CC BY
40
Технико - экономическое сравнение эффективности применения фибробетона на основе фибры различного происхождения
А.В. Боровков1, С.В Овчинникова.2
1 Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт
2 Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина
Аннотация: В представленной статье проведено исследование физико -механических свойств мелкозернистых фибробетонов с металлическим, полипропиленовым и полиамидным волокном, с применением портландцемента, гиперпластификатора. Исследовано сопоставление характеристик прочности фибробетонов, которые произведены с применением полиамидного и полипропиленового волокна, металлической фибры. Произведено технико-экономическое сравнение эффективности применения фибры различного происхождения. Согласно расчетам стоимости, использование полиамидных волокон становится экономически выгодным, в связи с тем, что цена материалов из них ниже цены материалов фибробетона на полипропиленовом волокне.
Ключевые слова: фибробетон, гиперпластификатор, фибра, микрокремнезем, предел прочности, характер разрушения, механическое свойство, полипропиленовое волокно, полиамидное волокно, цемент, армирование, адгезия, монолитная конструкция, себестоимость.
На сегодняшний момент строительство проводится с использованием способов и методов, с помощью которых достигаются наилучшие технико -экономические показатели. Основное направление этих методов содержится в уменьшении себестоимости строительства, экономии ресурсов и облегчении технологии производства [1].
Фибру из различных материалов включают в состав бетона с целью повышения трещиностойкости бетона при усадке и циклических воздействиях. Некоторые виды волокон повышают морозостойкость, сопротивление ударным воздействиям, истиранию и разрушению бетона [2].
Важнейшая проблема фибробетона и фиброжелезобетона выражается в создании равномерного (агрегированного) разделения волокон по объему или длине элемента [3, 4].
Опытным путем было определено [5,6], что результативность дисперсного армирования бетона и цементного камня напрямую оказывается
М Инженерный вестник Дона, №10 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl0y2020/6664
в зависимости от трех показателей: - длины фибры 1 (или отношения длины фибры к ее диаметру Ш); - прочности сцепления фибры с бетоном; -объемной концентрации фибры.
Гиперпластификатор и микронаполнитель применялся для проведения исследования фибробетонов - микрокремнезем существенно уменьшает расход цемента и привносит значительные ранние прочности фибробетона.
Таблица № 1
Составы фибробетонной смеси с металлическими волокнами
Состав Ц : П = 1:0,67 Ц П = 1:1,43 Ц : П = 1:2
Единица измерения <г/м3
Цемент 42,5 Н 727 705 698 566 563 566 501 499 504
Микрокремнезем 312 303 300 243 242 243 216 215 217
Песок 487 473 468 809 805 809 1002 998 1008
Вода 451 437 433 396 394 396 346 344 348
Фибра
металлическая волнового профиля 87 113 146 79 101 136 80 110 146
ФСВ-В-0,3/15
В/Ц 0,43 0,43 0,43 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49
Гиперпластификатор <^ТАСНЕМЕЖ 2280» 10 10 10 6 6 6 7 6 7
Средняя плотность,кг/м 2076 2041 2055 2099 2111 2157 2152 2172 2230
Расплыв конуса, см 80 78 75 70 70 68 68 66 62
В ходе проведенных испытаний исследуемых образцов, было установлено, что наилучшие результаты показывают образцы фибробетона с металлической фиброй при соотношении Ц: П = 1:0,67 и при армировании в
3 _
количестве 146 кг/м . Прочность при сжатии при этом составляет 61 МПа., при изгибе - 9,1 МПа. (таблица № 2).
Таблица № 2
Пределы прочности при сжатии образцов с металлической фиброй
Возраст образцов Состав
Ц : П = 1:0,67 Ц : П = 1:1,43 Ц : П = 1:2
Кол-во фибры, кг/м3
87 113 146 79 101 136 80 110 146
П редел прочности при сжатии, МПа
7 суток 42,7 41,6 43,3 33,8 28,5 32,3 34,7 34,3 33,3
14 суток 46,7 46 46,8 40,6 38,5 37,0 42,0 41,8 41,1
28 суток 49,9 55,5 61,0 48,9 51,3 52,7 46,8 47,4 50,1
Предел прочности при изгибе, МПа
28 суток 7,7 8,3 9,1 7 6,8 6,7 7,3 7,7 7,9
При этом сами образцы визуально обладают признаками пластического разрушения (рис. 1). Но фибра не рвалась, что показывает ее надежное соединение с матрицей композита.
