CC BY
14
© A.A. Шубин, M.A. Шубин, 2013
УДК 622.273
A.A. Шубин, М.А. Шубин
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ТОРКРЕТБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ФИБРОНАПОЛНИТЕЛЕМ
Показаны преимущества использования дисперсных волокон в составе бетонных смесей при проведении различного рода строительных и горно-строительных работ. Приведены количественные показатели свойств торкретфибробетонных композиций. Ключевые слова: торкретбетон с полипропиленовыми волокнами, седиментация, трещиностойкость материала, растрескивание.
Большие преимущества торкретбетона в строительстве и укреплении горных пород, а также улучшение соответствующего оборудования, материалов и технологии нанесения, сделали его важным инструментом в различных видах работ.
Использование в торкретбетоне фибры (такой материал получил название торкретфибробетон) позволяет значительно повысить экономический эффект за счет отказа от арматурных сеток и уменьшения толщины возводимой конструкции, что обусловлено возможностью торкретфибробетона воспринимать растягивающие напряжения, возникающие в изделии. Наряду с повышенной прочностью на осевое растяжение, торкретфибробетон обладает и более высокой прочностью на сжатие, растяжением при изгибе, трещиностойкостью, ударной вязкостью, термостойкостью. Кроме того, снижается трудоемкость производства работ — армирование конструкций совмещается с процессом бетонирования, увеличивается толщина наносимых слоев, снижается «отскок» материала. Одновременно, применение стальной фибры позволяет улучшить качество сцепления торкретбетона с поверхностью нанесения.
Преимущества торкретбетона с полипропиленовыми волокнами (ППВ) заключаются в лучшем сцеплении бетонной смеси, что так же снижает отскок и ускоряет укладку. При высокой дозировке более длинных волокон его прочность может сравниться с бетоном, содержащим 25—30 кг стальной арматуры.
На поведение бетона при нагруже-нии основное влияние оказывают неоднородности, относящиеся к верхнему уровню структуры материала. Именно структурообразование в значительной мере определяет кинетику формирования и развития критических трещин, ответственных за разрушение материала при силовых воздействиях. Следовательно, эффективным уровням дисперсного армирования должны соответствовать такие параметры структуры армированного материала, при которых в наибольшей мере проявляются торможение (блокирование) роста трещин бетонных матриц и исключение процесса седиментации.
В результате совмещения микро-армирующих композиционных элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий характеристики его компонентов, но и включающий свой-
32,5 32 31,5 31 30,5 30 29,5 29 28,5 28 27,5 27
МПа
0
0,5
1
1,5 п, % 2
Рис. 1. График зависимости величины предельных напряжений на сжатие от процента армирования
ства, которыми изолированные материалы не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностой-кость материала. Более того, в композитах, в отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не снижению, а к повышению характеристик вязкости разрушения [1].
Невысокая стоимость таких полимерных материалов как полиолефины (полипропилен и полиэтилен) и доказанная многими авторами эффективность введения синтетических волокон в бетоны позволяют судить о достаточно высоком потенциале применения полимерных волокон для улучшения физико-механических и других свойств композиций на основе неорганических вяжущих.
Количество, тип и длина волокон используемых в смесях при проведении строительных работ на поверхности, зависит от требований проекта. Объем волокон менее 0,1 % понижает пластическую усадку в процессе трещинооб-разования, а следовательно, препятствует растрескиванию материала. Уста-
новлено [2], что присутствие полипропиленовой фибры в бетонах и растворах устраняет образование усадочных трещин на раннем этапе на 60-90 % (при применении арматурной сетки — всего на 6 %).
Дозировка 0,1 и более % по объему или 0,6—0,9 кг/м3 раствора предопределяет возможность его смешивания в автобетономешалке в течение 5 минут для равномерного рассеивания без образования комков и скоплений [2].
Более высокая дозировка, особенно фибриллированных волокон, используется в сборном бетоне, торкрет-бетоне и других видах бетона, где важна прочность и устойчивость к раскалыванию.
При дозировке 0,1—1,0 % ППВ не обеспечивает первичного армирования. Теория показывает [3], что количество волокна, которое выдерживает нагрузку после растрескивания — критический объем волокна — для ППВ составляет примерно 2,0 % по объему. Однако, даже дозировка 0,1—1,0 % ППВ по объему дает определенные преимущества раствору, как в пластичном, так и в затвердшем состоянии. Волокна оказывают эффект немедленно, повышая сцепление смеси, препятствуя оседанию крупных, тяжелых частиц при уплотнении и облегчая подачу смеси насосом [4].
В механике композитов с дисперсным армированием при оценке влияния длины волокна (фибры) используется относительный параметр 1/< при этом считается, что наибольший армирующий эффект достигается при 1/<< ~ 60...100. При больших значени-
о
ях этого параметра (больших длинах волокон) армирующий эффект ухудшается ввиду комкования волокон и ухудшении однородности структуры.
Влияние объемной концентрации фибры реализуется, начиная от некоторого уровня, обусловливающего достижение начальной объемно-пространственной связности фиброст-руктуры. Только после достижения «непрерывности» фиброармирования начинает ощущаться его позитивное влияние на характеристики исходного бетона — матрицы. Согласно [5], такие условия для игл при l/d = 100 наступают при объемной концентрации около 0,3 %.
