Повышение эффективности применения композитной стеклопластиковой фибры в бетонах Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.311

М.Р. НУРТДИНОВ, инженер (nikerunner@yandex.ru), А.Ф. БУРЬЯНОВ, д-р техн. наук (rga-service@mail.ru), В.Г. СОЛОВЬЁВ, канд. техн. наук (s_vadim_g@mail.ru)

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)

Повышение эффективности применения композитной стеклопластиковой фибры в бетонах

Приведены результаты исследований по повышению свойств фибробетонов, дисперсно-армированных композитной стеклопластиковой фиброй. Повышение эффективности стеклопластиковой фибры достигалось за счет модифицирования бетонной матрицы расширяющей добавкой до 15% и водорастворимой смолой до 2% от массы цемента. Эффективность введения добавок оценивалась по значениям нагрузки вырыва отдельных фибр из бетонной матрицы, которые определялись по специально разработанной методике. Установлена взаимосвязь между численными значениями нагрузки вырыва фибры и прочностными характеристиками фибробетона. Определено, что максимальная нагрузка при вырыве композитной стеклопластиковой фибры повышается на 75% при модифицировании цементной матрицы расширяющей добавкой РД и водорастворимой эпоксидной смолой ДЭГ-1, что приводит к возрастанию прочности на растяжение при изгибе фибробетона на 31,1%.

Ключевые слова: композитная стеклопластиковая фибра, нагрузка при вырыве, бетон, расширяющая добавка, водорастворимая эпоксидная смола.

Для цитирования: Нуртдинов М.Р., Бурьянов А.Ф., Соловьёв В.Г. Повышение эффективности применения композитной стеклопластиковой фибры в бетонах // Строительные материалы. 2017. № 4. С. 68-71.

M.R. NURTDINOV, Engineer (nikerunner@yandex.ru), А.F. BUR'YANOV, Doctor of Sciences (Engineering), V.G. SOLOV'EV, Candidate of Sciences (Engineering)

National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)

Improving the Efficiency of the Use of Composite Glass Plastic Fiber in Concretes

Results of the research in improving the properties of fiber concretes disperse reinforced with composite glass plastic fiber are presented. Improving the efficiency of glass plastic fiber is reached due to the modification of a concrete matrix with an expanding additive up to 15% and water soluble resin up to 2% of the cement mass. The efficiency of additives introduction is assessed according to values of the extraction load of some fibers from the concrete matrix; these values are determined according to the specially developed methods. The interrelation between numerical values of loads of fiber extraction and strength characteristics of fiber concrete has been established. It is determined that the maximum load in the course of extraction of composite glass plastic fiber is increased by 75% when the cement matrix is modified with the expansion agent RD and water soluble resin DEG-1 that leads to improving the tensile strength, when the fiber concrete is bended, by 31.1%.

Keywords: composite glass plastic fiber, extraction load, concrete, expansion agent, water soluble epoxy resin.

For citation: Nurtdinov M.R., Bur'yanov A.F., Solov'ev V.G. Improving the efficiency of the use of composite glass plastic fiber in concretes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 4, pp. 68-71. (In Russian).

В настоящее время все более широкое применение в строительстве находят фибробетоны с использованием неметаллической высокомодульной фибры — базальтовой, стеклянной, углеродной. Обладая более высокими показателями модуля упругости и прочности при разрыве, чем бетон, эти виды фибры показывают меньшую эффективность по сравнению со стальной фиброй в связи с различными размерами и формой, адгезией к бетонной матрице и другими факторами [1—3]. Одним из наиболее перспективных аналогов стальной фибры в настоящее время является композитная стеклопластиковая фибра (рис. 1), которая представляет собой стеклянные волокна, пропитанные отвержденным полимерным связующим. Такая фибра имеет сопоставимые со стальной фиброй параметры (длина 40 мм, толщина 0,7—0,9 мм, геометрический фактор 45—60), плотность 1504 кг/м3, модуль упругости порядка 40—50 ГПа; устойчива к воздействию щелочи и несущественно влияет на тепло-физические свойства бетона. Одним из недостатков такой фибры является низкая адгезия к цементному камню, которая существенно снижает эффективность ее применения в бетонах [1]. Увеличить адгезию между композитной фиброй и цементным камнем возможно путем введения добавок, изменяющих структуру и свойства бетонной матрицы [4, 5].

