CC BY
31Клюев С.В., канд. техн. наук, доц., Клюев А.В., канд. техн. наук, ст. препод., Лесовик Р.В., д-р тех. наук, проф. Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО
ФИБРОБЕТОНА
klyuyev@ya.ru
В данной статье рассматривается теоретический подход к изучению влияния длины фиброволокна, его объема, ориентации на прочностные характеристики бетона. Приводятся формулы для расчета оптимальной объемной доли волокна в фибробетоне, а также его длины. Ключевые слова: фибробетон, армирующее волокно, прочность, критическая доля волокна.
Фибробетон состоит из распределенных коротких волокон в цементной матрице [1.. .10]. Влияние таких коротких, наклонных волокон на механические свойства армированного бетона, как правило, меньше, чем длинных волокон, расположенных параллельно нагрузке. Это означает, что эффективность коротких и наклонных волокон меньше. Тем не менее, эффективность волокон в цементной матрице, повышающих механические свойства бетона можно оценить двумя способами:
• Повышение прочности бетона;
• Повышение ударной вязкости бетона.
Это влияет на свойства бетона в
зависимости от количества волокна, длины волокна, ориентации волокон, распределенных в бетоне и прочности соединения цементного камня и волокна при сдвиге. Все эти факторы не были независимыми, так как эффект от длины волокна и ориентации в значительной степени влияет на связь между волокном и цементным камнем [11. 19].
Несущая способность фибробетона зависит от объемной доли волокна в бетонной матрице в этом фибробетонном композите, предел прочности волокна как правило, больше, предел прочности бетона. Что касается предела прочности волокна, то несущая способность волокна должна быть больше, чем нагрузка приложенная к бетону, при которой начинается трещинообразование. Это обусловлено тем, что бетон после начала трещинообразования не влияет на работу композита, а нагрузка полностью передается на волокна, содержащиеся в бетоне. Кроме того, волокна способны нести большую нагрузку, в результате чего предел прочности фибробетонного композита выше, чем прочность самой матрицы. В связи с этим, было выведено уравнение для определения минимальной доли содержания волокна, чтобы сделать идентичными несущую способность фибробетонного композита и несущую способность волокна.
Минимальная или критическая доля волокна, Vcr, необходимого для добавления в бетон, для восприятия им приложенной нагрузки, выглядит следующим образом:
Vcr >-°mu , л , (1)
где Vcr - критическая или минимальная доля волокна; amu - предел прочности при растяжении бетона; Gfu - предел прочности при растяжении волокна; a'fu - напряжения в волокнах при начале трещинообразования.
Напряжение бетона (конечная бетона деформация) в момент образования первой трещины 0,003. Если предположить, что нагрузка на бетон и волокна одинаковая. Таким образом, напряжение на волокна в момент образования первой трещины может быть принято в качестве предельной деформации бетона и модуля упругости волокна.
Уравнение 1 может быть изменено следующим образом:
Ver >-т^-т , (2)
где Est - модуль упругости волокна; £си -предельная деформация бетона = 0,003.
Уравнение 2, было использовано для прогнозирования предела прочности бетона, так как предел прочности бетона на растяжение требуется, чтобы получить минимальную долю волокна.
amu = fot = 0.4x(fc)0,5 , (3)
где fc - нормативный предел прочности бетона при сжатии; fct - нормативный предел прочности бетона при растяжении.
Минимальная объемная доля стального, стеклянного и полипропиленового волокна в конкретной матрицы составляет примерно 0,31 %, 0,40 % и 0,75 % соответственно. Для композитов, содержащих рубленые и хаотически ориентированные волокна, минимальная объемная доля волокна больше, чем указанные значения, так как такие факторы как длина волокна и его ориентация влияют на его объемную долю. Нагрузка на бетон в момент возникновения первой трещины была
достаточной, чтобы распространиться на волокна, при минимальной объемной доле волокон. Важно, что уравнение 2 позволяет вычислить объем волокон, добавляемых в бетон, необходимых для увеличения пластичности и прочности бетона.
Влияние длины волокна можно проанализировать с помощью зависимости прочности бетона при действии нагрузки от параметра критической длины 1с , которая может быть определена как минимальная длина волокна, которая необходима для передачи напряжения через волокно при условии, что волокно не будет разорвано или выдернуто. Определение критической длины волокна представляет собой механизм передачи напряжений. Если длина волокна превышает 1с , то напряжение в большинстве волокон дойдет до своего предела текучести.
Критическая длина волокна может быть рассчитана как:
1с = (4)
где df - диаметр волокна; af - предел прочности волокна: т - прочность сцепления.
Хотя прочность сцепления зависит от прочности бетона и типа волокна, она может быть принята примерно равной 1 МПа.
Напряжение в волокне не является постоянным по всей длине. Тем не менее, напряжение развивается линейно на конце волокна. Но в большинстве случаев, в армированном бетоне, волокна не размещены параллельно направлению приложенной нагрузки. Это показывает, что волокна не имеют максимального эффекта при усилении фибробетона. Кроме того, волокна, расположенные перпендикулярно
приложенному напряжению как правило, имеют меньшее влияние или даже не оказывают влияние на прочность фибробетона.
