ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИБРОБЕТОНА С АГРЕГИРОВАННЫМ ОРИЕНТИРОВАННЫМ ФИБРОВЫМ АРМИРОВАНИЕМ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 2 (21)

Научная статья УДК 691

ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура

ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия; 2.1.9. Строительная механика Ьок10.51608/26867818_2023_2_53

Аннот ация. Постановка задачи. Темпы развития современного строительства создают необходимость разработки новых технологий, позволяющих придать классическим строительным материалам особые свойства, позволяющие расширить спектр их применения. Разработанная технология механического распределения и ориентирования вдоль действующих в конструкции растягивающих напряжений фибровых волокон в теле линейных фибробетонных и фиброжелезо-бетонных элементов может обеспечить более эффективное использование фибрового дисперсного армирования за счет включения большего количества волокон в работу сечения. Необходимо провести экспериментальные исследования для изучения прочностных и деформативных свойств фибробетона по разработанной авторами технологии укладки фиб-робетонной смеси.

Результаты. Представлены результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик фибробетона, изготовленного по механической технологии создания агрегированного ориентированного фибрового армирования.

Выводы. Представленные результаты экспериментальных исследований позволили отработать особенности предлагаемой авторами технологии создания фибробетона с агрегированным ориентированным фибровым армированием и получить материал с повышенными технико-экономическими показателями.

Ключевые слова: бетон; железобетон; фибробетон; преднапряженные конструкции; использование материалов в конструкциях и расчетах; строительные материалы

Для цитирования: Маилян Л.Р., Шилов П.А. Технология изготовления фибробетона с агрегированным ориентированным фибровым армированием и исследование его характеристик // Эксперт: теория и практика. 2023. № 2 (21). С. 5359. doi:10.51608/26867818_2023_2_53.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИБРОБЕТОНА С АГРЕГИРОВАННЫМ ОРИЕНТИРОВАННЫМ ФИБРОВЫМ АРМИРОВАНИЕМ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК

© Авторы 2023 SPIN: 9254-3688 AuthorlD: 649312

МАИЛЯН Левон Рафаэлович

академик РААСН, Заслуженный строитель РФ, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры автомобильных дорог Российская академия архитектуры и строительных наук; Донской государственный технический университет (Россия, Ростов-на-Дону, e-mail: lrm@aaanet.ru)

SPIN: 4958-7342 AuthorID: 1188238

ШИЛОВ Пётр Андреевич

аспирант кафедры автомобильные дороги

Донской государственный технический университет

(Россия, Ростов-на-Дону, e-mail: shilov.petr98@gmail.com)

Original article

THE TECHNOLOGY OF MAKING FIBER CONCRETE WITH AGGREGATED ORIENTED FIBER REINFORCEMENT

AND THE ANALYSIS OF ITS CHARACTERISTICS

© The Author(s) 2023 MAILYAN Levon Rafaelovich

Academician of RAACS, Honored Builder of the Russian Federation, Dr. of Technical,

Prof., Prof. of the Department of Roads

Russian Academy of Architecture and Construction Sciences;

Don State Technical University

(Russia, Rostov-on-Don, e-mail: lrm@aaanet.ru)

SHILOV Petr Andreevich

PhD Candidate

Don State Technical University

(Russia, Rostov-on-Don, e-mail: shilov.petr98@gmail.com)

Abstract. Statement of the problem. The pace of development of modern construction creates the need to develop new technologies that make it possible to give classic building materials special properties, allowing them to expand the range of their application. The developed technology of mechanical distribution and orientation along the tensile stresses acting in the structure of fiber fibers in the body of linear fiber-reinforced concrete and fiber-reinforced concrete elements can provide more efficient use of fiber dispersed reinforcement by including more fibers in the work of the section. It is necessary to conduct experimental studies to study the strength and deformation properties of fiber-reinforced concrete according to the technology of laying fiber-reinforced concrete mixture developed by the authors.

Results. The results of experimental studies of the strength and deformation characteristics of fiber-reinforced concrete, manufactured using the mechanical technology for creating aggregated oriented fiber reinforcement, are presented. Conclusions. The presented results of experimental studies made it possible to work out the features of the technology for creating fiber-reinforced concrete with aggregated oriented fiber reinforcement proposed by the authors and to obtain a material with improved technical and economic indicators.

