Области эффективного использования армирующих волокон

123 4

класс волокон

синтетические

стальные, минеральные, синтетические

рабочая

конструктивно-технологическая

рабочая

тонкостенные, включая трубчатые элементы

ударо-, износо-стойкие

пористая

ячеистый

низкомодульные

назначение дисперсной арматуры

Рис. 1.1.

ограждающие, теплоизоляционные

плотная мелко- и крупнозернистая

несущие, в т.ч. изгибаемые и густоарми-рованные

- дисперсное армирование капроновыми волокнами (d=0,02мм, l=20мм) повышает жесткость пенозолобетона (Ц:3=1:1) и его начальный модуль упругости на 15…19%;

- первые трещины, фиксируемые приборами в фиброармированных образцах, возникают при нагрузке, в 1,4…1,6 раза превышающей разрушающую для бетона без волокон, и при деформациях, на 50% превышающих его предельную растяжимость;

- магистральная трещина в фибропенозолобетоне образуется при нагрузках, которые в 1,5…2,0 раза выше нагрузок, соответствующих появлению первой трещины;

- разрушение фибробетона наступает в результате вытягивания волокон из матрицы, при этом уровень нагружения в 5…7 раз выше, чем в равноплотном исходном пенобетоне.

Одним из важнейших результатов проведенных исследований следует считать получение данных о повышении предела пропорциональности пенобетона в присутствии волокон и, соответственно, увеличении на 40…45% его растяжимости в момент микротрещинообразования. Подобная картина наблюдалась ранее и в сталефибробетоне, в том числе при ультразвуковом контролепроцесса трещинообразования образцов состава Ц:П=1:2, армированных отрезками проволоки размером dxl=0,3х30мм (рис. 1.5). Однако в данном случае, как в прочем, и в других аналогичных [140], отмеченный эффект был менее заметным, что, видимо, связано с видом применяемых волокон и матрицы, а также их количественным соотношением. Вместе с тем, был сделан вывод о незначительном влиянии дисперсного армирования на поведение композиции в упругой стадии, а обнаруженное Ромуальди явление значительного упрочнения бетонов близко расположенными отрезками тонкой проволоки [161] объяснялось соответствующим увеличением нагрузки видимой трещины. Таким образом, модифицирующее воздействие армирующих волокон на цементные бетоны осталось без внимания, что приводит к определенным противоречиям в оценке их механических характеристик.

Зависимость трещиностойкости фибробетона от вида и количества

армирующих волокон.

Рис. 1.3

Рис. 1.2

Вид армирующих волокон: 1-стальная проволока d=0,3мм, l=25мм; 2-то же d=1,0мм, l=75мм; 3-отрезки комплексных нитей СВМ l=20мм; 4-отрезки комплексных нитей капрона l=20мм.

Тем не менее, если в отношении трещиностойкости фибробетонов взгляды большинства специалистов сходятся, то вопросы их прочности требуют определенного обсуждения.

Стохастический характер структуры дисперсно-армированных бетонов затрудняет обобщение и разработку аналитических методов их расчета. Сложность проблемы определила многообразие теорий прочности фибробетона, использующих концепцию интервала Ромуальди (Павлов А.П.), статистическую теорию Вейбула (Харлаб В.Д.), критерий предельного напряжения сцепления (Соломин В.И.), методы математического моделирования (Янкелович Ф.Ц.), методы геометрических вероятностей (Романов В.П.), концепцию соответствия уровней дисперсности армирования и дефектности структуры бетонной матрицы (Рабинович Ф.Н.) и др.

Однако, несмотря на значимость отмеченных теоретических подходов для изучения свойств цементных композитов, большинство исследователей констатируют отсутствие приемлемой для практического использования теории прочности фибробетона и по-прежнему для качественного описания данного показателя применяют правило смесей, согласно которому:

R_фб=φ2τ_сц(l/d)μ+(1-μ)R_б, (1.1)

где:

R_фб –прочность фибробетона;

τ_сц –величина сцепления армирующих волокон с цементным камнем;

d и l – диаметр и длина фибр соответственно;

μ –коэффициент объемного армирования;

R_б –прочность исходного бетона;

φ –комплексный коэффициент, учитывающий эффект “фибра-фибра” взаимодействия, ориентацию волокон и вероятность пересечения ими расчетной плоскости, а также однородность и степень дефектности фибр.