Для оценки эффективности заделки композитной фибры в бетонную матрицу была разработана методика, позволяющая определить это значение, а также оценить характер их взаимодействия при нагружении.

Для проведения испытаний отдельные образцы фибры заделывались в бетонные кубы размером 2x2x2 см на глубину 10 мм. Перед установкой образцы фибры с одной стороны заделывались в алюминиевые трубки длиной 5 см, внутрь которых заливалась эпоксидная смола ЭД-20, смешанная с отвердителем № 620. Вертикальность установки образцов и повторяемость глубины погружения обеспечивалась специальным центрирующим устройством, которое обеспечило точность заделки в бетон ±0,25 мм. В связи с небольшим размером образцов и значительным влиянием формы отдельных фибр на результаты испытаний количество образцов, испытываемых в одной серии, было равно двадцати.

В качестве модификаторов структуры бетонной матрицы для повышения эффективности заделки композитной фибры были выбраны два вида добавок — расширяющая добавка РД (изготовитель ООО «Консолит», ТУ 5743-001-54793637—2013) и водорастворимая смола ДЭГ-1 (изготовитель ООО «Полимерные композиции», ТУ 2225-053-10488057-2010) с отвердителем № 620. Выбор расширяющей добавки обусловлен воз-

68

научно-технический и производственный журнал

апрель 2017

Таблица 1

Составы модифицированных мелкозернистых бетонов

Содержание компонентов Номер состава

1 2 3 4 5 6 7 8

Вода, л 267 263 260 256 265 263 258 254

Цемент, кг 670 660 650 640 660 660 650 640

Песок, кг 1330 1315 1300 1280 1325 1320 1295 1275

Смола ДЭГ-1, кг 0 0 0 0 6,5 13 6,5 6,5

Отвердитель № 620, кг 0 0 0 0 1,3 2,4 1,3 1,3

Расширяющая добавка РД, кг 0 33 65 96 0 0 65 96

Гиперпластификатор, л 6 6 10 10 6 6 6 6

to«

Рис. 1. Стеклопластиковая композитная фибра: а - общий вид; б - увеличение в 54 раза

никновением дополнительных напряжении на границе фибра—матрица при ее введении в фибробетоны [6, 7]. Водорастворимая смола ДЭГ-1 вводилась для повышения содержания полимерного компонента в бетонной матрице и увеличения адгезии к фибре [8]. Составы модифицированных мелкозернистых бетонов, использованные в исследовании, приведены в табл. 1. Для проведения исследований использовался портландцемент ЦЕМ II/ А-К 42,5 Н (ГОСТ 31108-2016), речной песок с модулем крупности 1,8 (ГОСТ 8736-2014), гиперпластификатор Glenium Sky 591.

Все изготовленные образцы выдерживались 28 сут в камере нормального твердения, после чего проводились испытания по определению нагрузок и деформаций при вырыве фибры из бетона.

В связи с отсутствием разработанной и утвержденной документации по определению усилия вырыва единичных образцов фибры из бетона была использована собственная методика испытания.

Алюминиевая трубка подготовленного образца напрямую зажималась в губках испытательного устройства Instran 3382. Для исключения влияния дополнительного обжатия на фибру, заделанную в бетон, недопустимо защемление кубического образца в губках пресса. Поэтому изготовлено специальное удерживающее металлическое устройство из двух жестких пластин и четырех стержней. Данная рама позволяла передавать на образец только вырывающее усилие. В центре верхней пластины имелось отверстие, куда продевался образец до упора в пластину, а край образца с алюминиевой гильзой защемлялся в губках. Рама фиксировалась за счет затяжки дополнительного стержня, установленного в центре противоположной пластины. Схема проведения испытания приведена на рис. 2.