Keywords: concrete; reinforced concrete; fiber-reinforced concrete; prestressed structures; use of materials in structures and calculations; building materials

For citation: Mailyan L.R., Shilov P.A. The technology of making fiber concrete with aggregated oriented fiber reinforcement and the analysis of its characteristics // Expert: theory and practice. 2023. № 2 (21). Pp. 53-59. (InRuss.). doi:10.51608/26867818_2023_2_53.

Введение

В строительной практике на данный момент наблюдается значительный рост монолитного домостроения и достаточно остро стоит вопрос о создании альтернативной, более простой технологии, способной заменить преднапряжение высокопрочной арматуры, особенно в случаях перекрытия больших пролетов при невозможности увеличения высоты сечения элемента или, когда степень необходимого преднапряжения не высока.

В качестве альтернативных методов повышения трещиностойкости железобетонных конструкций, стоит выделить фибровое дисперсное армирование, технология которого проста и легко реализуется в условиях строительной площадки. При этом, фибровое армирование теоретически способно заменить предварительное напряжение растянутой арматуры только до определенной его степени, в случаях, когда, компенсируемый преднапряжением момент образования трещин, будет сравним с эф-

фектом от увеличения прочности фибробетона на растяжение.

На практике, замена фибровым армированием преднапряжения арматуры, в настоящий момент, не реализуема прежде всего из-за ряда недостатков технологии, среди которых стоит выделить неравномерность распределения фибр по объёму бетонной смеси и хаотичность её расположения, что не позволяет получить максимально возможные приросты прочности при сжатии и растяжении [1].

Очевидно, что создание простой механической технологии равномерного распределения (агрегирования) и ориентированного (вдоль действующих в конструкции напряжений) расположения фибр в бетонах с использованием крупного заполнителя позволит получить материал и конструкции из него с повышенными технико-экономическими показателями, позволив отказаться от частичного использования линейной арматуры в сжатой зоне и стать альтернативой преднапря-жению рабочей арматуры растянутой зоны.

Существующие на данный момент технологии, позволяющие получить частично ориентированное расположение фибровых волокон в бетонной матрице, в основном, направлены на ориентирование волокон в заданном направлении уже после перемешивания их с бетонной смесью [5-6]. Однако, после перемешивания фибры с бетоном, полученная фибробетонная смесь имеет повышенную жесткость, а фибровые волокна распределены в ней хаотично и неравномерно, вплоть до образования комков из фибровых волокон, что сильно усложняет процесс укладки такой смеси в опалубку и препятствует получению однородного состава [2]. После этого произвести процесс создания ориентированного направления фибровых волокон затруднительно даже с использованием магнитного поля. Добавим также, что в представленных на данный момент технологиях создания направленного ориентирования фибровых волокон в теле фибробетонного элемента одним из условий является отсутствие крупного заполнителя, что неприемлимо применительно к реальным строительным конструкциям.

Разработанная авторами и изложенная в работах [3-4] технология укладки фибробетонной смеси позволит не только улучшить механические свойства фибробетонной смеси, но и приведет к более равномерному распределению волокон в теле фибробетонного элемента, позволяя получить более однородные фибробетоны с гарантированными проектными свойствами. Также, укладка фибробе-

тонной смеси по разработанной авторами механической технологии позволит создать агрегированное ориентированное фибровое армирование, позволяющее обеспечить наиболее полное включение в работу сечения каждого фибрового волокна за счет его ориентирования вдоль действующих в элементе растягивающих напряжений. Однако для практической апробации и оптимизации предложенной авторами технологии необходимо провести экспериментальные исследования, предполагающие получение новых данных о физико-механических свойствах фиб-робетонов с агрегированным ориентированным расположением армирующих волокон, изготовленных по новой, предложенной авторами, технологии укладки фибробетонной смеси.

1. Программа экспериментальных

исследований

Для проверки эффективности предлагаемой технологии и исследования свойств и диаграмм фиб-робетона с ориентированным агрегированным расположением волокон была разработана программа экспериментальных исследований, предусматривающая изготовление 36 опытных образцов для последующих испытаний на осевое сжатие, осевое растяжение и растяжение при изгибе (Рис. 1).

В представленной авторами программе экспериментальных исследований рассматривается влияние наличия фибрового дисперсного армирования, используемой технологии укладки фибробетон-

Рис. 1. Программа экспериментальных исследований бетонных и фибробетонных опытных образцов с произвольным распределением и расположением волокон и с агрегированным ориентированным расположением фибр

ной смеси, конструкции ориентирующего элемента установки для укладки фибробетонной смеси, вида напряженно-деформированного состояния и типа образцов.

