CC BY
13
Зависимость полных диаграмм деформирования сталефибробетонов при осевом растяжении от параметров фибрового армирования
Д.Е. Капустин
Национальный исследовательский Московский государственный строительный
университет, Москва
Аннотация: В работе рассмотрено влияния вида стальной фибры и ее объемного содержания на изменение характеристик полных диаграмм деформирования сталефибробетонов (СФБ) с высокопрочной цементно-песчаной матрицей. Показано, что введение фибры придает матрице свойства пластичности, которые в большей степени зависят от вида фибры, чем от ее объемного содержания.
Ключевые слова: осевое растяжение, полная диаграмма деформирования сталефибробетона, вид фибры, процент фибрового армирования, пластичность, остаточная прочность.
Применение индустриальных методов строительства с использованием армоопалубочных блоков заводского изготовления с несъемной сталефибробетонной (СФБ) опалубкой позволяет до 50% сократить сроки возведения объектов. При этом полученные железобетонные элементы, имея внешний защитный слой из высокопрочного СФБ, обладают улучшенными характеристиками жесткости, огне- и коррозионной стойкости, а также высоким качеством лицевой поверхности [1, 2].
Выполненные нами [3] и рядом других авторов физический эксперимент [4, 5] и числовое моделирование [6] работы изгибаемого железобетонного элемента с несъемной опалубкой из СФБ показали, что благодаря большему сцеплению с бетоном (выше прочности на осевое растяжение монолитного бетона) опалубка до появления в ней магистральных трещин выполняет функции стержневого армирования [2, 7]. Соответственно для выполнения расчетов и оценки действительного напряженно-деформированного состояния описанных железобетонных элементов необходимо иметь полную диаграмму деформирования СФБ при осевом растяжении, а также иметь основы выбора оптимальных параметров фибрового армирования в
зависимости от поставленных задач.
Имеющиеся в литературе данные о результатах экспериментальных исследований влияния вида стальной фибры на механические характеристики СФБ были получены, в основном, по результатам испытания на сжатие образцов кубов и призм, или балочек на изгиб. При этом, как правило, в экспериментах одновременно проводили сравнение не более, чем двух-трех видов фибры с несколькими видами объемного содержания. Результаты испытаний на осевое растяжение СФБ представлены в малом количестве публикаций [4, 8, 9], что, по-видимому, было связано со значительной сложностью подготовки и проведения испытаний, а также обеспечения однородного напряженного состояния в образце. Также малое внимание уделяют получению по результатам испытаний полных диаграмм деформирования с учетом нисходящей ветви.
Учитывая результаты анализа литературных данных, нами была выполнена оценка влияния вида и содержания фибры на механические характеристики при осевом растяжении СФБ с одной и той же цементно-песчаной матрицей, но с различными видами фибр при различных процентах фибрового армирования. Состав матрицы для изготовления образцов представлен в таблице №1.
Таблица № 1
Состав цементно-песчаной матрицы на 1 м3, кг
цемент песок вода микрокремне зем гиперпластификато р Sika 5-800
800 1250 260 45 8
Введение в состав матрицы микрокремнезема и пластификатора позволяет снизить водоотделение цементно-песчаной смеси и увеличить ее пластичность, что важно с точки зрения технологии изготовления
конструкций из СФБ, особенно листов опалубки толщиной до 30 мм.
Для исследования было выбрано пять видов фибры из имеющихся в настоящее время на отечественном рынке и часто используемых в проведении экспериментальных работ при исследовании физико-механических свойств СФБ. Внешний вид рассмотренных разновидностей фибры представлен на рисунке 1.
Рис. 1. - Виды стальной фибры а) ФСПВ 30x0.3, б) ФСПВ 15x0.3, в) ФСПА 30x0.3, г) Нагех 32x1.2, д) ФСЛ
40x0.8
Содержание (по объему) фибры в матрице варьировало от 0,5 до 6 %. Исключение составлял только СФБ с фиброй ФСПА 30x0.3, так как при ее содержании в матрице более 1,5 % при перемешивании СФБ смеси волокна сцеплялись друг с другом, образуя "ежи". Для учета влияния ориентации фибры и размеров образца на физико-механические параметры СФБ [2] исследования проводили на образцах в форме пластин с галтелями размером 20x30x280 мм, вырезанных из реального фрагмента опалубки (рисунок 2 а). При этом первоначально из реального фрагмента СФБ опалубки с
Г)
использованием алмазных инструментов вырезали пластины. Затем с использованием алмазных коронок диаметром 30 мм выполняли отверстия с расстоянием между центрами 100 мм (рисунок 2 б). Устройство рабочей зоны производили с использованием алмазного диска малого диаметра. Общий вид образца представлен на рис. 2. в.
