Зависимость ударостойкости фибробетона от вида волокон и расстояния между ними в объеме матрицы

Расстояние между волокнами (S), мм Рис. 1.13

1.2.2. Показатели долговечности.

Сохранность во времени достигнутого уровня свойств является важнейшим условием успешной эксплуатации любого материала.

Выше показано, что дисперсное армирование способствует снижению собственных деформаций цементных бетонов, в частности усадочных, и повышению их трещиностойкости при механических нагрузках, что само по себе является залогом долговечности фибробетонов. Однако потенциально высокие возможности фибровой арматуры могут быть реализованы лишь в случае устойчивости самих волокон в среде цементного камня и их защищенности от внешней агрессии. Таким образом, первостепенное значение для долговечности фибробетонов имеет коррозионная стойкость фибр. В то же время анализ результатов отечественных и зарубежных исследователей показывает, что далеко не все известные виды армирующих волокон обладают необходимой химической устойчивостью к материалу бетонной матрицы. Например, стеклянные волокна диаметром 0,01мм, которые по прочности соответствуют высокоуглеродистой холоднотянутой проволоке (1,8…2,5х10³ МПа) успешно используются для армирования гипсового камня, среда которого является для них инертной. Однако те же волокна подвергаются коррозии в продуктах гидратации портландцемента, поэтому прочность стеклоцемента снижается с течением времени.

Из практики известна стеклоцементная композиция: глиноземистый цемент в сочетании с обычным алюмоборосиликатным стекловолокном. Впервые такой материал был разработан в Киеве [94], а с 1968 года он выпускается за рубежом под названием “Elkalite” [110, 108].Считается, что стеклоцемент на основе глиноземистого цемента не должен снижать прочность во времени, так как его среда менее щелочная, чем у портландцемента. Однако установлено, что при длительном нахождении во влажной среде стекловолокно корродирует и в глиноземистом цементе [95, 153].

Для повышения коррозионной стойкости стекловолокнистой арматуры в ряде случаев используются специальные покрытия. Так группой киевских специалистов установлено, что эффективным материалом, защищающим стеклянные волокна от агрессивных воздействий среды твердеющего портландцементного камня, является полифенилсилоксановый лак [95]. Известны также работы по изысканию щелочестойких покрытий, проводимые Центральным проектно-исследовательским институтом строительных изоляционных материалов в г.Катовице (Польша). Однако наряду с положительными результатами исследований отмечается, что существенным недостатком предлагаемых составов является их высокая стоимость и сложная технология изготовления [154]. Не выяснен до конца и рациональный способ нанесения защитного вещества на стеклянные волокна. Работы в этом аспекте американских ученых [74] показали, что при твердении цементных растворов, армированных стекловолокнистыми материалами с частично отвержденными покрытиями на основе эпоксидных и фенолоформальдегидных смол, наблюдается миграция последних в цементный раствор, что создает прочную связь между волокном и матрицей, но ухудшает защиту арматуры от воздействия щелочей. Использование же стекловолокна с полностью отвержденным покрытием не обеспечивает надежного сцепления между составляющими композиции, в результате чего прочность материала оказывается низкой, несмотря на хорошую защиту стекловолокна от коррозии. Кроме того, нанесение щелочестойких составов не позволяет разделять пряди на элементарные волокна, что само по себе снижает эффективность фибрового армирования.

Одним из путей устранения указанных недостатков является применение волокон из щелочестойкого стекла с большим содержанием циркония. Такие волокна были разработаны в Государственном институте стекла (Россия) в 1969 году. Кроме того, в 1971 году Британской испытательной станцией совместно с фирмой “Pilkington Brothers Ltd” (Англия) запатентовано щелочестойкое стекловолокно “Cem Fil” [108]. Однако трудно судить об эффективности этих волокон, так как нет данных о длительных испытаниях материалов на их основе. К тому же, выпуск волокон подобного типа незначителен, а стоимость их довольно высока [128], в то время как вопросы стоимости и объема выпуска тех или иных волокон играют в ряде случаев решающую роль. Так, английскими исследователями проведены опыты по армированию цементного камня углеродными волокнами [139, 147], в результате чего удалось заметно повысить его прочность на растяжение и модуль упругости. Кроме того, установлено, что эти волокна не корродируют в щелочной среде. Несмотря на это, применение углеродных волокон весьма проблематично, так как стоимость их значительно превышает стоимость других известных видов дисперсной арматуры.