Для анализа влияния армирования полипропиленовыми фибрами на прочность композита нами были проведены следующие исследования. В качестве базовых образцов, моделирующих свойства тонкостенных рас-творополимерных конструкций приняты пластины размерами dX9X40 см, где толщина плит d=1 см или равна толщине стенок или полок конструкции. В наших исследованиях такие образцы испытывали с помощью специальных приспособлений на осевое растяжение, на изгиб в положениях «плашмя» и «на ребро». На сжатие испытывали полые призмы, склеенные из указанных пластин. На образцах определялась также усадка.
Образцы изготовляли из мелкозернистого бетона группы А классов В25...В40 с содержанием полипропиленовой фибры n = 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 % объема композита. Для фиброарми-рования использовали волокно (FIBRIN X-T), выпускаемое в виде отрезков длиной 14 мм. Прочность на разрыв волокон диаметром 0,2 мм составляет 450—600, а модуль упругости — 4000—6000 МПа. Цементно-пес-чаная
матрица имела состав Ц:П = 1:1 на цементе марок 400 и 500 при расходах до 800 кг/м3, В:Ц = 0,45 и песке с модулем крупности до Мк = 1,5.
Нагрузка, вызвавшая появление первых трещин в образцах с армированием 1,0 - 2,0%, при испытаниях на растяжение и изгиб, была на 10— 12% больше той, которая образовывала трещины в образцах с меньшим процентом армирования. При этом предельные относительные деформации растяжения раствора к моменту обнаружения первых трещин шириной раскрытия 3—5 мкм составили до 20-10-5 - 30-10-5, что в 2—2,5 раза больше, чем предельная растяжимость раствора-матрицы.
Первые силовые трещины при изгибе образовывались, как правило, у поверхностных пор. При увеличении нагрузки на поверхности образца появлялось большое число штриховых трещин, объединяющихся в предельной стадии в сплошные трещины с шагом от 3 до 8 мм при п = 0,5 % и от 20 до 30 мм при п = 1,0 %. Для определения трещиностойкости опытных образцов использовали метод разнообразных тензодатчиков, микроскоп и трубку Бринеля.
Наибольшая прочность при сжатии полипропиленового фиброраствора (при абсолютных значениях 29...32 МПа) получена при п = 1,5 %; она превышала прочность раствора-матрицы всего на 10 % (рис. 1).
Увеличение содержания фибр до 2,0 % несколько затрудняло уплотнение смеси, прочность при этом оставалась близкой к прочности бетона-матрицы. Коэффициент Пуассона полимерфиброраствора находится в пределах от 0,20 до 0,23.
0,9
0,8
0,7
0,6
•' ✓ V» г у У ' / /
' 1 / * ' '1,0% / / / 2,0%
' Г 1 ; 1 • 1 '■ 1 : 1 . ! 1,5% / /
0%/ 0,5% ' / : : 1 ' ■ 1 : / / / ; —'—— 1 i *-
0 1 2 3 4 5
Рис.2. Значения коэффициента влияния матрицы на прочность композита
Прочность раствора с дисперсными волокнами из полипропилена при растяжении ор при опытных значениях 3,7...6,04 МПа увеличивалась с повышением прочности матрицы и при увеличении содержания в ней фибры. При п = 2,0 % она в 2—2,3 раза больше прочности раствора-матрицы. При переходе от класса В20 к В40 прочность на растяжение увеличилась на 20%. Результаты исследований приведены на рис. 2.
Параметром т, на рис. 2 обозначен коэффициент, учитывающий влияние прочности матрицы на прочность композита. Значение т = 1 соответствует классу бетона В40, а т = 1 — классу В20, для данных условий испытаний.
6,МПа 7 прочности
Учитывая, что разрушение изгибаемых или растянутых элементов из полимерфиб-рораствора возникает, в основном, при нагрузке, превосходящей, нагрузку трещинообразования, то при определении прочности на растяжение раствора с наполнителем из волокнистого полимера можно воспользоваться формулой [4]:
стр = птСоф ,
где п — коэффициент армирования, определяемый отношением объема фибры к объему композита; Оф — прочность при разрыве моноволокна; т — коэффициент, учитывающий влияние прочности матрицы на прочность композита; С — комплексный коэффициент, учитывающий ориентацию волокон, влияние длины волокон, влияние агрегатного состояния армирующего волокна и др.
Использование зависимостей показанных на рис. 2 дает возможность комплексного решения задачи о разрушении бетона или раствора с фиб-ронаполнителем от действия растягивающих нагрузок.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильев В. В. Композиционные материалы. — М.: Машиностроение, 1990. — 512 с.
2. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Высш. шк., 1987. 415 с.
3. Гордон С. С. Структура и свойства тяжелых бетонов на различных заполнителях. М.: Стройиздат, 1969. 270 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
4. Бирюкович К.Л., Бирюкович Ю.Л., Бирюкович Д.Л. Мелкие суда из стеклоце-мента и армоцемента. — Л.: Судостроение, 1965. 164 с.
5. В.В. Бабков, ВН. Мохов, М.Б. Дав-летшин, А.В. Парфенов, А.Е. Чуйкин. Модифицированные бетоны повышенной ударной выносливости. М.: Строительные материалы, № 5, 2002.. 8Ш
Шубин Андрей Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, shubinaa_62@mail.ru, Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета, Шубин Михаил Александрович — магистр делового администрирования, директор ТОО «Казцинк-Шахтострой».
а
р
1
m