После закрепления образца с рамой на испытательном стенде создавалось предварительное усилие натя-

жения образца от 20 до 40 Н, после чего начиналось нагружение образца с постоянной скоростью 5 Н/с.

В большинстве случаев после окончания испытания фиксировалось деформация верхнего полимерного слоя фибры, и только в отдельных случаях происходило разрушение части фибры, заделанной в бетон, например трещины, скалывание краев, а у бетонного куба — вырыв материала в зоне установки фибры. Наиболее вероятная причина подобных разрушений — неравномерность толщины фибры по длине. При небольшой длине утолщенной части фибры происходило разрушение по фибре, скол края. Если длина утолщенной зоны фибры превышала половину глубины заделки, кусок бетона вырывался в виде конуса или наблюдалось полное разрушение бетонного образца. Общее количество аномальных разрушений образцов в серии не превышало 15 %.

Анализ результатов испытаний всех серий образцов позволил установить основные типы разрушений при вырыве фибры из бетона, диаграммы которых приведены на рис. 3.

На рис. 3, а показано, что усилие вырыва развивается равномерно и, достигнув пиковой точки, идет на спад из-за увеличивающегося проскальзывания фибры

Рис. 2. Схема испытания по определению вырыва фибры из бетонной матрицы: 1 - алюминиевая трубка; 2 - фибра; 3 - стальная пластина; 4 - бетонный куб; 5 - стержень для фиксации рамы

fj научно-технический и производственный журнал

У "rJt r=Jbr

М-

апрель 2017 69

®

Р, кН

Р, кН

Р, кН

б

а

в

0 х, мм 0 х, мм 0 х, мм

Рис. 3. Диаграммы «нагрузка-деформации» при вырыве фибры из бетонной матрицы: а - равномерное развитие усилия вырыва; б - скачкообразное развитие усилия вырыва; в - развитие усилия, когда после первого проскальзывания наблюдается площадка с постоянной нагрузкой порядка 80% от максимального значения и возрастающими деформациями

за счет снижения площади сцепления ее поверхности с бетоном. На рис. 3, б возрастание и снижение нагрузки происходит скачкообразно. Провалы в графике объясняются локальными разрушениями выпуклых частей полимерной смолы на поверхности фибры с бетоном, что приводит к ее частичному проскальзыванию. На рис. 3, в приведен третий тип диаграммы, в которой после первого проскальзывания наблюдается площадка с постоянной нагрузкой порядка 80% от максимального значения и возрастающими деформациями. Причиной такого развития напряжений и деформаций является размер фибры, имеющей расширяющуюся часть ближе к концу (рис. 1). При такой форме, несмотря на снижение площади трения фибры при выскальзывании из бетонной матрицы, происходит ее обжатие в теле бетона, что в итоге повышает максимальную нагрузку при вырыве. Во всех сериях образцов были зафиксированы все три типа разрушений, а это указывает на то, что конфигурация отдельной фибры является определяющей при ее вырыве из бетона, а модификации бетонной матрицы приводят к изменению численных параметров. Вид бетона или его модификация не оказывают влияния на характер и вид диаграмм «нагрузка—деформация», а изменяют только численные значения максимальной нагрузки при вырыве.

