CC BY
6
Трещиностойкость бетона со стеклопластиковой и стальной фиброй
И.Д. Сизяков
Национальный Исследовательский Московский государственный строительный
университет
Аннотация: В качестве аналога стальным компонентам в железобетонных или сталефибробетонных конструкциях приводится объемно-дисперсное армирование из композитной фибры. В работе представлены результаты сравнительного анализа стеклопластиковой и стальной анкерной фибры, композитные волокна, состоящие из стекловолокна и эпоксидной смолы. Применялись следующие методы исследования: определение остаточной прочности при растяжении фибробетона, испытания проводились на рядовых бетонах В30. По результатам испытаний получены диаграммы напряжно-деформированного состояния при определении остаточной прочности. По выводам в работе отмечено, что прочность сцепления фибры с бетоном из стеклопластика связана с геометрическими параметрами, в том числе, с конфигурацией продольного и поперечного сечения волокна, а также отмечены высокие показатели трещиностойкости фибробетона на стеклопластиковой фибре, соразмерные стальной фибре, получены составы фибробетона со стеклопластиковой фиброй от 1,6% до 0,8% по объему, соответствующие классу по трещиностойкости от Bft3 2,5Ь до 6с.
Ключевые слова: фибра, стеклопластик, вырыв, трещиностойкость, фибробетон, композит, стеклокомпозит, сравнение, прочность, волокно.
Введение
Композитные материалы все чаще применяются в строительной сфере в качестве упрочняющих и армирующих элементов [1-3]. Объемно-дисперсное армирование бетона композитной фиброй [4,5] пока является новым направлением по сравнению с широко распространенным сталефибробетоном [6-7]. Эффективность композитной фибры зависит от сырья, формы и размера единичного изделия, а также взаимного расположения компонентов друг относительно друга. Именно за счет оптимального взаимного расположения отдельных компонентов и геометрических размеров, возможно получение композитной фибры, обеспечивающей существенное повышение физико-механических и эксплуатационных характеристик бетонов.
В работе были исследованы три вида высокомодульной стеклопластиковой фибры различных геометрических размеров, по характеристикам близкой к стальной фибре (таблица 1).
М Инженерный вестник Дона, №5 (2024) ¡\с1оп. ru/ru/magazine/arcЫve/n5y2024/9201
Материалы и методы исследования
Для испытаний были использованы три вида стеклопластиковой фибры и один вид анкерной стальной фибры в качестве контрольного. Размеры и
фотографии используемой фибры приведены на рисунке 1.
Таблица № 1
Сравнительные характеристики фибры
Материал фибры (г/см3) (МПа) Rсцеп, (МПа) Еь, (ГПа) Относительное удлинение, (%)
Стальная 7,85 800 - 3150 5-15 210 3-4
Стеклопластиковая 2,5 1269,9 8-10 31,9 4,2
Фото Размеры
в I __50
__" ^ 128 I
--- -
а)
б)
Рис. 1 Фибра, применяемая в испытаниях; а) композитная фибра прямая (Ф1); б) стальная анкерная фибра (СФ) Размеры и плотность композитной фибры, определенные для каждого вида по 5 образцам, приведены в таблице 2.
Физико-механические характеристики стеклопластиковой фибры, определенные по 5 образцам. Композитная фибра состоит из эпоксидной смолы 16,2%, стекловолоконного ровинга 73,9% и обмоточной нити 9,9%.
Таблица № 2
Размеры и плотность композитной фибры
М Инженерный вестник Дона, №5 (2024) ivdon. ru/ru/magazine/archive/n5y2024/9201
№ Тип фибры Длина, мм Диаметр, мм Длина отгиба, мм Плотность, "5 г/см
1 Ф1 52,5 1,10 - 2,41
2 СФ 50,0 0,80 6,6 7,85
В испытания использовался бетона класса B30, состоящий из цемента ЦЕМ II 42.5Н, песка с модулем крупности 2,6 и гранитным щебнем фракции
"5
10-5, а также пластификатор MasterGlenium115. Расход компонентов на 1 м в кг: Ц=330, В=180, П=850, К=1150, Пл=2,3.