Кривые деформирования пенозолобетона средней плотности

700кг/м³ при изгибе

Прогиб, мм

Рис. 1.4

Выражение (1.1) наиболее полно отражает вклад отдельных компонентов и связи между ними в общей прочности композита, но не учитывает взаимного влияния волокон и матрицы при формировании структуры фибробетона, а также участия в этом процессе технологии изготовления образцов, что приводит к определенным противоречиям между расчетными характеристиками и экспериментальными данными. Так, согласно правилу смесей зависимость “прочность-процент армирования” носит линейный характер, и это соответствует результатам многочисленных исследований, например [55, 60, 74, 106, 155], полученным при армировании бетонов высокомодульными волокнами в объеме μ=1…3%.Между тем еще в 70-е годы высказывалось предположение [158] о существовании “критического” содержания волокон, при достижении которого упрочнение бетона становится особенно эффективным. Спустя 20 лет эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение в опытах сотрудников СПбГАСУ со сталефибробетоном, армированным фрезерной фиброй (рис. 1.6.).

Другим спорным моментом является вопрос о влиянии дисперсности волокон на прочностные характеристики получаемого композита. Так, в не-которых работах [2, 23, 101, 122] отмечается существенное увеличение прочности сталефибробетона при уменьшении диаметра фибр. При этом приходят к выводу о существовании оптимального диаметра d=0,3мм, по сравнению с которым волокна диаметром d=0,5мм являются менее эффективными. В [92] наиболее рациональной считают фибру диаметром d=0,2…0,4мм. Теоретически показано [107], что при использовании стальных фибр диаметром менее 0,1мм моменты трещинообразования в конструкции и ее разрушения могут оказаться весьма близкими друг к другу, а это значит, что фибробетон утрачивает одно из своих замечательных качеств – способность к вязкому разрушению.

Скорость ультразвука, км/с

Рис. 1.5

1 –предел пропорциональности 2 –первая трещина 3 –магистральная трещина 4 -разрушение

μ=0 μ=5% мас.

Скорость ультразвука в сталефибробетоне при изгибающих

нагрузках

В то же время другие исследователи [117, 62] считают обсуждаемый фактор менее значительным, в связи с чем в качестве универсальной характеристики фибрового армирования в [62] предлагают использовать величину:

К = μ₀(l/d),

где: μ₀ –коэффициент объемного армирования;

l и d –длина и диаметр фибр.

Экспериментально установлено, что равным значениям «К» при прочих одинаковых условиях соответствуют равные значения прочности сталефибробетона независимо от абсолютной величины диаметров волокон. По мнению авторов указанных работ это является следствием увеличения коэффициента ориентации крупных фибр и улучшения условий их анкеровки в матрице. На основе полученных данных в [62, 58] рекомендуется для конструкций, предельное состояние которых лимитируется их несущей способностью, применять фибры диаметром 1,0…1,2мм, так как их стоимость гораздо ниже затрат на получение фибр из тонкой стальной проволоки [113, 136].

Таким образом, вопрос о влиянии диаметра армирующих волокон на прочность фибробетона различные исследователи трактуют далеко не однозначно.

Анализ собственных результатов испытания сталефибробетонных образцов показывает, что эффективность армирующих волокон разного диаметра может изменяться даже в довольно узком интервале объемного насыщения (рис. 1.7). Приведенные данные в определенной мере корреспондируются с результатами, полученными в работе [129] при испытании сталефибробетонных цилиндров, изготовленных из состава Ц:П=1:2 на портландцементе М300 и песке с модулем крупности Мкр.=3,24 при В/Ц=0,38 (рис. 1.8.).

Следовательно, при конструировании фибробетонов необходимо обращать внимание на соответствие параметров армирования, в том числе диаметра волокон, степени дисперсности структурных составляющих исходной матрицы. В связи с этим, концепция Рабиновича Ф.Н., изложенная в [105], представляется весьма плодотворной.

Зависимость прочности сталефибробетона от насыщения фрезерной фиброй сечением 0,28 мм² и длиной 36мм

Объемный процент армирования

Состав матрицы: Ц:П=1:1, В/Ц=0,28 1 –прочность на растяжение при изгибе 2 –прочность на сжатие.

Рис. 1.6

Уместно заметить, что дискуссия вокруг прочности фибробетона на сжатие ведется менее активно, хотя и в этом вопросе существуют определенные противоречия.