Для определения влияния стеклопластиковой фибры на свойства фибробетонов были изготовлены образцы в соответствии с требованиями действующих нормативных документов и проведены испытания. Количество композитной стеклопластиковой фибры во всех составах было одинаково и составляло 1,5% по объему. Результаты проведенных испытаний по определению водопоглощения, прочности при сжатии и прочности на растяжение при изгибе приведены в табл. 2. В ходе экспериментальных исследований установлено, что при введении водорастворимой эпоксидной смолы ДЭГ-1 в количестве 1 и 2% от массы цемента, максимальное значение нагрузки при вырыве фибры повышается на 16 и 32%, до 0,27 и 0,3 кН. Расширяющая добавка РД при введении в бетонную матрицу в количестве 5, 10 и 15% по массе повышает нагрузку при вырыве фибры на 26, 31 и 40%, до 0,29, 0,3 и 0,32 кН соответственно. Максимальный эффект от модифицирования бетонной матрицы был достигнут при совместном введении расширяющей добавки в количестве 10% и смолы ДЭГ-1 в количестве 1% от массы цемента. При этом нагрузка при вырыве повысилась на 75%, до 0,4 кН, а прочность на растяжение при изгибе на 31,1%, до 8,05 МПа. Прочность при сжатии исследованных фи-бробетонов повысилась во всех составах с 39 до 48,4— 70,6 МПа, при этом очевидная взаимосвязь с предельными нагрузками при вырыве фибры не прослеживается. При анализе изменения свойств составов

Таблица 2

Свойства модифицированных фибробетонов

Номер состава Вид добавки, содержание добавки, % от массы цемента Водопоглощение, % Средняя прочность при сжатии, МПа Средняя нагрузка при вырыве фибры F, кН Изменение нагрузки при вырыве фибры, % Средняя прочность на растяжение при изгибе, МПа Изменение средней прочности на растяжение при изгибе, %

1 - 6,5 39,0 0,23 0 6,14 0

2 РД, 5 6,4 61,7 0,29 26 6,36 3,6

3 РД, 10 6,6 70,6 0,3 31 6,72 9,4

4 РД, 15 6,2 67,8 0,32 40 6,76 10,1

5 ДЭГ, 1 6 48,4 0,27 16 6,37 3,7

6 ДЭГ, 2 4,5 61,7 0,3 32 6,84 11,4

7 РД, 10 ДЭГ, 1 5,3 69,9 0,4 75 8,05 31,1

8 РД, 15 ДЭГ, 1 5,2 67,5 0,31 36 7,07 15,1

фибробетона определено, что прочность на растяжение при изгибе фибробетонов увеличивается на 9,4— 31,1% при повышение максимальной нагрузки при вырыве фибры из бетонной матрицы более чем на 30% по сравнению с контрольным составом. Зависимость прочности на растяжение при изгибе фибробе-тона от степени нагрузки при вырыве для композитной стеклопластиковой фибры явно имеет нелинейный характер и может быть установлена по результатам дополнительных исследований.

В результате проведенных исследований установлено, что при модифицировании цементной матрицы расширяющей добавкой РД и водорастворимой эпоксидной смолой ДЭГ-1 максимальная нагрузка при вырыве из нее композитной стеклопластиковой фибры повышается до 75%, что хорошо коррелируется с показателями по возрастанию прочности на растяжение при изгибе полученных фибробетонов до 31,1%. Установленная возможность повышения эффективности работы композитной стеклопластиковой фибры за счет модифицирования состава и свойств бетонной матрицы позволит найти ей более широкое применение при производстве различных изделий и конструкций.

научно-технический и производственный журнал Г* \ .£

То апрель 2017 Й- ГЗМЫ^ 9'

Список литературы

1. Nurtdinov M., Solovyev V., Panchenko A. Influence of composite fibers on the properties of heavy concrete // MATEC Web of Conferences. 2016. November. Vol. 86. Article number 04026. Doi: https://doi.org/10.1051/ matecconf/20168604026.

2. Хотеев Е.А. О перспективах применения в России стеклопластиковых армирующих элементов на основе европейского опыта // Транспортное строительство. 2015. № 1. С. 10-13.

3. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. М.: АСВ, 2011. 642 с.

4. Соловьев В.Г., Бурьянов А.Ф., Елсуфьева М.С. Особенности производства сталефибробетонных изделий и конструкций // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 18-21.

