CC BY
16УДК 699.8:624.1.002.3
Голованов В. И., Новиков Н. С., Павлов В. В., Антонов С. П.
ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИБРОБЕТОНА ДЛЯ ТОННЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
В статье приводятся результаты исследований прочностных характеристик бетона с добавкой из полипропиленовой фибры и без добавки при воздействии температур в диапазоне 20-800 °С. Проведено сравнение прочностных свойств исследованных бетонных смесей. В ходе исследований установлено, что при использовании полипропиленовой фибры прочностные характеристики фибробетона по сравнению с бетоном без добавки фибры снижаются в среднем на 16 % как при нормальной температуре, так и при высоких температурах.
Ключевые слова: прочность на осевое сжатие, бетон, фибробетон, полипропиленовая фибра, температура.
Основным конструктивным элементом в тоннелях автодорожных и метрополитена являются железобетонные блоки обделки, которые эксплуатируются в условиях повышенной влажности. Ранее проведёнными исследованиями установлено [1, 2, 3], что железобетонные конструкции из тяжёлого бетона с влажностью более 3,5 % при пожаре имеют склонность к взрывообраз-ному (хрупкому) разрушению. Этот процесс может привести к откалыванию защитного слоя арматуры вследствие её прогрева до критической температуры и обрушению конструкции. Для уменьшения вероятности хрупкого разрушения бетона в строительных конструкциях тоннелей используют огнезащитные покрытия для снижения интенсивности нагрева бетона при пожаре или вводят добавки в бетон в виде различных видов фибры, что также уменьшает вероятность хрупкого разрушения [4, 5].
На сегодняшний день существует достаточно много исследований фибробетонов, так как армирование бетона фиброй позволяет повысить прочностные характеристики бетонов и конструкций из этого материала [6, 7]. Однако в данном направлении до сих пор остаются пробелы в области изучения прочностных характеристик и поведения бетонов с армированием фиброй при воздействии пожара. Поэтому целью данного исследования является получение экспериментальных данных о прочностных свойствах фибробетона с полипропиленовой фиброй при воздействии высоких температур и сравнение полученных прочностных характеристик бетона с отечественной и импортной полипропиленовой фиброй.
Для исследований прочности бетона с добавкой полипропиленовой фибры и без добавки на осевое сжатие на заводе ОАО «Моспромжелезо-бетон» были изготовлены образцы в виде кубиков (размер 100x100x100 мм) из бетона, состоящего из вяжущего ПЦ 1-500-Н, мелкого заполнителя -
кварцевого песка, крупного заполнителя - гранитного щебеня фракции 5-15 мм и пластификатора - Glenium 51 [8]. Для образцов из фибробетона, помимо вышеприведённых ингредиентов, в бетонную смесь добавляли полипропиленовую фибру в количестве 1 кг/м3.
Во время проведения исследований использовалась отечественная и импортная полипропиленовая фибра марки ProZASK IGS PowerFil Pro. Длина волокон отечественной и импортной полипропиленовой фибры составляла, соответственно, 12 и 6 мм. Общий вид импортной полипропиленовой фибры представлен на рисунке 1.
При изготовлении бетонной смеси волокна фибры добавлялись в бетон и перемешивались в течение 15-20 мин - данное время замешивания позволяет волокнам фибры распределиться равномерно в бетонной смеси.
В ходе подготовки образцов каждой партии была присвоена маркировка:
- бетонные кубы без добавки фибры - К;
- бетонные кубы с отечественной полипропиленовой фиброй - Р;
Рисунок 1. Полипропиленовая фибра ProZASK IGS PowerFil Pro
- бетонные кубы с импортной полипропиленовой фиброй - А.
Исследования прочности фибробетона с полипропиленовой фиброй на осевое сжатие при высоких температурах нагрева образцов проводились по разработанной методике с учётом действующих норм [8]. Сущность этого метода заключается в определении прочности бетона посредством измерения усилий, разрушающих специально изготовленные и прогретые до определённых температур контрольные образцы бетона при их статическом нагружении с постоянной скоростью нарастания нагрузки и последующем вычислении напряжений при этих усилиях.
Перед проведением испытаний кубов на прочность их прогревали до постоянной температуры 200, 400, 600, 800 °С. После прогрева образцы были подвержены испытаниям на сжатие в специализированной лаборатории на гидравлическом прессе. Изменение прочности исследуемых составов в зависимости от температуры нагрева образцов представлено в таблице.