V
о 00 CN
\
о о
j ч
а) Ч
б)
в)
Рис. 2. - Образец для испытания на осевое растяжение: а) размеры образца б) подготовка образца в) общий вид Каждая серия образцов состояла не менее, чем из четырех образцов близнецов. Методика проведения испытаний и обработки их результатов соответствовала рекомендациям МИ 11-87 (Методические указания. Прочностные и деформационные характеристики бетонов при одноосном кратковременном статическом сжатии и растяжении. Методика выполнения измерений) и была экспериментально отработана [10].
С целью получения при растяжении полной диаграммы деформирования испытание проводили на жесткой электромеханической машине Instron 3382, обеспечивающей непрерывное перемещение захвата с постоянной скоростью. В процессе испытания непрерывно в автоматическом режиме регистрировали прилагаемые к образцу усилия и продольные деформации образца по тензорезисторам с базой измерения 100 мм, наклеенных на верхнюю и нижнюю (ориентация при бетонировании) грани образцов. Деформации записывали, используя станцию автоматической регистрации показаний National Instruments при помощи алгоритма программного
комплекса LABVIEW.
В процессе испытания использовали комбинированную систему измерения деформаций [11], при которой до образования трещин на поверхности образца контроль вели по тензорезисторам, а после образования трещин по перемещениям захватов испытательной машины. Дополнительно производили контроль деформаций по одной из граней образца с использованием оптического экстензометра Instron AVE 2663-821. Измерения производили с использованием цифровой видеокамеры и двух контрастных меток, нанесенных на образец. Контрольная программа в процессе испытания определяла центры нанесенных меток и в процессе нагружения определяла приращение расстояний. Общий вид процесса проведения испытания представлен на рисунке 3.
Рис. 3. - Испытание на осевое растяжение: а) общий вид проведения испытания, б) расположение образца в захватах
Обработка полученных данных показала хорошую сходимость результатов контроля деформаций по тензорезисторам и экстензометру до момента образования трещин. Затем тензорезистры либо переходили в
неработоспособное состояние, либо показывали неадекватные величины деформаций. Дальнейшее построение диаграммы деформирования строили по результатам анализа и сопоставления величин перемещения траверс испытательной машины и данных по экстензометру. В результате анализа полученных диаграмм установлено, что значения деформаций, определенных по перемещению траверсы (особенно на начальном участке нагружения) включало перемещения, связанные как с люфтами механизма траверсы, так и с обмятием и проскальзыванием образца в захватах. При переходе на нисходящую ветвь описанные деформации отсутствуют.
Испытания показали, что увеличение процента армирования до 6 % приводит к росту прочности на осевое растяжение в зависимости от вида фибры и процента армирования, но не более, чем на 80 %. При этом эффективность фибрового армирования зависит, в основном, от прочности сцепления волокон фибры с матрицей. Так, хотя прочность волокон фибры различалась в 3 - 4 раза (таблица №2), прочность на растяжение СФБ с различными видами фибры при одном и том же проценте армирования изменялась в пределах 5 - 8 МПа. Закономерного изменения прочности в зависимости от объема фибры не было установлено. При этом прочность на растяжение СФБ при введении всех рассмотренных видов фибры увеличивалась только до армирования 1%. При больших процентах рост прочности наблюдался только у СФБ с фиброй ФСПА 30x0.3.
По результатам были записаны полные диаграммы продольных деформаций СФБ (рисунок 4) с различными типами фибры (рисунок 2).
М Инженерный вестник Дона, №7 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n7y2021/7100
а)
к
Б
в)
1 >— т=о.5% — 0=1.0 %
матрица
8
0 7
^ 6
а 5
я
* 4
1 3
к
2 1
0
ОЛ
/ /д\
// / \ \
I// * \
Ж \ -□=1.0 % □=3.0 % матрица
У ч
г
10 20 30
деформация щ 10"5
40
50
б )
□=0,5% □=1,0 % □=1,5 % □=3,0 %
20 30
деформации 1 0"5
□=1,5 % _ □=3,0 % □=6,0 %
—.—
"71 е--*. —'—
Л 7/ \ — — матрица
/ \
/ V
/ I V
/
20 30
деформации 105
40
50
д)
10
20 30
деформации щ 10-5
40
50
0
50
0
8
7
6
5
4
3
2
0
0
Рис. 4. - Полные диаграммы продольных деформаций с^ — е1. при
растяжении матрицы и СФБ при разном содержании фибры а) ФСП-А 30x0.3, б) ФСП-В 15x0.3, в) ФСЛ 40x0.8; г) ФСП 30x0.8, д) Нагех
32x1.2
При обработке и анализе полученных данных основное внимание было уделено определению характеристик нисходящей ветви диаграммы деформирования аь — еь таких, как:
- деформация, соответствующая максимуму напряжений (пределу прочности при растяжении) - еЬатах',
и
- деформация, соответствующая концу нисходящей ветви диаграммы
£tmaJC>
- деформация, соответствующая приращениям деформаций на участке нисходящей ветви - АЕШах;
- максимальные деформации, измеренные непосредственно перед разрушением образца - £¿тах
напряжение, соответствующее концу нисходящей ветви диаграммы (остаточная прочность) - огЕшах.