5. Соловьев В.Г., Бурьянов А.Ф., Фишер Х.-Б. Особенности формирования структуры сталефибро-бетона при тепловой обработке // Строительные материалы. 2015. № 9. С. 43-46.

6. Елсуфьева М.С., Соловьев В.Г., Бурьянов А.Ф. Применение расширяющихся добавок в сталефиб-робетоне // Строительные материалы. 2014. № 8. С. 60-63.

7. Елсуфьева М.С., Соловьев В.Г., Бурьянов А.Ф., Нуртдинов М.Р., Какуша В.А. Оценка досрочного изменения свойств сталефибробетонов с расширяющими добавками // Строительные материалы. 2015. № 7. С. 21-23.

8. Нуртдинов М.Р., Бурьянов А.Ф. Влияние водорастворимой эпоксидной смолы ДЭГ-1 совместно с супер- и гиперпластификаторами на свойства мелкозернистых бетонов // Сборник тезисов докладов международной научно-технической конференции «Высокопрочные цементные бетоны: технологии, конструкции, экономика (ВПБ-2016)». Казань: КазГАСУ, 2016. С. 47.

References

1. Nurtdinov M., Solovyev V., Panchenko A. Influence of composite fibers on the properties of heavy concrete. MATEC Web of Conferences. 2016. November. Vol. 86, Article number 04026. Doi: https://doi.org/10.105l/ matecconf/20168604026.

2. Khoteev E.A. About the prospects of using fiberglass reinforcing elements in Russia on the basis of the European experience. Transportnoe stroitel'stvo. 2015. No. 1, pp. 10—13. (In Russian).

3. Rabinovich F.N. Kompozity na osnove dispersno-armirovannykh betonov [Composites based on fiber reinforced concrete]. Moscow: ASV. 2011. 642 p.

4. Solov'ev V.G., Bur'yanov A.F., Elsufeva M.S. Features of production of steel fiber concrete products and structures. Stroitel'nye materialy [Construction Materials].

2014. No. 3, pp. 18-21. (In Russian).

5. Solov'ev V.G., Bur'yanov A.F., Fisher Kh.-B. Features of the formation of the structure of steel fiber concrete during heat treatment. Stroitel 'nyeMaterialy [Construction Materials]. 2015. No. 9, pp. 43-46. (In Russian).

6. Elsufeva M.S., Solov'ev V.G., Bur'yanov A.F. Application of expanding additives in steel fiber concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 8, pp. 60-63. (In Russian).

7. Elsufeva M.S., Solov'yev V.G., Buryanov A.F., Nurtdinov M.R., Kakuasha V.A. Evaluation of early changes in the properties of steel fiber reinforced concrete with expanding additives. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials].

2015. No. 7, pp. 21-23. (In Russian).

8. Nurtdinov M.R., Bur'yanov A.F. Influence of water-soluble DEG-1 epoxy together with super- and hyper-plasticizer on properties of fine-grained concrete. The collection of abstracts of reports of the international scientific and technical conference "High strength cement concretes: technologies, structures, economics (VBB-2016)". Kazan: KazGASU. 2016, pp. 47. (In Russian).

Главное событие строительного рынка и смежных отраслей Алтайского края

| Качественные деловые контакты | Широкие возможности для продвижения | | Эффективные продажи |

1У-19 мая

г. Барнаул ТРЦ «Арена»

Выставочно-конгрессный центр «Атлас» (2-й этаж) открытая уличная площадка

22-я Межрегиональная специализированная выставка

Строительство

Благоустройство

Интерьер'2017

По вопросам участия обращаться:

(3852) 65-88-44 | altfairOaltfair.ru

www.stroyka.altfair.ru

Организаторы выставки:

■ ЗАО «Алтайская ярмарка»;

■ ООО «Современные выставочные технологии».

®

научно-технический и производственный журнал

апрель 2017

71