По результатам испытаний высчитывалась прочность прогретого бетона на осевое сжатие
90
80
5 70 се° й 60
50
40
30
20
10
1
\ Ч ' N.,
/\ 1 \ * 3w /ч *
ж \ > * ч VV \ xW
20
200 400 600
Температура, t, °С
800
Рисунок 2. Температурные зависимости прочности на осевое сжатие бетона без добавки фибры и с добавкой: — - экспериментальные кривые; — — - расчётные кривые; 1 - бетон без добавки фибры; 2 - бетон с отечественной полипропиленовой фиброй; 3 - бетон с импортной полипропиленовой фиброй
по формуле R = a—, где R - прочность на осевое Л
сжатие, МПа; а - переводной коэффициент, зависящий от размеров образца; F - разрушающая нагрузка, Н; А - средняя рабочая площадь образца, мм2. Переводной коэффициент а принимается в зависимости от номинальных размеров образца, мм: для бетонного куба со сторонами 100x100x100 мм переводной коэффициент к прочности эталонного образца а составит 0,95 [6].
После проведения исследований экспериментальные данные подверглись статистической обработке, а именно: регрессионному анализу. Данная обработка проводилась по методу наименьших квадратов при использовании программного обеспечения Microsoft Office Excel [9].
Прочность на осевое сжатие образцов исследуемых составов в зависимости от температуры
Маркировка образцов
Температура образцов, °С 0 200 400 600 80 Прочность на осевое сжатие, Rb, МПа
К 58,3 60,3 79,2 53,9 29,5
46,6 50,7 72,8 47,5 26
Р 57 65,9 60,2 42,8 16,5
47,5 66,5 57 44,3 17,4
А 47,5 57 77,6 41,2 20,6
44,7 69,7 60,2 45,6 20
В результате регрессионного анализа экспериментальных данных получены эмпирические зависимости для расчёта прочности на осевое сжатие бетона без армирования фиброй и бетонов с отечественной и импортной полипропиленовой фиброй в зависимости от температуры (рис. 2).
Эмпирические зависимости имеют следующий вид:
- для бетона без фиброармирования Яь = = -0,0002t2 = 0,138/- = 47,89, где Я2 = 0,78;
- для фибробетона с отечественной полипропиленовой фиброй Яь = -0,0002/2 = 0,0993/ = = 48,91, где Я2 = 0,97;
- для фибробетона с импортной полипропиленовой фиброй Яь = -0,0002/2 = 0,1332/ = 44,548, где Я2 = 0,89.
Коэффициент корреляции Я2 показывает тесноту связей между полученными экспериментальными данными. В нашем случае во всех уравнениях регрессии связь между переменными достаточно высокая. С помощью полученных выражений можно рассчитывать показатели прочности на осевое сжатие исследованных бетонов при различных температурах нагрева.
Результат проведенных экспериментов. Полипропиленовая фибра снижает прочность бетона на сжатие примерно на 16 % как при нормальной температуре, так и при повышенной. В качестве гипотезы, объясняющей снижение прочности бетона, можно использовать предположение, что добавление полипропиленовой фибры в бетон
0
в количестве 1 кг/м3 вытесняет такое же количество объёма цемента и мелкого наполнителя из структуры бетона и не позволяет набрать такую же прочность, как у обычного бетона. Второй причиной снижения прочности при нагреве возможно является низкая температура плавления полипропиленовой фибры, которая составляет всего 160 °С [10]. В результате нагрева фибробетона до температуры плавления полипропилена изменяется структура бетона, повышается его пористость, что приводит к уменьшению плотности и снижению прочности бетона.
Добавка полипропиленовых волокон в бетон не способна повысить прочность бетона даже при высоком процентном содержании фибры в составе бетона, поэтому данную фибру не следует использовать для повышения прочностных характеристик бетонов, но целесообразно использовать в качестве защиты материала от взрывообразно-го разрушения. Для повышения прочности бетона необходимо комбинировать полипропиленовую фибру с другими видами фибр, которые в одном случае будут защищать бетон от взрывообразного разрушения, в другом - повышать его прочность на сжатие и на растяжение.
Закономерности (визуальные) при разрушении образцов из бетона при нагреве с добавкой фибры и без добавки. В диапазоне температур 20-200 °С для бетона без добавки фибры характерно разрушение образцов с хлопком, откалыванием кусков цементного камня и крупного заполнителя, разлётом этих частей на расстояния 2-3 м (рис. 3).