Трещиностойкость фибробетона определялась по методике оценки остаточной прочности на растяжение по СП 297.1325800.2017. Для испытаний на вырыв фибры из бетона и определение остаточной прочности фибробетона на растяжение, определение кубковой прочности применялось следующее оборудование: весы GP-32K, пресс Controls 50-С8455, испытательная машина Instron 3382.
Эксперименты и обсуждение результатов
Испытание на трещиностойкость является ключевым показателем качества фибробетона [8-10]. Трещиностойкость бетонов определялась на образцах размером 100x100x400 мм с пропилом в средней части глубиной 17 мм, прочность бетона на сжатие 37,5 МПа. В работах [11,12] представлены испытания на трещиностойкость фибробетонов со стальной фиброй. Сравнение различных видов и типов фибр по данной характеристике описаны в статьях [13,14].
1 _______——^ — к 6
1 / 1 / 1 / 1 / 1 / / Ф1-1.6 СФ-1
1 / (¡1-1.2
1 / 1 / ¿г If -1 СФ-
// / / 1 ^WwJ ; !
|\ |\ 1 \ Ф1-0.8 СФ- 08 1 "" Г~ПМН,ч
1 \ 1 V 1 \ 1 V 1 1 1- -1- - -1-
1.5 2.0 2.5 Перемещение, мм
а) б)
Рис. 2 Диаграммы по результатам испытаний а) нагрузка-ширина раскрытие трещины; б) Экстремальные значения остаточной прочности бетона при
растяжении [15]
В работе были проведены сравнительные испытания по трещиностойкости сталефибробетона и фибробетона с прямой стеклопластиковой фиброй. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 3 и рисунке 2.
На основании результатов первого этапа испытаний, описанных в статье [15] установлено, что прямая стеклопластиковая фибра с навивкой (Ф1) является наиболее эффективной и по полученным характеристикам фибробетонов сопоставима со стальной.
Таблица № 3
Класс по трещиностойкости фибробетона в зависимости от концентрации
№ Маркировка Концентрация, по объему % К-БеЬ МПа МПа МПа К-йЫ2,п МПа МПа ЯйЫ,п МПа Вм
1 5,58 9,87 8,61
2 Ф1-1,6 1,6 5,31 8,67 6,92 8,3 6,3 5,0 6с
3 6,14 10,08 9,15
4 6,39 4,20 4,64
5 Ф1-1,2 1,2 8,11 6,40 4,49 5,6 3,6 2,6 3,5Ь
6 6,79 6,21 3,00
7 4,97 3,76 3,98
8 Ф1-0,8 0,8 3,99 2,95 3,58 3,6 2,7 3,3 2,5Ь
9 4,29 3,27 3,58
10 9,91 8,59 5,85
11 СФ-1,6 1,6 10,18 9,13 7,8 7,8 6,8 3,4 6,5с
12 8,29 7,3 4,6
13 7,22 6,05 4,9
14 СФ-1,2 1,2 6,48 4,72 4,27 5,8 4,1 3,7 4Ь
15 8,42 6,88 5,79
16 4,51 4,64 4,38
17 СФ-0,8 0,8 4,39 4,80 3,97 2,3 2,0 3,2 2d
18 2,80 2,57 3,49
В результате проведенных испытаний установлено, что трещиностойкость бетона со стальной и стеклопластиковой фиброй при их содержании от 0,8 до 1,6 % по объему практически идентичны.
Экономический эффект от применения стеклопластиковой фибры заключается в снижении затрат и стоимости транспортировки фибры, т.к. расход по массе стеклопластиковой фибры в бетоне в три раза ниже по сравнению со стальной фиброй. Стоимость стальной фибры составляет 130 тыс. руб. за 1 тонну, а предварительная стоимость стеклокомпозитной фибры составляет 326-372 тыс. руб. за тонну.