Рис. 1 - Характер разрушения фибробетона с металлической фиброй после испытания на сжатие и изгиб
Одним из типов синтетических волокон диаметром 0,02- 0,038 мм, выполненных способом резки и скручивания из полипропиленовой пленки,
является полипропиленовая фибра. Такие волокна распускаются в бетонном растворе и формируют сетчатую структуру [7], в результате чего совершенствуются качественно физико-химические показатели фибробетона и его состав. У этого материала выше, чем у неармированного бетона сопротивляемость ударным нагрузкам. К недостаткам можно отнести податливость к сжатию или растяжению, небольшую устойчивость к повышенным температурам, малую смачиваемость материала [8].
Экономически неэффективным является введение фибры в бетон более 1,1 кг/м , помимо этого уменьшается мобильность бетонной смеси на 10 -15%. В результате этого затрудняется качественная заливка бетона в опалубку и ее последующее уплотнение [9].
Таблица № 3
Составы фибробетонной смеси с полипропиленовым волокном
Состав Состав
Ц : П = 1:1,43 Ц : П = 1:2
Единица измерения Кг/м3
Цемент 42,5 Н 578 560 490 475
Микрокремнезем 248 241 211 205
Песок 825 801 980 950
Вода 376 392 341 348
Фибра металлическая волнового профиля ФСВ-В-0,3/15 7 10 7 10
В/Ц 0,45 0,5 0,48 0,5
Гиперпластификатор <^ТАСНЕМЕОТ 2280» 7 7 6 6
Средняя плотность,кг/м3 2041 2011 2035 1994
Расплыв конуса, см 62 63 59 60
Результаты исследований образцов на сжатие и изгиб с полипропиленовой фиброй представлены в таблице № 4.
Таблица № 4
Предел прочности при сжатии образцов с полипропиленовой фиброй
Возраст образцов Состав
Ц : П = 1:1,43 Ц : П = 1:2
Кол-во фибры кг/м
7 10 7 10
Предел прочности при сжатии, МП а
7 суток 37 30,9 28,5 26,4
14 суток 45,1 37,6 37,3 35,9
28 суток 52,4 47,7 46,1 45,3
Предел прочности при изгибе, МПа
28 суток 7,9 7,2 7,1 7,0
Данные таблицы № 4 свидетельствуют о том, что максимальное значение прочности при изгибе (7,9 МПа) и сжатии в 28 суток (52,4 МПа) показывают образцы бетона с содержанием в смеси фибры в количестве 7
3 _
кг/м при отношении Ц: П = 1:1,43.
На рис. 2 показано разрушение в результате испытания на сжатие и изгиб с полипропиленовым фиброволокном фибробетона.
Рисунок 2 - Характер разрушения фибробетона с полипропиленовой фиброй после испытания на сжатие и изгиб
Таблица № 5
Составы фибробетонной смеси с полиамидными волокнами
Состав Состав
Ц : П=1:1,39 Ц : П=1:2
Единица измерения Кг/м3
Цемент 42,5 Н 739 513
Микрокремнезем - 221
Песок 1027 1026
Вода 370 354
Фибра - полиамидные волокна 7 7
В/Ц 0,5 0,48
Гиперпластификатор <^ТАСНЕМЕЖ 2280» - 7
Средняя плотность, кг/м3 2143 2128
Расплыв конуса,см 62 65
Важность исследований по использованию в качестве фибры полиамидных волокон представил осуществлённый разбор [10] эксперимента приложения органических и неорганических волокон из производственных отходов.
Итоги изучений образцов с полиамидным волокном на сжатие представлены в таблице № 6.
Таблица № 6
Предел прочности при сжатии образцов с полиамидной фиброй
Состав
Возраст Ц : П=1:1,39 Ц : П=1:2
образцов Кол-во фибры кг/м
7 7
Предел прочности при сжатии, МПа
7 суток 26,6 33,8
14 суток 34,2 43,2
28 суток 40,2 50,3
Предел прочности при изгибе, МПа
28 суток 6 7,5
Прочность при сжатии фибробетона с использованием полиамидных
волокон в 28-суточном возрасте вследствие экспериментов выше на 8,3% сравнительно с прочностью фибробетона на полипропиленовом волокне.