Разрушение бетонных образцов с добавкой фибры в данном интервале температур было пластичным, и бетонный куб практически не изменил свою форму (рис. 4).
Рисунок 3. Образец из бетона без добавки фибры после проведения эксперимента
При нагреве бетонных образцов без добавки фибры и с добавкой выше температуры 600 °С и воздействии нагрузки разрушение бетонных образцов происходит в виде рассыпания составляющих компонентов. Можно предположить, что по достижении высоких температур сцепление между основными компонентами в бетонной смеси практически отсутствует.
При сравнении прочностных свойств бетона с добавками из двух видов фибры видно, что на участке 20-300 °С прочность на осевое сжатие отечественной полипропиленовой фибры выше импортной полипропиленовой фибры на 12 % (см. рис. 2). На участке 300-800 °С отечественная полипропиленовая фибра уступает импортной примерно на 14 %. Это можно объяснить разностью длин волокон отечественной и импортной фибры. Структура бетона с отечественной фиброй (длина волокон 12 мм) при нагреве становится более пористой, чем у бетона с импортной фиброй (длина волокон 6 мм) - при нагреве фибро-бетона происходит плавление полипропиленовых волокон, в результате чего и образуются поры в структуре бетона. Именно по этой причине прочность фибробетона с отечественной полипропиленовой фиброй незначительно снижается по отношению к импортной. Добавка в бетон отечественной фибры с меньшей длиной волокон позволит заменить использование импортной более дорогой фибры.
Анализ результатов испытаний показал, что характер кривых изменений прочности на сжатие при росте температуры бетона без добавки фибры и с добавкой одинаков для всех образцов, участвовавших в испытаниях (см. рис. 2). В интервале температур от 20 до 300 °С происходит
Рисунок4. Образец из бетона с добавкой полипропиленовой фибры после проведения эксперимента
набор прочности, который характерен для бетона с добавкой фибры и без добавки. В интервале температур от 300 до 800 °С в связи с происходящими процессами дегидратации и термической диссоциации прочность снижается.
Авторы статьи пришли к выводу, что добавка полипропиленовых волокон в бетон не способна повысить прочность бетона даже при высоком
процентном содержании фибры в составе бетона. Поэтому данную фибру не следует использовать для повышения прочностных характеристик бетонов, а целесообразно использовать в качестве защиты материала от взрывообразного разрушения. Для обеспечения более высокой прочности бетона стоит комбинировать полипропиленовую фибру с другими видами фибр.
ЛИТЕРАТУРА
1. Голованов В. И., Кузнецова Е. В. Эффективные средства огнезащиты для стальных и железобетонных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. - 2015. - N 9. -с. 82-90.
2. Голованов В. И., Павлов В. В., Пехотиков А. В. Защита железобетонных тюбингов автодорожных тоннелей от хрупкого разрушения при пожаре // Пожарная безопасность. - 2OOS. -N 2. - с. 50-55.
3. Dehn F., Werther N., Knitl J. Großbrandversuche fur den City-Tunnel Leipzig. Beton- und Stahlbetonbau, 2006, Nr. 101, Heft S, S. 6З1-6З5. DOI: 10.1002/best 200608186.
4. Новиков Н. С. Огнестойкость и прочность конструкций из фибробетона [Электронный ресурс] // Технологии техно-сферной безопасности. - 2016. - N З (67). - с. 122-127. Режим доступа: http^/academygps.ucoz.ru/ttb/ZO^^/ZO^^.html (Дата обращения 24.05.2017 г.).
5. Яковлев А. И. Расчёт огнестойкости строительных конструкций. - М.: стройиздат, 19SS. - 144 с.
6. Лесовик Р. В., Клюев С. В. Фибробетон на композиционных вяжущих и техногенных песках Курской магнитной аномалии для изгибаемых конструкций // Инженерно-строительный журнал. - 2012. - Т. 29, № 3. - С. 41-47. DOI: 10.5862/MCE.29.5.
7. Вахмистов А. И., Морозов В. И., Пухаренко Ю. В., Дмитриев А. Н, Магдеев У. Х. Эффективные фиброармирован-ные материалы и изделия для строительства // Промышленное и гражданское строительство. - 2007. - № 10. - С. 43-44.
8. ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. - М.: Стандартинформ, 2013. - 35 с.
9. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. Учебник. - 11-е изд., стер. - М.: КНОРУС, 2010. - 664 с.
