодействии.
В общем случае, о деформатив-ных свойствах бетона при приложении нагрузки судят по его модулю деформации, т.е. по отношению напряжения к относительной деформации, вызываемой его действием. Чем выше модуль деформации, тем менее деформативен материал.
На практике, при определении модуля деформации бетона исполь-
зуют в основном эмпирические зависимости. В настоящей работе не ставится цель подтверждения или проверки этого параметра, а величина его принимается на основании опытных данных для проведения комплексных расчетов.
Проанализируем изменение деформационных свойств бетона при введении в него фибр из различного материала.
Предположим, что деформация фибробетона равна сумме деформаций материала фибр и отдельных участков бетона. Тогда, первоначально, следует определить модуль деформации полости заполненной дисперсным волокном. Для этого представим ее в виде идеализированной системы, включающей одиночную фибру и два блока бетона с заданными механическими характеристиками. В связи с тем, что наличие пор в бетоне предопределяет не сплошной контакт с фиброй, введем параметр р , представляющий собой относительную площадь взаимодействия компонентов.
Тогда выражение для определения площади поперечного сечения полости занимаемой фиброй может быть записано в виде:
sn = Sф + Sp(l-ф), (1)
где Sn, Бф, Бр - площади поперечного сечения, соответственно полости, фибры, а также пар и пустот в бетоне.
Сила, удерживающая фибру в полости, равна
Рф = Sф '®ф = Sф ' Еф ~^~ = SфЕфЕп ,
где Еф - модуль деформации фибры; АЗ и £п - абсолютная и относительная деформация материала в полости; З - толщина фибры; (7ф - напряжения в фибре от действующей силы.
Сила, действующая на контакте «бетон-фибра» равна
Рк = Sк -°к = Sк ■ Е&^т = SкЕ&^n ,
6
где Sк - площадь контакта бетона с фиброй Як =ф8ф; ЕЗ- модуль деформации бетона; <ук- напряжение на контакте от действующей силы.
Считая, что напряжения на контакте равны напряжениям в фибре, общая сила действующая на полость
может быть записана в виде
Fo = Рф + Рк = Яф 'е п(Еф +фЕ 6 ) ,
откуда, учитывая выражение (1) следует, что модуль деформации полости с фиброй равен
Яр
Еп = (1 -^г ')(Еф +фЕ6).
Рассмотрим, как изменится модуль деформации бетона после введения в него дисперсных волокон. (При этом следует учесть, что для деформационных свойств бетона характерно наличие пластической составляющей деформации, доля которой возрастает с увеличением внешней нагрузки. При первом приближении допластическое состояние материала, характеризуется модулем упругости или начальным модулем деформации).
При сжатии бетона с фиброй, происходит деформация системы на величину А1:
А1 = Аh + А6,
где АИ,А6 - абсолютные деформации бетона и полости с фиброй.
Используя положения закона Гука запишем систему уравнений
А/ _ о ; _ / -о
/ Ео Ео
Аh о . h -о
— _ 5 Аh _
h Е8 Е5
А8 о . „ 8-о
А8_
8 _ Еп’ Еп
где I - размер бетона с полостью; Еа - модуль деформации системы «бетон-фибра»; И - размер блока бетона без фибр.
Далее следует, что
= А 6
Ео Е6 Еп
Учитывая геометрические размеры фибр, принятые на практике, запишем (для случая И « I)
1 =
Ео Е6 ЕпИ
Окончательный вариант выражения для Ео имеет вид
Е = Е6 =_______________Е6_________
о = 1+м = 1 + с Е66_______________
Е И
п (1 -^Р)(Еф +фЕб )И
Яп
Анализ вышеприведенных зависимостей позволяет сделать следующие выводы:
• введение в бетон тонкодисперс-
ных волокон снижает его модуль деформации на допластической стадии;
• увеличение размера волокон приводит к уменьшению модуля деформации системы;
• больший модуль деформации волокон материала незначительно увеличивает модуль деформации фибробе-тона;
• снижение величины модуля деформации фибробетона, по сравнению с бетоном, не противоречит практическим данным, так как известно, что фибробетон более де-формативен;
• полученное выражение для определения модуля деформации фиб-робетона может быть использовано при установлении количественных и качественных показателей состояния деформативности системы на допластической стадии и не позволит осуществлять подбор параметров фибр для заданных качественных характеристик фибробето-на;
• на изменения модуля деформации фибробетона в значительной степени влияет адгезионная характеристика взаимодействия тела фибры со связующим веществом бетона.
РЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУ-
1.БаженовЮ.М. Технология бетона. М.; Высш. Шк., 1987.
2. Гвоздев А.А. Ползучесть бетона и пути ее исследования. М.,
Стройиздат, 1955.