В отличии от стеклоцементных композиций в сталефибробетоне дисперсная арматура защищена от коррозии пассивирующим действием насыщенного раствора гидрата окиси кальция, образующегося при гидратации цемента. Таким образом, в отсутствии защитного слоя коррозионная стойкость стальных волокон определяется преимущественно трещиностойкостью и проницаемостью структуры бетонной матрицы.

Исследованиями, проведенными в 70-80-е годы в ЛИСИ, ЛенЗНИИЭПе, ЛИИЖТе, установлено, что введение в бетон фибровой арматуры приводит к увеличению однородности материала с образованием мелкой преимущественно замкнутой пористости. При этом степень улучшения структуры возрастает с уменьшением диаметра стальных фибр и увеличением их количественного содержания до предела насыщения, определяемого возможностями конкретной технологии изготовления фибробетона [32, 67, 120]. Использование же крупных фибр оказывает заметно меньшее влияние на пористость бетонной составляющей композита и, соответственно, на его коррозионную стойкость [41]. Так, в результате ускоренных коррозионных испытаний сталефибробетона в режиме периодического увлажнения и высушивания в 3%-ном растворе NaCl установлено, что при равном содержании волокон (μ₀=1,7%) прочность на растяжение при изгибе образцов, армированных фиброй диаметром 0,3мм, уменьшилась на 33% по сравнению с контрольными образцами, твердевшими в воде, в то время как в образцах на крупной фибре (d=1,6мм) снижение прочности составило 43% [43].

Морозостойкость сталефибробетона также существенно зависит от диаметра волокон, о чем свидетельствуют данные, приведенные в [130, 131]. При проведении экспериментальных исследований мелкозернистый бетон армировался отрезками стальной проволоки размером dxl=0.3x25 (мм) и 0,7х70(мм) в количестве 1…2% по объему. Испытания образцов проводились с использованием морозильной камеры “Nema”, обеспечивающей понижение температуры до -50±2⁰С. В этих условиях морозостойкость неармированного бетона составила 7 циклов, а сталефибробетона на мелкой фибре, в зависимости от процента армирования, 50…40 циклов. В то же время морозостойкость мелкозернистого бетона при введении фибр диаметром 0,7мм увеличилась лишь в 2 раза.

Учитывая вышеизложенное, авторы работ [32, 48] не рекомендуют использовать стальную фибру диаметром более 0,5мм в случаях, когда конструкции эксплуатируются в среде, агрессивной по отношению к металлу. Однако с получением новых сведений о сталефибробетоне, в частности, о его технологических возможностях, данное положение нельзя считать бесспорным. В настоящее время разработаны приемы изготовления, позволяющие получать в конструкции зоны с повышенным содержанием фибр, в том числе крупных [48, 56, 84, 57]. В этом случае логично предположить, что увеличение удельной концентрации волокон в зонах по сравнению с остальным объемом позволит улучшить структуру матрицы и повысить ее защитные свойства по отношению к дисперсной арматуре.

С целью подтверждения данного предположения в ЛенЗНИИЭПе проведены сравнительные исследования структуры сталефибробетона, полученного при использовании фибр размером dxl=0.5x50 (мм) и 1,6х160 (мм) [42]. Количество дисперсной арматуры в образцах было практически одинаковым и составляло соответственно 1,1% и 1,5% по объему. Образцы с мелкой фиброй изготавливались традиционным способом, обеспечивающим равномерное распределение армирующих элементов по объему бетона. Процесс формования образцов с крупными волокнами предусматривал их осаждение (концентрацию) в нижней зоне, которая в дальнейшем выпиливалась и подвергалась испытанию. Таким образом, при различном объемном содержании фибр в образцах достигалась практически одинаковая степень дисперсности армирования, которая характеризовалась поверхностью контакта дисперсной арматуры с бетоном, приходящейся на единицу объема материала.