Для получения данных о прочности на осевое сжатие предполагается изготовить 12 призм 10х10х100 для испытания на осевое сжатие, 12 призм 10х10х100 для испытания на растяжение при изгибе и 12 образцов-восьмерок для испытания на осевое растяжение. При этом, полученные данные будут контролироваться с помощью эталонных образцов, а также, с помощью метода прямого сопоставления будет определяться непосредственное влияние каждого из варьируемых факторов.

Опытные образцы будут разделены на 3 партии по 12 образцов, в зависимости от вида испытания. 3 образца из каждой партии являются эталонными и не будут содержать фибрового дисперсного армирования. Это необходимо для получения данных о фактической прочности бетона, используемого в экспериментах. Для оценки влияния предложенной авторами технологии укладки фибробетонной смеси на физико-механические свойства фибробе-тона, оставшиеся 9 образцов будут разделены на 2 части. 3 образца будут содержать фибровое дисперсное армирование с произвольным расположением армирующих волокон, а в остальных 6 с помощью предложенной авторами механической технологии будет создано агрегированное ориентированное расположение фибровых волокон. Эти образцы также будут делиться на 2 группы по 3 образца, в зависимости от типа конструкции выравнивающего элемента установки для укладки фибробетонной смеси.

Предложенная программа исследований позволит путем прямого сопоставления достаточно подробно оценить влияние каждого варьируемого фактора на прочностные и деформативные свойства используемых в экспериментах фибробетонов.

2. Изготовление опытных образцов

Для реализации разработанной авторами программы исследований было изготовлено 36 опытных образцов из тяжелого бетона проектного класса В25. Изготовление опытных образцов осуществлялось с помощью разработанной авторами мобильной установки, представленной на рис 2, 3.

В качестве минеральных компонентов бетонной смеси использовались: портландцемент завода ОАО «Новоросцемент» марки ПЦ 500-Д20 по ГОСТ 10178-85; щебень фракции 10 мм, прочностью 140 МПа, Бесланского карьера, с содержанием пылева-тых и глинистых частиц 0,3-0,8%; песок кварцевый речной с модулем крупности 1,6-1,8, насыпной плотностью 1510 кг/м3. Для увеличения подвижности бетонной смеси и улучшения сцепления с фиброй была

использована добавка «Оптимист Суперпластификатор С409». Состав бетонной смеси был одинаковым для всех опытных образцов, подбирался расчетно-экспериментальным методом и приведен в Табл. 1. В смесь для фибробетонных образцов добавлялось фибровое армирование в кол-ве 2% от объема бетона.

ri

t

Рис. 2. Схема мобильной установки для бетонирования линейных элементов с агрегированным ориентированным фибровым армированием:

1 - стальная рама установки; 2 - пружинное шасси; 3 - опалубка бетонируемого элемента; 4 - арматурный каркас бетонируемого элемента; 5 - бункер подачи фибробетонной смеси; 6 - вибрирующий элемент; 7 - гребенка с рядами зубцов; 8 - первый слой фибробетонной смеси

а)

Рис. 3. Общий вид лабораторной мобильной установки (а) и выравнивающей гребенки (б)

Таблица 1 - Состав тяжелого бетона проектного класса В25 естественного твердения

Бетон Расход материалов на 1м3 бетона, кг

класса Ц П Щ В Пластификатор

В25 459 657 1066 185 8,5

В качестве фибрового дисперсного армирования была принята анкерная фибра ФСВ-А-1,0/50, выпускаемая ЗАО «Танис» по ТУ РБ 400518274.0042009, из рессорно-пружинной стали 70-85 с временным сопротивлением разрыву 2200 МПа, с латунным антикоррозионным покрытием. Номинальный диаметр волокон составил 1,0 мм, длина фибры - 50 мм.

Бетонная и фибробетонная смесь изготавливалась одним замесом для всех опытных образцов, в бетоносмесителе принудительного действия.

Уплотнение смеси для бетонных и фибробе-тонных образцов с хаотичным расположением волокон осуществлялось на вибростоле, а смеси для образцов с ориентированным агрегированным армированием - с помощью разработанной авторами мобильной установки. Схема установки для укладки фибробетонной смеси приведена в статьях, изданных ранее [3,4].

Разопалубка опытных образцов производилась на 7 сутки. Образцы хранились при влажности воздуха 89% и температуре от 20 до 23°С.

3. Результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативных свойств фибробетонов с ориентированным агрегированным фибровым армированием Прочностные и деформативные характеристики бетона и сталефибробетона при осевом сжатии определялись на стандартных призмах ступенчато возрастающей нагрузкой. Деформации бетона на каждой ступени нагружения измерялись электро-тензодатчиками сопротивления и механическими деформометрами. Начальный модуль упругости определялся при 30% от разрушающей нагрузки.

Всего на осевое сжатие было испытано 12 опытных образцов-призм. Из них 3 эталонные, не содержащие фибрового дисперсного армирования, 3 фибробетонные с хаотичным расположением фибровых волокон и 6 с фибровым агрегированным ориентированным армированием, которые также были разделены на 2 группы по 3 образца, в зависимости от типа выравнивающего элемента установки для укладки фибробетонной смеси.

При проведении испытаний отмечено, что характер разрушения бетонных и фибробетонных призм при сжатии кардинально отличался. Для бетонных призм было характерно хрупкое, мгновенное разрушение с появлением вертикальной магистральной трещины. Фибробетонные образцы разрушались вязко, при этом даже после разрушения, части призм оставались соединёнными фибрами.

Для определения характеристик бетона и фиб-робетона на осевое растяжение было испытано 12 об-разцов-«восьмёрок» размером 100х100х700мм. Для получения дополнительных данных о влиянии типа

гребёнки на изменение прочности и определения значения коэффициента перехода от прочности при осевом растяжении к растяжению при изгибе были проведены испытания на растяжение при изгибе 12 призм 100х100х700мм по ГОСТ 10180-2012.

В каждом виде испытаний по 3 образца были изготовлены из обычного бетона и по 9 - из фибробетона. Как и при испытаниях при сжатии, в 3 фибробетонных образцах фибры располагались произвольно, а в 6 - аг-регированно и ориентированно. Последние также делились на две группы, по 3 образца в каждой, в зависимости от типа гребёнки в процессе ориентирования.

Для испытания «восьмёрок» на осевое растяжение использовались захваты, обеспечивающие соосность усилий. На каждом этапе нагружения производились замеры деформаций бетона с помощью тензодат-чиков и механических деформометров. Появление первой микротрещины в фибробетонных образцах характеризовалось резким увеличением показаний одного из тензодатчиков, по которому прошла трещина, с уменьшением показаний соседних датчиков.

При испытаниях на осевое растяжение и растяжение при изгибе, после достижения максимальной нагрузки образцы из бетона разрушались практически мгновенно. Разрушение фибробетонных образцов, за счёт постепенного выдёргивания фибр из бетона и восприятия растягивающих усилий фиброй в трещине, проходило не так резко - после разрушения фибробетонные образцы какое-то время продолжали воспринимать нагрузку, а её снижение происходило с плавным нарастанием деформаций.

Таблица 2 - Результаты испытаний бетона и фибробетона на сжатие

Серия Материал Опытные значения прочности, МПа Средние отклонения Rfb от Rb, % Начальный модуль упругости, МПа-10-3 Отклонения Ef, от Eb % Класс бетона прочности на сжатие В

1 Бетон 35,53 - 31,6 - 25

2 Фибробетон с произ-

вольным расположе- 53,39 50,27 35,8 13,3 40

нием фибр

3 Фибробетон с агрегированным ориенти-

рованным располо- 58,24 63,92 37,0 17,1 45

жением фибр гре-

бёнкой I типа [3]

4 Фибробетон с агрегированным ориенти-

рованным располо- 54,63 53,76 36,1 14,2 45

жением фибр гре-

бёнкой II типа [3]

Примечание: значения призменной прочности

приведены с учётом масштабного коэффициента а=0,95

Материал

Бетон

Фибробетон с произвольным распределением фибр

Фибробетон с агрегированным ориентированным расположением фибр гребёнкой I типа [3]

Фибробетон с агрегированным ориентированным расположением фибр гребёнкой II типа [3]

Вид силового воздействия

Осевое растяжение

ед р

О

1,53

4,10

5,57

5,15

Я ю Щ .О 0=

0=

р

и

167,9

264,0

236,6

Растяжение при изгибе

ед р

о

2,89

7,59

9,94

9,36

0=

о

0=

р

и

162,6

243,9

223,9

ф ф

0,53

0,54

0,56

0,55

0,5 1Л «

Рис. 4. Диаграммы деформирования бетона и фибробетона при сжатии:

1 - бетон; 2 - фибробетон с произвольным расположением фибр; 3 - фибробетон с усредненным ориентированным расположением фибр

Результаты проведенных экспериментов приведены в табл. 2-4.