Приведенные на рисунке 4 диаграммы позволяют сделать следующие выводы. Диаграммы СФБ, независимо от вида фибры и ее содержания, имеют нисходящую ветвь, тогда как у матрицы нисходящая ветвь на диаграмме отсутствует. Это говорит о том, что введение фибры в матрицу придает ей в предельном состоянии пластические свойства в результате образования микротрещин в матрице и сдерживания их стальными волокнами [12].
Пластические свойства СФБ определяют деформации нисходящей ветви диаграммы, зависящие от вида фибры. Он определяет характер сцепление волокна фибры с матрицей, т.е. осуществляется ли он по всей его длине фибры (рисунок 4 б, в, г), как в случаях волнистых фибр, изготовленных из проволоки ФСПВ 30x0.3, ФСПВ 15x0.3 (рисунок 1 а и б), и фибры, строганой из листа ФСЛ 40x0.8 (рисунок 1 д), или только за счет анкеров на концах волокна, как у фибр ФСПА 30x0.3 и Harex 32x1.2 (унок 1 б и г).
При анкерных фибрах существенное влияние на значение деформаций нисходящей ветви диаграммы, оказывает тип анкера [13]. Наибольшие деформации имеют место при анкерах такого типа, как у фибры ФСПА 30x0.3 (рисунок 1 в). При деформации образца они выпрямляются и
и
проскальзывают в бетонном канале, а в бетоне возникают микротрещины, создающие эффект пластичности [12]. В случае анкера в виде жесткого крюка, как у фибры Нагех 32x1.2 (рисунок 1 г), вокруг него образуется концентратор напряжений, приводящий к образованию трещин, которые затем соединяются с аналогичными трещинами, от крюков расположенных волокон фибры, что приводит к хрупкости, разрушающей образец.
Анализ влияния процента фибрового армирования на деформации СФБ с разными видами фибр позволяет сделать следующие выводы.
Деформации, соответствующие пределу прочности СФБ на растяжение, (рисунок 5), превышают соответствующие деформации м атрицы (15-10-5), но не более, чем на 75 %, даже при = 6 % .
50
40
* ФСП-А 0,3x30 —■—ФСП-В 0,3x15
■А— ФСЛ 0, ■«— ФСП 0, • Нагех 1 Зх40. 8х30 ,2х32
с--
.30
6 с
20
10
1 2 3 4 5 6
процент армирования по объему
0
0
7
Рис. 5. - Зависимость деформаций, соответствующих пределу прочности на осевое растяжение, от процента армирования сталефибробетонов с различными типами фибры Деформирования на участке нисходящей ветви при проценте фибрового армирования, большего 1.5 % (/1^ > 1.5), мало зависит от типа фибры и
процента армирования (рисунок 6).
процент армирования по объему
Рис. 6. - Зависимость максимальных деформаций растяжения от процента армирования СФБ с различными типами фибры
Остаточная прочность СФБ незначительна и не превышает, как правило, 2 МПа. Она мало зависит от вида фибры и процента фибрового армирования (рисунок 4).
Анализ результатов данного экспериментального исследования позволяет сделать следующие основные выводы.
Введение стальной фибры в цементно-песчаную матрицу придает ей свойства пластичности, в результате чего полные диаграммы СФБ в отличие от диаграммы матрицы имеют нисходящую ветвь.
Введение стальной фибры увеличивает деформации, соответствующие пределу прочности на растяжение, не более, чем на 75 %.
Деформации нисходящей ветви диаграммы, характеризующие пластические свойства СФБ, зависят от вида фибры. При этом имеет значение - обеспечивает ли данный вид фибры сцепление его волокна с матрицей по всей его длине за счет ее профиля волокна или за счет конструктивных особенностей анкеров на ее концах волокна.
Остаточная прочность СФБ незначительна (не превышает 2 МПа) и мало зависит от вида фибры и процента фибрового армирования.
Литература
1. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технологии, конструкции. М.: АСВ. 2011. 642 с.
2. Капустин Д.Е. Прочностные и деформационные характеристики несъемной сталефибробетонной опалубки как несущего элемента железобетонных конструкций. Канд. дисс. МГСУ. 2015. 211 с.