Большинство исследователей сталефибробетона считает, что вклад дисперсной арматуры в прочность композита в условиях приложения сжимающей нагрузки проявляется лишь при малых (0,2…0,3мм) диаметрах фибр, при этом наблюдаемый обычно прирост составляет 15…25%. Использование более грубых волокон неэффективно, а иногда приводит даже к падению прочности по сравнению с неармированным бетоном, что объясняется раскалыванием матрицы жесткими фибровыми включениями.

Для подтверждения или опровержения данного положения нами изготовлены и испытаны образцы размером 7х7х28см из мелкозернистого бетона, армированного стальной фиброй различного профиля и размеров (табл.1.2).

Зависимость прочности сталефибробетонных призм размером (35х70х280)мм от процента армирования

Объемный процент армирования

Состав матрицы: портландцемент М400 и песок с Мкр=2,1 в соотношении Ц:П=1:2 при В/Ц=0,4

Рис. 1.7

Зависимость прочности сталефибробетонных цилиндров

размером (15х15)см от процента армирования

Объемный процент армирования

Размеры фибр, мм: 1 –d=0,8; l=70; 2 –d=0,55; l=50; 3 –d=0,3; l=24; 4 –d=0,55; l=24; 5 –d=0,6; l=35; 6 –d=0.3; l=15.

Рис. 1.8

Таблица 1.2.

Геометрические характеристики фибр

№ п/п	Вид стальной фибры	Длина фибры, l, мм	Площадь поперечного сечения фибры F,мм²	Эквивалент-ный диаметр фибры d_э=√4F/π, мм
	Волнистая из проволоки круглого сечения (изг.ЛенЗНИИЭП)	32,0	0,068	0,30
	Фрезерная гладкая постоянного сечения (изг.: С-Пб государственный технический университет)	25,0	0,306	0,62
	То же волнистая	25,0	0,303	0,62
	Фрезерная гладкая переменного сечения –встречный клин по длине (изг.: С-Пб государственный технический университет)	25,0	0,378	0,69
	Фрезерная постоянного прямоугольного сечения –пологий винт по длине (изг.: Челябинский государственный технический университет)	32,3	0,323	0,64

Образцы матричного состава Ц:П=1:2 с В/Ц=0,28 изготавливались с применением портландцемента М400 и песка с Мкр=2,14. Приготовление бетонных и фибробетонных смесей осуществлялось в двухвальном лотковом смесителе в течение 4…5 минут при следующей очередности загрузки компонентов: песок, цемент, вода на замес с добавкой суперпластификатора С-3 в количестве 0,8% от массы цемента, фибра. Для уплотнения смесей в процессе формования образцов применялась стандартная виброплощадка с амплитудой а=0,5мм и частотой n=3000кол./мин. Время вибрирования, в зависимости от количества вводимых волокон, составляло 20…60с. После пропаривания и последующей выдержки в воздушно-сухих условиях в течение 14 суток, образцы испытывались на изгиб по 3-х точечной схеме, а полученные при этом половинки– на сжатие. Результаты испытаний представлены на рисунке 1.9.

Приведенные данные в принципе совпадают с полученными ранее другими исследователями. Очевидно, при малом насыщении рассеянные в объеме фибры являются концентраторами напряжений, нивелирующими возможный прирост прочности бетона на сжатие в результате дисперсного армирования. Однако, при достижении некоторого критического процента армирования, в дальнейшем, независимо от размера фибр, наблюдается стабильное увеличение прочности сталефибробетона по сравнению с исходной матрицей. В этой связи небезынтересно привести результат, полученный в этом направлении Коротышевским О.В., которому путем дисперсного армирования мелкозернистого бетона объемными каркасами удалось достичь значения прочности Rсж=200МПа при μ₀=18% [47]. Не менее впечатляющими являются и наши результаты определения прочности сталефибробетона при насыщении волокнами в объеме 6…10% (см.рис.1.6).

Таким образом, в необходимых случаях (при изготовлении фундаментов и станин машин, элементов прессов и другого силового оборудования) в результате дисперсного армирования может быть получен фибробетон с высокой конструктивной прочностью на сжатие в сочетании с присущими этому виду материала динамической и ударной прочностью.