10. Young-Sun Heo, Jay G. Sanjayan, Cheon-Goo Han, Min-Cheol Han. Synergistic effect of combined fibers for spalling protection of concrete in fire. Cement and Concrete Research. -2010. - № 40. - С. 1547-1554.
Материал поступил в редакцию 09 декабря 2016 года.
Golovanov V., Novikov N., Pavlov V., Antonov S.
STRENGTH CHARACTERISTICS OF FIBER REINFORCED CONCRETE FOR TUNNEL STRUCTURES IN HIGH TEMPERATURES
ABSTRACT
Purpose. The article provides the results of the research of strength characteristics of concrete with and without addition of polypropylene fiber at the exposure to temperatures ranging between 20-800 °C.
Methods. The research of the strength of fiber reinforced concrete with polypropylene fiber and concrete without additives at axial compression at high temperatures of heating the samples was carried out according to the developed technique, taking into account the applicable standards specified in State Standard GOST 10180-2012 "Concrete. Methods of determining strength by check samples".
Findings. In the research it was defined that in case of using polypropylene fiber, the strength characteristics of fiber reinforced concrete compared to concrete without fiber supplements reduce by 16 % on the average both at normal temperatures and at high temperatures.
Research application field. Analytical dependences for determining strength characteristics
of concrete at axial compression with the addition of domestic and imported fiber have been obtained. Also, these results are used to determine fire resistance of structures based on fiber reinforced concrete with polypropylene fiber.
Conclusions. The addition of polypropylene fibers to concrete cannot increase the concrete strength even with a high percentage of fiber in the concrete composition. Therefore, this fiber should not be used to increase the strength characteristics of the concrete, but it is advisable to be used as protection of the material from the explosive destruction. To provide higher concrete strength it is recommended to combine polypropylene fiber with other types of fibers.
Key words: strength at axial compression, concrete, fiber reinforced concrete, polypropylene fiber, temperature.
REFERENCES
1. Golovanov V.l., Kuznetsova E.V. Effective means of fire protection for steel and concrete structures. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo, 2015, no. 9, pp. 82-90. (in Russ.).
2. Golovanov V.l., Pavlov V.V., Pekhotikov A.V. Protection of reinforced concrete tubing of road tunnels against brittle fracture during a fire. Pozharnaia bezopasnost', 2008, no. 2, pp. 50-55. (in Russ.).
3. Dehn F., Werther N., Knitl J. Großbrandversuche fur den City-Tunnel Leipzig. Beton- und Stahlbetonbau, 2006, Nr. 101, Heft 8, S. 631-635. DOI: 10.1002/best 200608186. (in Germ.).
4. Novikov N.S. Fire resistance and strength of reinforced concrete structures made of fiber-reinforced concrete. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2016, no. 3 (67), pp. 122-127, available at: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2016-3/ 2016-3.html (acsessed May 24, 2017). (in Russ.).
5. Yakovlev A.I. Raschet ognestoikosti stroitel'nykh konstruktsii [Calculation of fire resistance of building structures]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1988. 144 p.
6. Lesovik R.V., Kliuev S.V. Fiber-concrete on composite astringent and man-made sands of the Kursk magnetic anomaly for bent structures. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal, 2012, vol. 29, no. 3, pp. 41-47. DOI: 10.5862/MCE.29.5. (in Russ.).
7. Vakhmistrov A.I., Morozov V.I., Pukharenko Ju. V., Dmitriyev A.N., Magdeev U.Kh. Efficient fiber-reinfortced. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo, 2007, no. 10, pp. 43-44. (in Russ.).
8. State standart 10180-2012. Concretes. Methods for strength determination using reference specimens. Moscow, Standart Publ., 2013. 35 p. (in Russ.).
9. Venttsel' E.S. Teoriia veroiatnostei [Theory of Probability]. Moscow, KNORUS Publ., 2010. 664 p.
10. Young-Sun Heo, Jay G. Sanjayan, Cheon-Goo Han, Min-Cheol Han. Synergistic effect of combined fibers for spalling protection of concrete in fire. Cement and Concrete Research, 2010, no. 40, pp. 1547-1554. (in Engl.).
VLADiMiR GOLOVANOV NiKOLAY Novikov VLADiMiR PAVLOV SERGEi Antonov
Grand Doctor of Philosophy in Engineering Sciences State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia, Moscow region, Balashikha, Russia
Ltd. "Prozask", Moscow, Russia