Заключение
По результатам исследования сделаны следующие выводы:
1. Проведены испытания по определению трещиностойкости фибробетона на стеклопластиковой фибре. Фибра Ф1 испытанная в данной
работе, показала высокий результат по экстремальным значениям остаточной прочности при растяжении на 36,3% выше, чем у анкерной фибры и на 50% выше, чему у волнистой фибры, это может быть связано с более стабильной связью с бетонной матрицей [15].
2. В сравнительном анализе стальной фибры со стеклопластиковой последняя показала немного более высокий результат по влиянию на остаточную прочность при растяжении фибробетона, так сталефибробетон при концентрации фибры 1,6%, 1,2%, 0,8% по объему Rmax равны, соответственно, 9,71 МПа, 7,55 МПа, 4,12 МПа, а бетон со стеклопластиковой фиброй имеет максимальное значение при определении остаточной прочности на растяжение при тех же концентрациях Rmax=9,88 МПа, 7,44 МПа, 4,56 МПа.
3. Применение стеклопластиковой фибры целесообразно с точки зрения экономичности при транспортировании её до бетонных заводов в силу меньшей плотности в 3 раза, чем у стальной.
Литература
1. Рабинович Ф. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Москва: ACB, 2011. 642 с.
2. Nurtdinov M., Solovyev V., Panchenko A. Influence of composite fibers on the properties of heavy concrete // MATEC Web of Conferences. EDP Sciences, 2016. Vol. 86. URL: https://doi.org/10.1051/matecconf/20168604026.
3. Фролов Н.П. Стеклопластиковая арматура и стеклопластбетонные конструкции. Москва: Стройиздат, 1980. 104 с.
4. Вавилова М.И., Кавун Н.С. Свойства и особенности армирующих стеклянных наполнителей, используемых для изготовления конструкционных стеклопластиков // Авиационные материалы и технологии. 2014. Т. 3. С. 33-37.
5. Нуртдинов М.Р., Бурьянов А.Ф., Соловьёв В.Г. Повышение эффективности применения композитной стеклопластиковой фибры в бетонах // Строительные материалы, 2017. Т. 4. С. 68-71.
6. Зайцев Д.В. Термические изменения сталефибробетонов с различными параметрами дисперсного армирования после воздействия высоких температур // Инженерный вестник Дона, 2021, №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2021/6945.
7. Маилян, Л.Р., Налимова, А.В., Маилян, А.Л., Айвазян, Э.С. Челночная технология изготовления фибробетона с агрегированный распределением фибр и его конструктивные свойства // Инженерный вестник Дона, 2011, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/714.
8. Gao D., Luo F., Yan Y., Tang J., Yang L. Experimental investigation on the flexural performance and damage process of steel fiber reinforced recycled coarse aggregate concrete // Structures. Elsevier, 2023. Vol. 51. pp. 1205-1218.
9. Shi F., Pham T., Tuladhar R., Deng Z., Yin S., Hao H. Comparative performance analysis of ground slabs and beams reinforced with macro polypropylene fibre, steel fibre, and steel mesh // Structures. Elsevier, 2023. Vol. 56 URL: doi.org/10.1016/j.istruc.2023.104920.
10. Liu J., Zang S., Yang F., Hai R., Yan Y. Fracture properties of steel fibre reinforced high-volume fly ash self-compacting concrete // Case Studies in Construction Materials. Elsevier, 2023. Vol. 18 URL: doi.org/ 10.1016/J.CSCM.2023.E02110.
11. Fu C., Ye H., Wang K., Zhu K., He C. Evolution of mechanical properties of steel fiber-reinforced rubberized concrete (FR-RC) // Compos B Eng. Elsevier, 2019. Vol. 160. pp. 158-166.