Не менее эффективным, чем в сталефибробетоне, является улучшение прочностных характеристик бетонов с помощью неметаллических волокон в случаях, когда они обладают более высоким, по сравнению с матрицей модулем упругости.

Об этом свидетельствуют данные многочисленных исследований прочности цементных композитов, армированных стеклянными, базальтовыми и другими минеральными волокнами [ 40, 50, 83, 90, 160 ], а также результаты наших экспериментов, проводимых на протяжении ряда лет, в ходе которых изучены свойства плотных и ячеистых бетонов в

Эффективность армирования мелкозернистого бетона стальными фибрами при изгибе и сжатии

Рис. 1.9

в сочетании с синтетическими высоко- или низкомодульными волокнами [70, 30, 72, 69]. Сравнительные данные, представленные на рисунке 1.10, показывают, что плотный мелкозернистый бетон, содержащий в составе синтетические высокомодульные волокна (СВМ), не уступает по прочности сталефибробетону, армированному отрезками проволоки диаметром 0,3мм при относительной длине l/d=83. При этом характер нарастания прочности того и другого фибробетона по мере увеличения процентного содержания фибр практически одинаков.

При оценке изменения свойств пенозолобетона в зависимости от его средней плотности и количества дисперсной арматуры установлено, что введение низкомодульных капроновых волокон диаметром 0,02 мм и длиной 20мм во всех рассмотренных случаях приводит к повышению прочности исследуемого материала (рис. 1.11), причем зависимость механических характеристик фибробетона от величины средней плотности носит экстремальный характер. В пределах ρ_ср=500…800 кг/м³ эффективность дисперсного армирования повышается, что, по нашему мнению, является результатом увеличения толщины межпоровых перегородок и более рационального сочетания в них объемной доли волокон с количеством матричного материала. Одновременно с повышением средней плотности уменьшается разница между модулями упругости волокон и бетона. Когда отношение Е_в/Е_б становится критическим, коэффициент эффективности дисперсного армирования начинает снижаться, однако и при ρ_ср=1000кг/м³ прочность ячеистого фибробетона в 2,5…3,5 раза превышает прочность неармированного пенобетона, так как во всем исследуемом диапазоне отношение Е_в/Е_б остается больше единицы.

Таким образом, выполняется основной принцип дисперсного армирования, вытекающий из правила смесей: в независимости от вида исходного бетона его прочность возрастает пропорционально объемному содержанию волокон, если их модуль упругости выше модуля упругости матрицы. Исходя из этого считается, что низкомодульные, в том числе капроновые и другие волокнистые материалы органического происхождения, модуль упругости которых обычно не превышает 1/4 модуля тяжелых бетонов, не могут выполнят роль упрочнителя [108]. Однако это положение требует определенных оговорок в связи с нашими исследованиями, целью которых являлось изучение влияния низкомодульных синтетических волокон на прочностные характеристики мелкозернистого бетона [104].

В качестве исходных материалов для изготовления образцов размером (4х4х16)см и кубов с ребром 10см использовались портландцемент марки 400 Пикалевского завода, песок с модулем крупности 2,17, капроновые волокна диаметром 0,02мм. Состав мелкозернистого бетона характеризовался соотношением Ц:П=1:2 и водоцементным отношением В/Ц=0,35.

Приготовление фибробетонных смесей осуществлялось в двухвальном смесителе при следующей очередности загрузки компонентов: песок, цемент, волокна, вода. Общее время перемешивания составляло 3 минуты. Формование образцов производилось на стандартной лабораторной виброплощадке в течение 10с с пригрузом, равным 40 г/см². Образцы подвергались тепловой обработке в пропарочной камере при температуре изотермической выдержки 80⁰С, после чего испытывались с целью определения прочностных характеристик. Результаты испытаний представлены на рисунке 1.12, из которого следует, что прочность бетона не уменьшается при введении низкомодульных волокон, что соответствовало бы правилу смесей, а увеличивается, и ее прирост при оптимальных для данного случая параметрах армирования (μ₀=1…2%, l=20мм) достигает 15…18%. Подобный эффект при армировании цементного раствора полипропиленовыми волокнами наблюдали Мак-Чесны и Ханнант с сотрудниками, которые считают, что при использовании низкомодульных волокон могут быть получены композиты с повышенной прочностью на изгиб и вязкостью разрушения [157, 144]. Очевидно, отмеченный характер изменения свойств бетона является результатом не столько упрочняющего, сколько модифицирующего действия фибровых включений, улучшающего структуру и механические характеристики цементных матриц, что ранее оставалось незамеченным и может оказаться полезным при разработке новых видов материалов.