В возрасте семи суток фибробетон на полиамидном волокне набирает крепость 70% по сравнению с марочной.
На рис. 3 представлены образцы фибробетонов с полиамидными волокнами после испытания на сжатие и изгиб.
Рис. 3. - Характер разрушения фибробетона с полиамидной фиброй после испытания на сжатие и изгиб
На прочностных свойствах изучаемого фибробетона позитивно отразилось применение цемента - микрокремнезема во всех образцах как наполнителя. В результате этого уменьшился расход цемента, усилилась прочность фибробетона при сжатии и изгибе приблизительно на 20% [11].
Полиамидные волокна располагают увеличенной прочностью на разрыв и адгезией с бетоном по сравнению с полипропиленовой фиброй, что, в среднем, совершенствует контроль образования трещин ориентировочно на 50%.
По показателям проведенных изысканий можно увидеть, что из строительных материалов, доступных в данном месте: цемента, его наполнителей, песка, гиперпластификаторов на основе поликарбоксилатов и металлического или пропиленового фиброволокна можно произвести
© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007-2020
мелкозернистые самоуплотняющиеся фибробетоны для монолитных конструкций (классом не ниже В35).
Из стоимости исходного сырья формируется себестоимость производства мелкозернистого фибробетона с использованием микрокремнезема и гиперпластификатора, с усовершенствованной упаковкой заполнителя.
Данные, при соотношении Ц: П = 1:2 от количества фибры, о стоимости и пределе прочности образцов фибробетонов с наполнителем цемента - микрокремнеземом и гиперпластификатором представлены в таблице № 7.
Таблица № 7
Данные стоимости и предела прочности образцов фибробетонов с наполнителем цемента и гиперпластификатором от количества фибры при
Ц: П = 1:2
Количество фибры, кг/м3 Предел прочности, МПа Стоимость, руб.
При сжатии Rсж При изгибе Rизг
Ц : П = 1:2
Металлическая фибра
80 46,8 7,3 12 403,3
110 47,4 7,7 14 302,5
146 50,1 7,9 16 992,1
Полипропиленовая фибра
7 46,1 7,1 8 482,2
10 45,3 7,0 9 115,4
Полиамидное волокно
7 50,3 7,5 5 875,2
Из сопоставления себестоимости фибробетонов можно увидеть, что по свойствам фибробетон на полиамидном волокне не только не уступает, но и превосходит свойства прочности образцов фибробетона с полипропиленовым фиброволокном (в среднем на 5 - 8%). Определено, что при сжатии фибробетона на полиамидных волокнах в 28-суточном возрасте крепость на 8,3% выше по сравнению фибробетоном с использованием полипропиленового волокна.
© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007-2020
Соответственно стоимостным расчетам экономически результативным становится применение полиамидных волокон, так как его цена на 35% ниже цены материалов фибробетона на полипропиленовом волокне.
У фибробетона с металлическим фиброволокном более высокая стоимость и высокие прочностные характеристики по сравнению с обычным бетоном. Но он, несмотря на высокую себестоимость, за счет высоких физико - механических свойств довольно популярен и очень часто применяется в строительстве для заливки фундаментов промышленных зданий под оборудование. Долговечность материала компенсирует высокую стоимость данного фибробетона.
Расход цемента при использовании микронаполнителя и гиперпластификатора на основе поликарбоксилата, при одновременном улучшении физико - механических свойств фибробетонов, уменьшается приблизительно на 20%.
Учитывая, что полиамидное волокно можно получить с помощью уменьшения себестоимости из отходов производства промышленности, не уменьшая свойств прочности, можно создать более выигрышные фибробетоны.
Своевременным заданием для последующих изысканий становится изучение результативности составов бетонов с комбинированным фибровым армированием, которое направлено на одновременную модификацию деформационных и прочностных свойств. Этот бетон можно использовать во время конструкции подземных инженерных сетей.
Литература
1. Ovchinnikova S., Kalinichenko M., Markina N., Schneider E. Energy modernization of housing stock // E3S Web of Conferences, 2020, №157. 06028.