12. Gondokusumo G.S., Venkateshwaran A., Li S., Liew R. Residual flexural tensile strength of normal-weight and light-weight steel fibre-reinforced
concrete at elevated temperatures // Constr Build Mater. Elsevier, 2023. Vol. 367 URL: doi.org/ 10.1016/J.C0NBUILDMAT .2022.130221.
13. Pajak M., Ponikiewski T. Flexural behavior of self-compacting concrete reinforced with different types of steel fibers // Constr Build Mater. Elsevier, 2013. Vol. 47. pp. 397-408.
14. Bhosale A. Rasheed A., Prakash S., Raju, G. A study on the efficiency of steel vs. synthetic vs. hybrid fibers on fracture behavior of concrete in flexure using acoustic emission // Constr Build Mater. Else-vier, 2019. Vol. 199. pp. 256268.
15. Соловьев В. Г., Сизяков И. Д. Физико-механические свойства бетонов со стеклопластиковой фиброй // Строительное материаловедение: настоящее и будущее: Сборник материалов III Всероссийской научной конференции, посвящённой девяностолетию кафедры Строительного материаловедения. М: НИУ МГСУ, 2023. С. 278-283.
References
1. Rabinovich F. Kompozity na osnove dispersno-armirovannyh betonov [Composites based on disperse-reinforced concretes]. Moskva, 2011. 642 p.
2. Nurtdinov M., Solovyev V., Panchenko A. MATEC Web of Conferences. EDP Sciences, 2016. Vol. 86. URL: doi.org/10.1051/matecconf/20168604026.
3. Frolov N.P. Stekloplastikovaja armatura i stekloplastbetonnye konstrukcii [Fiberglass rebar and glass GRP concrete structures]. Moskva, 1980. 104 p.
4. Vavilova M.I., Kavun N.S. Aviacionnye materialy i tehnologii. 2014. Vol. 3. pp. 33-37.
5. Nurtdinov M.R., Bur'janov A.F., Solov'jov V.G. Stroitel'nye materialy, 2017. Vol. 4. pp. 68-71.
6. Zajcev D.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2021, №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2021/6945.
7. Mailjan, L.R., Nalimova, A.V., Mailjan, A.L., Ajvazjan, Je.S. Inzhenernyj vestnik Dona, 2011, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/714.
B. Gao D., Luo F., Yan Y., Tang J., Yang L. Structures. Elsevier, 2023. Vol. 51. pp. 1205-1218.
9. Shi F., Pham T., Tuladhar R., Deng Z., Yin S., Hao H. Structures. Elsevier, 2023. Vol. 5б. URL: doi.org/10.1016/j.istruc.2023.104920.
10. Liu J., Zang S., Yang F., Hai R., Yan Y. Case Studies in Construction Materials. Elsevier, 2023. Vol. 18. URL: doi.org/10.1016/J.CSCM.2023.E02110.
11. Fu C., Ye H., Wang K., Zhu K., He C. Compos B Eng. Elsevier, 2019. Vol. 1б0. pp. 158-1бб.
12. Gondokusumo G.S., Venkateshwaran A., Li S., Liew R. Constr Build Mater. Elsevier, 2023. Vol. 3б7. URL: doi.org/10.101 6/J.C0NBUILDMAT.2022. 130221.
13. Pajak M., Ponikiewski T. Constr Build Mater. Elsevier, 2013. Vol. 47. pp. 397-408.
14. Bhosale A. Rasheed A., Prakash S., Raju, G. Constr Build Mater. Elsevier, 2019. Vol. 199. pp. 25б-2б8.
15. Solov'ev V. G., Sizyakov I. D. Stroitel'noe materialovedenie: nastojashhee i budushhee : Sbornik materialov III Vserossijskoj nauchnoj konferencii, posvjashhjonnoj devjanostoletiju kafedry Stroitel'nogo materialovedenija (Proc. Constructions materials science: present and future). Moscow, 2023. pp. 278-283.
Дата поступления: 11.03.2024 Дата публикации: 29.04.2024