Отличительной особенностью фибробетонов является повышенная структурная вязкость, благодаря которой они приобретают значительную стойкость при динамических нагрузках, в том числе ударных. Высокая ударная прочность – одно из самых ярких качеств фибробетонов, обусловившее их применение в тяжелых эксплуатационных условиях, когда повышение долговечности конструкций оправдывает сравнительно высокую стоимость материала. В данном контексте считается, что одним из наиболее удачных приложений методов дисперсного армирования является область хрупких высокопористых материалов, каким является ячеистый бетон, для которого фибровое армирование целесообразно во всех случаях [80, 75].

Эффективность армирования плотного бетона стальными и

синтетическими высокомодульными волокнами

Влияние низкомодульных синтетических волокон на прочность

мелкозернистого бетона

Длина волокон, мм

Рис. 1.12

Многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых, а также данные натурных испытаний конструкций, убедительно показывают, что всегда, независимо от средней плотности матрицы и вида применяемых волокон, ударостойкость бетона в результате дисперсного армирования возрастает в несколько раз [30, 109, 26]. При этом отмечается, что степень повышения сопротивляемости ударным и другим динамическим воздействиям определенным образом зависит от геометрических характеристик используемых волокон, их количества в смеси, дисперсности минеральных компонентов в составе матрицы, а также от технологии изготовления изделий [61, 20, 44]. Одновременно установлено, что при определенном объемном насыщении тяжелого бетона дисперсной арматурой (в пределах μ=1…3%) применение низкомодульных синтетических волокон обеспечивает получение материала, не уступающего по ударостойкости сталефибробетону [73, 145, 110, 109] и при этом более экономичного. Вместе с тем, в [113] утверждается, что наиболее эффективным видом фибры, с точки зрения повышения ударостойкости бетона, являются высокомодульные волокна. Последнее отчасти подтверждается результатами наших исследований [27, 73], согласно которым введение в состав мелкозернистого бетона капроновых фибр с модулем упругости Е_в= 4650 МПа в количестве 1…2% по объему приводит к увеличению ударостойкости матричного материала в 2…5 раз, в то время как в ячеистом бетоне, по отношению к которому капроновые волокна являются высокомодульными, повышение сопротивляемости продольному удару при том же уровне армирования может достигать 10 раз.

Для составления более полного представления о влиянии параметров дисперсного армирования бетонов на их ударостойкость рамки экспериментирования были существенно расширены в части вида применяемых волокон, их физико-механических характеристик и количественного содержания в смеси.

Образцы размером 7х7х28см изготавливались из мелкозернистого бетона (Ц:П=1:2; В/Ц=0,28) с использованием портландцемента М400 Пикалевского завода, песка с Мкр=2,14 и 33%-ного раствора суперпластификатора С-3 для улучшения удобоукладываемости смесей. Для дисперсного армирования бетона применялись различные виды стальной и синтетической фибры, которая вводилась в смесь в процессе ее приготовления в двухвальном лотковом смесителе объемом по загрузке 20л. Формование образцов осуществлялось на лабораторной виброплощадке с гармоническими колебаниями. Время уплотнения, в зависимости от вида и количества волокон, составляло 20…80с. После пропаривания и последующей выдержки в воздушно-сухих условиях в течение 14 суток образцы подвергались испытанию на вертикальном копре. Для этого образец устанавливался на металлическое основание копра, сверху укладывалась металлическая пластина толщиной 10мм. Удар производился молотом массой 50кг, свободно падающим с высоты 0,3м. Ударостойкость оценивалась энергией, затраченной на образование трещин:

А^уд= (P g H n) / L_тр ,

где: P –масса молота;

g –ускорение свободного падения;

H –высота падения молота;

n –количество ударов;

L_тр –длина образовавшихся трещин (усредненное значение по всем гра- ням образца).

Результаты определения сопротивляемости фибробетонов продольному удару представлены в таблице 1.3 и на рисунке 1.13.

Таблица 1.3

Ударостойкость фибробетонов, армированных различными волокнами

N п/п

Вид фибры

Размеры волокон, мм