CC BY
52Клюев С. В., канд. техн. наук, докторант, Лесовик В. С., д-р техн. наук, проф.
Клюев С. В., м.н.с. БондоренкоД. О., студент Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ НЕСКОЛЬКИХ ВИДОВ ФИБР ДЛЯ ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫХ БЕТОНОВ*
В статье рассмотрены вопросы применения стальной и полипропиленовой фибр для дисперсного армирования мелкозернистых бетонов. В качестве вяжущего использовался тонкомолотый цемент и вяжущее низкой водопотребности. Установлено, что применение композиционных вяжущий и высокоплотной упаковки зерен заполнителя значительно повышают прочностные показатели. Оптимальный подбор заполнителя позволил получить на техногенных песках КМА фибробетон с пределом прочности при сжатии — 84,8МПа, при изгибе 19,3 МПа.
_Ключевые слова: мелкозернистый бетон, техногенный песок, фибробетон._
Дисперсное армирование может осуществляться как одним видом фибр, так и смесью разных фибр, имеющих разные параметры и значительно отличающиеся по составу (например, в данной статье будет рассмотрен вопрос комбинированного армирования стальной и пропиле-новой фиброй мелкозернистого бетона). Применение дисперсного армирования для железобетонных конструкций, в которых часть стержневой арматуры заменяется на фибровую или исключает ее полностью, представляет практический интерес. Производство дисперсно-армированных композитов и конструкций на их основе зависят в значительной мере от вида используемых для них армирующих материалов (фибр) [1, 2].
При создании дисперсно-армированных бетонов необходимо учитывать вид используемых бетонных матриц. Для изготовления дисперсно-армированных конструкций используются обычный тяжелый бетон с ограниченной величиной зерен крупного заполнителя, цементно-песчаный раствор, а также цементный или гипсовый камень. В ряде случаев целесообразно использование легких бетонов. Вид бетона определяет характер рационального для него вида дисперсного армирования и оптимальные значения геометрических параметров дисперсной арматуры [4].
Существует 2 принципиально различных вида матриц, упрочненных фибрами: непрерывное армирование, т.е. длинными фибрами, которые внедрены в матрицу такими технологиями, как накальная обмотка или наслаивание слоев фибрового волокна; и отдельными короткими фибрами, длиной менее 50 мм, которые вводятся в матрицу распылением или смешиванием. Армирование матрицы можно дополнительно классифицировать по распределению фибр в
матрице. Непрерывным по форме фибрам можно задавать нужную ориентацию, что контролируется производственным процессом (ориентацией намотки или направлением наслаивания волокон) и структурой слоя фибр. В случае распределенных фибр в матрице более однородно и короткие фибры склонны принимать случайную ориентацию. Тем не менее, даже в этих системах распределение фибр редко полностью однородно, и случайная ориентация фибр далека от идеала.
При решении вопросов дисперсного армирования бетонных материалов необходимо учитывать, что не все искусственные волокна способны противостоять воздействиям среды гид-ратирующихся цементов. Например, стеклянные волокна обычного состава подвергаются интенсивной коррозии в твердеющем бетоне на портландцементе и практически не вступают в химическое взаимодействие с продуктами гидратации гипсовых вяжущих. Напротив, стальные волокна заметно коррозируют в композициях на основе гипса, причем те же волокна надежно защищаются от процессов коррозии в гидрати-рующейся среде цементных вяжущих. Эти обстоятельства должны учитываться при назначении оптимальных составов композиции "бетон-волокно".
Исследования показывают, что дисперсное армирование обеспечивает повышение прочности сечений сжатых, растянутых и изгибаемых элементов конструкций, увеличивает их трещи-ностойкость, ударную вязкость, термическое сопротивление и другие физико-механические показатели. Имеются примеры успешного применения дисперсно-армированных бетонов в конструкциях различного назначения: стеновых панелях, плитах покрытий, днищах резервуаров, сваях, трубах, лотках коммуникационных кана-
лов, полах промышленных здании, дорожных и аэродромных покрытиях, несъемной опалубке для возведения монолитных конструкций и др. Дисперсное армирование приводит в ряде случаев к снижению материалоемкости конструкций, стоимости и трудоемкости изготовления по сравнению с традиционными решениями. Это достигается в значительной мере за счет частичного или полного отказа от необходимости применения в конструкциях традиционных арматурных сеток и каркасов, а также в результате перевода во многих случаях комплекса производства арматурных работ в процессе изготовления армированной бетонной смеси непосредственно в бетоносмеситель [4].
Основной задачей при получении мелкозернистых бетонов, в том числе дисперсно-армированных, является снижение расхода клинкерной составляющей, так как из-за отсутствия крупного заполнителя идет перерасход цемента. Наиболее существенными факторами снижения содержания цемента в дисперсно-армированных мелкозернистых бетонах являются, уменьшение водопотребности бетонной смеси и повышение активности вяжущего. Поэтому с этой точки зрения перспективным направлением повышения эффективности таких бетонов считается применение композиционных вяжущих.
В ходе исследования были разработаны вяжущие следующих составов: вяжущее тонкомолотый цемент (ТМЦ-70) получали путем домола до удельной поверхности £уд=500 м2/кг портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н по ГОСТ 31108-2003.