2. Мартынов В.А. Анализ свойств фибробетонов с разлмчными типами заполнителей // Фундаментальные и прикладные научные исследования:
инноватика в современном мире. Уфа: Общество с ограниченной ответственностью Научно-издательский центр «Вестник науки», 2020, С. 30.
3. Маилян Л.Р., Налимова А.В., Маилян А.Л., Айвазян Э.С. Челночная технология изготовления фибробетона с агрегированным распределением фибр и его конструктивные свойства // Инженерный вестник Дона, 2011, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/714
4. Маилян Л.Р., Маилян А.Л., Айвазян Э.С. Конвейерная технология фибробетона с агрегированным распределением фибр и его конструктивные свойства // Инженерный вестник Дона, 2013, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1781
5. Матус, Е.П. Влияние размеров изделий на распределение волокон в дисперсно-армированных материалах // Изв. высш. учеб. заведений. Строительство. 2004, № 4, С. 37 - 42.
6. Парфенов, А.В. Ударная выносливость бетонов на основе стальной и синтетической фибры: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.23.05. Уфа, 2004, C. 19.
7. Дудов Д. О., Михайлов Д. А. Фибробетон. Фибра: Виды материалов и их классификация // Наука и образование: Сохраняя прошлое, создаём будущее. Пенза: «Наука и Просвещение», 2019, С. 49.
8. Овчинникова С.В., Присс О.Г. Исследование повреждений жилищного фонда в г. Невинномысске // Вестник СевКавГТИ, 2015, № 4 (23), С. 165-168.
9. Страданченко С.Г., Плешко М.С., Армейсков В.Н. Разработка эффективных составов фибробетона для подземного строительства // Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1995
10. Парфенова, Л.М., Качан М.С. Применение фибры в технологии бетонов // Инженерные проблемы строительства и эксплуатации сооружений: сб. науч. тр. - Новополоцк: ПГУ, 2011, №3. - С. 112 - 116.
© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007-2020
11. Beddar, M. Fiber reinforced concrete: past, present and future // Concrete and reinforced concrete-ways of development: scientific Tr. 2nd vseros. (International) Conf. on concrete and reinforced concrete: in 5 t. T. Z: Section reports, section «technology of concrete». - M.: Deepak, 2005, pp. 228-234.
References
1. Ovchinnikova S., Kalinichenko M., Markina N., Schneider E. E3S Web of Conferences, 2020, №157. 06028.
2. Martynov V.A. Fundamental'nye i prikladnye nauchnye issledovanija: innovatika v sovremennom mire. Ufa: Obshhestvo s ogranichennoj otvetstvennost'ju Nauchno-izdatel'skij centr «Vestnik nauki», 2020, P. 30.
3. Mailjan L.R., Nalimova A.V., Mailjan A.L., Ajvazjan Je.S. Inzhenernyj vestnik Dona, 2011, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/714
4. Mailjan L.R., Mailjan A.L., Ajvazjan Je.S. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1781
5. Matus, E.P. Izv. vyssh. ucheb. zavedenij. Stroitel'stvo. 2004, № 4, P. 37.
6. Parfenov, A.V. Udarnaja vynoslivost' betonov na osnove stal'noj i sinteticheskoj fibry: avtoref. dis. kand. tehn. Nauk [Impact endurance of concrete based on steel and synthetic fiber: author. dis. Cand. tech. Sciences]. 05.23.05 Ufa, 2004. P. 19.
7. Dudov D. O., Mihajlov D. A. Nauka i obrazovanie: Sohranjaja proshloe, sozdajom budushhee. Penza: «Nauka i Prosveshhenie», 2019, P. 49.
8. Ovchinnikova S.V., Priss O.G. Vestnik SevKavGTI. 2015. № 4 (23), P. 165-168.
9. Stradanchenko S.G., Pleshko M.S., Armejskov V.N. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1995
10. Parfenova, L.M., Kachan M.S. Inzhenernye problemy stroitel'stva i jekspluatacii sooruzhenij: sb. nauch. tr. Novopolock: PGU, 2011. №3, P. 112.
11. Beddar, M. Concrete and reinforced concrete-ways of development:
М Инженерный вестник Дона, №10 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl0y2020/6664
scientific Tr. 2nd vseros. (International) Conf. on concrete and reinforced concrete: in 5 t. T. Z: Section reports, section «technology of concrete». M.: Deepak, 2005, P. 228-234.