3. Kapustin D., Zeid Kiliani L., Krasnovskiy R. Stress-Strain Behavior (SSB) of Steel Fiber Concrete // Durability and Sustainability of Concrete Structures (DSCS-2018). 2018. SP-326. pp. 63.1-63.10
4. Lampropoulos A.P., Paschalis S.A., Tsioulou O.T., Dritsos S.E. Strengthening of reinforced concrete beams using ultra high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC) // Engineering Structures. 106. (2016). pp. 370384
5. Ferrara L., Ozyurt N., Prisco M. High mechanical performance of fibre reinforced cementitious composites: the role of ''casting-flow induced" fibre orientation // Materials and Structures 2011. 44(1). pp. 109-28
6. Ruano G., Isla F., Sfer D., Luccioni B. Numerical modeling of reinforced concrete beams repaired and strengthened with SFRC // Engineering Structures. 2015. pp. 168-181.
7. Капустин Д.Е. Сталефибробетонная опалубка в качестве несущего конструктивного элемента // Научное обозрение. 2015. № 14. С. 77-80.
8. Уткин Д.Г., Григорьев Д.В., Зайцев И.А. Определение прочностных и деформативных свойств сталефибробетона при статическом и кратковременном динамическом нагружениях // Вестник ТГАСУ 2016. № 6. С. 139-149.
9. Плевков В.С., Белов В.В., Балдин И.В., Невский А.А. Модели нелинейного деформирования углеродофибробетона при статическом и
кратковременном динамическом воздействии // Вестник гражданских инженеров. 2016. №3(56). С. 72-82.
10. Кроль И.С., Красновский Р.О. Измерение полной диаграммы деформирования методом перераспределения усилий // Измерение физико-механических свойств строительных материалов. Сборник научных трудов ВНИ ИФТРИ. М., 1986. С. 77-83.
11. Безгодов И.М., Левченко П.Ю. К вопросу о методике получения полных диаграмм деформирования бетона // Технологии бетонов. 2014. №8. С. 27-29.
12. Красновский Р.О., Почтовик Г.Я. О механизме деформирования растянутого армированного бетона // Бетон и Железобетон. 1962. № 5. C. 201-206
13. Николаева Е.К., Губарь В.Н. Прочностные свойства бетонов, дисперсно-армированных стальной фиброй // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2016.1(117). C. 89-93
References
1. Rabinovich F.N. Kompozity na osnove dispersno-armirovannyh betonov. Voprosy teorii i proektirovanija, tehnologii, konstrukcii [Composites based on dispersed reinforced concrete. Questions of theory and design, technology, construction]. M.: ASV. 2011.642 p
2. Kapustin D.E. Prochnostnye i deformacionnye harakteristiki nes#emnoj stalefibrobetonnoj opalubki kak nesushhego jelementa zhelezobetonnyh konstrukcij [Strength and deformation characteristics of non-removable steel-fiber concrete formwork as a load-bearing element of reinforced concrete structures]. Kand. diss. MGSU. 2015. 211 p.
3. Kapustin D., Zeid Kiliani L., Krasnovskiy R. Durability and Sustainability of Concrete Structures (DSCS-2018). 2018. SP-326. pp.63.1-63.10
M Инженерный вестник Дона, №7 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n7y2021/7100
4. Lampropoulos A.P., Paschalis S.A., Tsioulou O.T., Dritsos S.E. Engineering Structures. 106. 2016. Pp.370-384.
5. Ferrara L., Ozyurt N., Prisco M. Materials and Structures 2011. 44(1): Pp.109-28.
6. Ruano G., Isla F., Sfer D., Luccioni B. Engineering Structures. 2015. 86. pp.168—181.
7. Kapustin D.E. Nauchnoe obozrenie. 2015. № 14. Pp. 77-80.
8. Utkin D.G., Grigor'ev D.V., Zajcev I.A. Vestnik TGASU 2016. № 6. pp.139-149.
9. Plevkov V.S., Belov V.V., Baldin I.V., Nevskij A.A. Vestnik grazhdanskih inzhenerov. 2016. №3 (56). pp. 72-82.
10. Krol' I.S., Krasnovskij R.O. Izmerenie fiziko-mehanicheskih svojstv stroitel'nyh materialov. Sbornik nauchnyh trudov VNI IFTRI. M. 1986. pp. 77-83.
11. Bezgodov I.M., Levchenko P.Ju. Tehnologii betonov. 2014. №8. pp.27-29.
12. Krasnovskij R.O., Pochtovik G.Ja. Beton i Zhelezobeton. 1962. № 5. pp. 201-206.
13. Nikolaeva E.K., Gubar' V.N. Vestnik Donbasskoj nacional'noj akademii stroitel'stva i arhitektury. 2016. № 1(117). pp. 89-93.