Таблица 3 - Прочности бетона и фибробетона на осевое растяжение и растяжение при изгибе_

и> 1,5 2Л

Рис. 5. Усредненные опытные диаграммы деформирования фибробетона при осевом растяжении:

1- фибробетон с произвольным и 2- усредненные с ориентированным расположением фибр

Таблица 4 - Сравнение прочности фибробетона с произвольным и агрегированным ориентированным расположением волокон при сжатии и растяжении_

Материал

Фибробетон с произвольным распределением фибр

Фибробетон с агрегированным ориентированным расположением фибр гребёнкой I типа [3]

Фибробетон с агрегированным ориентированным расположением фибр гребёнкой II типа [3]

Вид силового воздействия

Осевое сжатие

О

53,39

58,24

54,63

д е

оса

§

о S иь

5 §

ев рз и _

р

о т

о р

я -риф

9,1

2,3

Осевое растяжение

О

4,10

5,57

5,15

Я .о Ш

л

0=

д е

д е

■

35,8

25,6

Примечание: значения прочности на растяжение приведены с учётом масштабных коэффициентов в=0,92 и 5=0,92

Примечание: значения прочности на растяжение приведены с учётом масштабных коэффициентов в=0,92 и 5=0,92

Выводы

Анализируя результаты проведенных экспериментов, можно сделать следующие выводы:

- предложенная механическая технология агрегирования и ориентирования фибр в теле бетонной матрицы, помимо улучшения механических свойств, позволяет получать более однородные фиб-робетоны;

- проведенные экспериментальные исследования позволили выбрать конструкцию выравниваю-

1

2

3

1

2

3

4

щих элементов - максимальные показатели прироста прочности при сжатии и растяжении были получены при использовании гребёнки I типа с двумя рядами ножей [3];

- агрегирование и ориентирование фибр увеличивает по сравнению с бетоном без фибр прочность фибробетона на сжатие на 63,92%, на растяжение - на 264%, начальный модуль упругости - на 17,1% , в то время как произвольная распределение и ориентация фибр - лишь на 53,39, 167,9 и 13,3 % соответственно;

- наибольший эффект при ориентировании и агрегировании фибр вдоль действующих в бетоне напряжений отмечен при осевом растяжении -прочность выросла на 35,8% по сравнению с фиб-робетоном с произвольным расположением фибр и на 264% по сравнению с бетоном без фибр.

Библиографический список

1. Маилян, Л. Р. Расчет прочности изгибаемых фибробетонных элементов с высокопрочной арматурой / Р.Л. Маилян, Л.Р. Маилян, А.В. Шилов // Известия вузов. Строительство и архитектура. - 1997. - № 4. - С. 4-7.

2. Маилян, Л. Р. Изгибаемые элементы из керам-зитофибробетона с высокопрочной арматурой без предва-

рительного напряжения и при частичном / Р.Л. Маилян, Л.Р. Маилян, А.В. Шилов, М.Т. Абдаллах // Известия вузов. Строительство. - 1995. № 12. - С. 19-23.

3. Маилян, Л. Р. Механическая технология создания направленной ориентации фибр в линейных фибробетонных и фиброжелезобетонных элементах / Л. Р. Маилян, П. А. Шилов, А. А. Шилов // Строительство и архитектура. -2022. - Т. 10, № 2. - С. 1-5. - DOI 10.29039/2308-0191-202210-2-1-5. - EDN LLFNCV.

4. Маилян, Л. Р. Механическая технология создания плитных фибробетонных и фиброжелезобетонных элементов с направленной ориентацией фибр в двух направлениях / Л. Р. Маилян, П. А. Шилов, А. А. Шилов // Строительство и архитектура. - 2022. - Т. 10, № 2. - С. 6-10. - DOI 10.29039/2308-0191-2022-10-2-6-10. - EDN ZCIRRE.

5. Матус, Е. П. Воздействие магнитного поля на структуру и свойства цементно-песчаного сталефибробе-тона : специальность 05.23.05 "Строительные материалы и изделия" : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Матус Евгений Петрович. - Новосибирск, 2000. - 141 с. - EDN QDHINR.

6. Айвазян, Э. С. Технологии создания и методы расчета фибробетонных и фиброжелезобетонных элементов с агрегированным распределением волокон: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.23.01; 05.23.08 / Э. С. Айвазян; РГСУ. - Ростов-на-Дону, 2013. - 24 с.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 09.03.2023; одобрена после рецензирования 14.04.2023; принята к публикации 15.05.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 09.03.2023; approved after reviewing 14.03.2023; accepted for publication 15.05.2023.