где: μ, А, d, N, p, l –соответственно объемное содержание, площадь сечения, диаметр, число штук, периметр сечения, длина армирующих волокон.

Характеристика порового пространства сталефибробетона по методике Бруссера М.И. и Туркестанова Г.А. [137, 132], а также результаты принудительной карбонизации образцов в среде углекислого газа приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4.

Показатели пористости и проницаемости сталефибробетона

Из приведенных данных следует, что использование определенных технологических приемов позволяет получить в зоне повышенных концентраций крупных фибр бетонную составляющую материала с высокой степенью однородности и более мелкой пористостью. Так, значение λ, характеризующее размер пор, в зонах с осажденной арматурой в 2 раза меньше по сравнению с мелкозернистым бетоном и практически соизмеримо с аналогичным показателем бетона на мелкой фибре. Одинаковыми при сопоставлении оказываются и значения коэффициента α, характеризующего степень однородности пористости в материале. Соответственно, сталефибробетон с осажденным слоем крупных волокон имеет значительно меньшую проницаемость по сравнению не только с контрольными образцами, но и со сталефибробетоном на мелкой фибре. Таким обрезом, полученные данные позволяют сделать вывод о том, что на формирование структуры бетона и его защитные свойства влияет не столько абсолютное значение диаметра используемых волокон, сколько степень дисперсности армирования.

Определенный интерес вызывает исследование коррозионной стойкости стальной фибровой арматуры, расположенной в трещинах мелкозернистого бетона, результаты которого представлены в таблице 1.5. [43].

Таблица 1.5.

Результаты 3-х летних испытаний сталефибробетона (μ₀=1,7%) на крышной станции

Из приведенных данных видно, что независимо от размера фибр их коррозионная стойкость снижается с увеличением ширины раскрытия трещин. В пределах опробованных диаметров наибольшее снижение прочности в ходе испытаний имели сталефибробетонные образцы, армированные волокнами диаметром 0,3мм и 1,6мм. В первом случае это объясняется быстрым выводом из строя сечений фибр малого диаметра в результате коррозионных повреждений. В образцах с крупными фибрами отмечено интенсивное развитие коррозии поверхности волокон по их длине от границы трещины в глубь материала. Образование трещин в сталефибробетоне, армированном волокнами диаметром 1,6мм, сопровождается значительными объемными повреждениями структуры материала в этих зонах, что способствует интенсивному развитию коррозионных процессов в металле. Наилучший результат в данном случае получен при использовании фибр среднего диаметра.

Априори известно [109, 13, 135], что синтетические волокна также как и стальные весьма устойчивы к щелочам. Однако исчерпывающие экспериментальные данные их коррозионной стойкости в бетоне до последнего времени отсутствовали, что определенным образом сдерживало применение этих материалов в качестве дисперсной арматуры. В этой связи можно упомянуть лишь несколько работ, посвященных исследованию морозостойкости цементных бетонов на синтетической фибре. В частности, Лезовым В.Ю. путем использования метода остаточных деформаций (ГОСТ 10060) определена кинетика развития деструктивных процессов в мелкозернистом бетоне, армированном капроновыми волокнами, при попеременном замораживании и оттаивании. Установлено, что в пределах 400 циклов введение синтетической фибры в количестве 0,5…1,5% по массе способствует снижению уровня остаточных деформаций по сравнению с неармированным бетоном. Дальнейшее увеличение процента армирования приводит к повышению значений деформаций, что объясняется неоднородностью структуры бетона и является следствием ухудшения условий приготовления смеси [64].

Влияние низкомодульных синтетических волокон на морозостойкость ячеистого бетона средней плотности 700…800 кг/м³ изучалось Моргун Л.В. [69, 86]. Испытанию подвергались пенозолобетонные образцы на кислой каменноугольной золе Ижорской ТЭЦ, армированные капроновым волокном в количестве 0,3…2,7% по массе. В соответствии с ГОСТ 12852.4 морозостойкость бетона не содержащего дисперсной арматуры, составила 30 циклов попеременного замораживания и оттаивания. При введении в пенозолобетон 0,3% капроновых фибр его морозостойкость увеличилась до 42 циклов, а при 1,5%-ном содержании волокон снижения прочности на сжатие не наблюдалось даже после 100 циклов испытаний. Прочность на растяжение при изгибе в этот момент уменьшилась в фиброармированных образцах на 12%,а в бетоне без волокон почти наполовину.