Уравнение 4 являются точным методом описания требуемой длины волокна необходимой для передачи нагрузки, но есть другие показатели КПД в зависимости от нагрузки, приложенной к волокну - отношение длины к диаметру и пропорции волокна. Отношение длины к диаметру следует считать упрощенным способом оценки эффективность волокна при передаче нагрузки. Чем больше диаметр, тем большие нагрузки может воспринимать волокно. Подобно отношению длины к диаметру волокна, сцепление большей площади поверхности волокна с бетонной матрицей, позволит передать большую нагрузку на волокно.
Влияние длины волокна используются для прогнозирования свойств волокна
сталефибробетона до и после начала трещинообразования. Эффективность длина, которая принимает в расчет критическую длину волокна в обеих стадиях, до и после начала трещинообразования, можно выразить следующими уравнениями: до начала трещинообразования:
после начала трещинообразования:
гц = 1-у при l»2lc,
= при l » 2lc,
где коэффициент n - эффективность длины, lc - критическая длина волокна, £mu - точка первой трещины, l - встроенная длина волокна в цементной матрице, £fu - предельная деформация волокна.
Если бы все волокна были расположены параллельно направлению приложенной нагрузки, их эффективность была бы максимальной. Однако, волокна, используемые в фибробетоне, распределяются в бетонной матрице случайным образом. При таком распределении, некоторые из волокон располагаются под углом к оси приложенной нагрузки или возникающих напряжений. Однако, при проведении векторного анализа получим, что волокна, расположенные под углом, могут передавать нагрузку на волокна, расположенные параллельно действию нагрузки. Кроме того, волокна под углом наклона к направлению нагрузки способны нести более гибкие напряжения во время возникновения трещин и воспринимать часть нагрузки, приложенной к бетону.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алфимова Н.И. Повышение эффективности стеновых камней за счет использования техногенного сырья // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 2. С. 56-59.
2. Клюев А.В. Усиление изгибаемых конструкций композитами на основе углеволокна // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 3. С. 38-41.
3. Клюев С.В. Высокопрочный стале-фибробетон на техногенных песках КМА // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2013. № 11. С. 38-39.
4. Клюев С.В. Фибробетон для каркасного строительства // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: материалы научн.-практ.
конф. Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. Ч.3. С. 37-38.
5. Клюев С.В. Мелкозернистый стале-фибробетон на основе отсева кварцитопесчан-ника // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: материалы научн.-практ. конф. -Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. Ч.3. С. 27-31.
6. Клюев С.В. Сталефибробетон на основе композиционного вяжущего // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: материалы научн.-практ. конф. Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. Ч.3. С. 32-36.
7. Клюев А.В., Клюев С.В., Нетребенко А.В., Дураченко А.В. Мелкозернистый фиб-робетон армированный полипропиленовым волокном // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 4. С. 67-72.
8. Клюев С.В. Основы конструктивной организации природных и искусственных материалов // Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройинду-стрии: сб. студ. докл. Международного конгресса: В 2 ч. Ч. 1. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2003. С. 161-163.
9. Клюев С.В., Авилова Е.Н. Бетон для строительства оснований автомобильных дорог на основе сланцевого щебня // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 2. С.38-41.
10. Клюев С.В., Авилова Е.Н. Мелкозернистый фибробетон с использованием полипропиленового волокна для покрытия автомобильных дорог // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 1. С. 37-40.
11. Клюев С.В. Высокопрочный стале-
фибробетон на техногенных песках КМА // Технологии бетонов. 2012. № 5-6. С. 33-35.
12. Клюев С.В. Применение композиционных вяжущих для производства фибробетонов // Технологии бетонов. 2012. №1-2 (66-67). С.56-57.
13. Клюев С.В., Нетребенко А.В., Дурачен-ко А.В., Пикалова Е.К. Монолитный фибробе-тон для полов промышленных зданий // Сборник научных трудов Sworld. 2014. Т. 19. №1. С. 29-32.
14. Клюев С В., Клюев А.В., Сопин Д.М., Нетребенко А.В., Казлитин С.А. Тяжелонагру-женные полы на основе мелкозернистых фиб-робетонов // Инженерно-строительный журнал. 2013. №3. С. 7-14.
15. Клюев С.В., Нетребенко А.В., Дурачен-ко А.В., Пикалова Е.К. Фиброармированные композиты на техногенном сырье // Сборник научных трудов Sworld. 2014. Т. 19. №1. С.34-36.
16. Клюев С.В., Клюев А.В. Исследование физико-механических свойств композиционных вяжущих // Успехи современной науки. 2015. № 1. С. 21 - 24.
17 Клюев С.В., Клюев А.В. Техногенное сырье - эффективный заполнитель для фибробе-тонов // Успехи современной науки. 2015. № 1. С.33-35.
1 8. Селицкая Н.В. О теплостойкости органических композиционных материалов как составляющей долговечности искусственных сооружений // Успехи современной науки. 2015. № 1. С. 9-11.
19. Селицкая Н.В., Лашин М.В., Яковлев Д.Н. Усиление подшпального основания железных дорог органическими материалами // Успехи современной науки. 2015. № 1. С. 18-20.
Klyuyev S.V., Klyuev A.V., Lesovik R.V.
THE OPTIMAL DESIGN OF HIGH QUALITY FIBER CONCRETE
The theoretical approach to study the impact of fiber length, its volume and orientations on the strength characteristics of concrete is considered in this article. Formulas for calculating the optimal volume fractions offiber and also its length in fiber concrete are given here. Key words: fiber concrete, reinforcing fiber, durability, critical share of fiber.