Вяжущее низкой водопотребности (ВНВ-70) получали путем совместного помола до удельной поверхности 500 м2/кг портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н, отсева дробления кварцитопес-чанника и пластифицирующей добавки СП-1 в оптимальной дозировке.
Для оценки возможности применения оптимального вида фибры при производстве высококачественного мелкозернистого стале-фибробетона были разработаны составы, в которых в качестве заполнителя был применен отсев дробления кварцитопесчаника. Для оптимизации структуры матрицы в состав бетона был введен таволжанский песок.
С целью получения высококачественных сталефибробетонов в бетонную матрицу было введено три вида фибры: фибра стальная, волнообразная, длина 30 мм, диаметр 0,8 мм; фибра полипропиленовая, длинной 6 мм.
С целью получения более высокопрочных фибробетонов были проведены экспериментальные исследования (табл. 1).
Физико-механические характеристики мелкозернистого фибробетона
Таблица 1
Вид вяжущего Вяжущее, кг Расход материалов, кг/ м3 Полипропиленовая фибра, кг Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа
Отсев дробления КВП, кг Таволжанский песок, кг Вода, л Стальная волновая фибра, кг
Цем I 42,5Н 510 1180 555 170 - - 50,2 13,7
Цем I 42,5Н*ВПУ 510 1185 555 172 - - 56,5 14,2
Цем I 42,5Н 510 1180 555 172 72 - 57,4 16,8
Цем I 42,5Н *ВПУ 510 1185 555 174 72 - 65,2 17,6
ТМЦ-70 510 1180 555 160 72 - 63,4 17,4
ТМЦ-70*ВПУ 510 1185 555 162 72 - 69,7 18,2
ВНВ-70 510 1180 555 150 72 - 76,2 19,1
ВНВ-70*ВПУ 510 1185 555 152 72 - 84,8 19,8
ВНВ-70 *ВПУ 510 1185 555 152 32 3 82,8 19,1
*ВПУ - высокоплотная упаковка зерен мелкозернистого фибробетона
Разработанный алгоритм расчета многофункциональной системы «клинкер-наполнитель-заполнитель-органическая добавка-вода» позволил варьировать параметрами
бетонной смеси с целью повышения эксплуатационных характеристик композита. Изучив и проанализировав полученные экспериментальные данные за счет использования высокоплот-
ной упаковки зерен, можно сделать вывод, что эти характеристики увеличиваются на 20 - 30%.
Эффект от применения высокоплотной упаковки зерен техногенного заполнителя, обогащенного таволжанским природным песком, достигается за счет более компактного расположения всех компонентов, включая стальную фибру и оказывает на бетонную смесь комплексное воздействие. Так, кроме контактов «цементное тесто-заполнитель», появляются контакты «фибра-вяжущее», прочность которых в значительной степени зависит от физико-химического взаимодействия минералов, входящих в состав заполнителей и частиц вяжущего.
Применение же композиционных вяжущих, таких, как ТМЦ-70 и ВНВ-70, позволяет, в свою очередь, повысить характеристики бетона по сравнению с аналогичными составами на основе цемента, что объясняется более плотной структурой цементного камня самих композиционных вяжущих и, следовательно, бетонов на их основе, а также меньшей пористостью.
Таким образом, высокоплотная упаковка компонентов смеси на основе композиционных вяжущих оказывает направленное воздействие на структурообразование сталефибробетона, позволяя повысить прочностные и деформатив-ные характеристики. Рациональный подбор заполнителя и применение стальной волновой фибры дало возможность получить на техногенных песках КМА фибробетон с пределом прочности при сжатии - 84,8 МПа, при изгибе - 19,8 МПа. При комбинированном армировании стальной и полипропиленовой фибрами на техногенных песках КМА разработали фибробетон с пределом прочности при сжатии - 82,8 МПа, при изгибе - 19,1 МПа. Однако, при прочностных характеристиках того же порядка разработанная смесь фибробетона на основе комбинированного армирования по стоимости ниже на 25% по сравнению с составом на стальной фибре и том же композиционном вяжущем, за счет снижения количества стальной фибры.
*Работа выполнена в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, грант № 14.B37.21.1487, тема: «Разработка научных и практических основ создания композиционных вяжущих на основе техногенного сырья с целью производства фибробетона для ремонтных работ», и гранта президента Российской Федерации МК-2715.2012.8 по теме: «Разработка научных и практических основ повышения эффективности мелкозернистого фиб-робетона на основе техногенного песка и композиционного вяжущего для промышленного и гражданского строительства».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клюев, А.В. Отходы горнодобывающих предприятий как сырье для производства мелкозернистого бетона армированного фибрами / А.В. Клюев, С.В. Клюев, Р.В. Лесовик, О.Н. Михайлова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -2010. - № 4. - С. 81 - 84.
2. Клюев, С.В. Экспериментальные исследования фибробетонных конструкций / С.В. Клюев // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2011. - №.4 - С. 71 - 74.
3. Рабинович, Ф.Н. Дисперсно армированные бетоны / Ф.Н. Рабинович. - М.: Стройиздат, 1989. - 174 с.