В продолжение данных исследований нами проведены долговременные испытания атмосферостойкости образцов размером 4х4х16 см, изготовленных из ячеистого фибробетона неавтоклавного твердения, характеристика которого приведена в таблице 1.6.

Таблица 1.6.

Состав ячеистых бетонов, предназначенных для испытаний

Известно [28, 102], что содержание в сланцевой золе сверхнормативного (более 2%) количества CaO_своб. в трудногасящейся форме проявляет себя отрицательно в период активного твердения и последующей эксплуатации бетона, особенно неавтоклавного, вызывая неравномерность изменения объема, трещинообразование, а во многих случаях и полное разрушение изделий. Таким образом, применение в качестве кремнеземистого компонента сланцевой золы позволило существенно сократить сроки проведения исследований.

Образцы, предназначенные для испытания, изготавливались в соответствии с разработанной ранее методикой [103, 68] и выдерживались в течение 16 месяцев (с июня по сентябрь следующего года) в атмосферных условиях крышной станции. Оценка состояния образцов в процессе долговременных испытаний производилась путем определения их прочности через каждые три месяца. В эти же сроки испытывались и контрольные образцы, хранившиеся в воздушно-сухой среде. Результаты испытаний представлены на рисунке 1.14.

Полученные данные свидетельствуют об интенсивном росте прочности образцов с крышной станции в начальный период, что объясняется благоприятными условиями твердения. При этом увеличение прочности аналогичных образцов, хранившихся в воздушно-сухих условиях лаборатории, было менее заметным. С наступлением холодов (осень-зима) рост прочности фибропенозолобетона, находившегося на крышной станции, прекратился, а в пенозолобетоне наметился ее спад. Весной и следующим летом прочность ячеистого фибробетона вновь стала увеличиваться, хотя и менее интенсивно, чем в начале испытаний, а образцы из неармированного пенозолобетона полностью разрушились. К концу срока на образцах из фибропенозолобетона появились микротрещины, но их наличие не оказало существенного влияния на прочность материала.

Подобный характер изменения прочности образцов во времени отмечен и при испытании сжимающей нагрузкой.

Параллельно с этим проведен ускоренный тест по определению стойкости исследуемого материала в условиях попеременного увлажнения и высушивания. При этом, наряду с сланцезольными, испытанию подвергались пенобетонные образцы на кислой каменноугольной золе Ижорской ТЭЦ, состав которых характеризовался отношением цемент:зола=1 и водотвердым отношением В/Т=0,5. Количество капроновых волокон длиной 20мм в армированном бетоне составляло 1,0% по массе. Средняя плотность пенобетона и фибропенобетона на кислой золе составляла соответственно 800 кг/м³ и 780 кг/м³.

Исследования проводились по методике ЦНИЛ Главкиевгорстроя [65], в соответствии с которой образцы насыщались водой в течение 15 ч, затем помещались в сушильный шкаф, где при температуре 105…110ºС высушивались в течение 8 ч, после чего охлаждались на воздухе 1ч и вновь погружались в воду. Таким образом, полный цикл испытаний составлял 24ч. Через каждые 25 циклов образцы осматривались и отбирались (по 6 штук разного состава) для определения физико-механических характеристик, в том числе, остаточных деформаций. Перед каждым испытанием образцы высушивались до постоянной массы. Полученные данные приведены в таблице 1.7.

Изменение прочности ячеистых бетонов в процессе долговременных испытаний

Таблица 1.7.

Изменение прочности ячеистых бетонов в условиях попеременного увлажнения и высушивания

Примечание: сланцезольные неармированные образцы разрушились после 6…7 циклов испытаний.

Анализ представленных результатов позволяет отметить следующее:

- в отсутствии дисперсной арматуры сланцезольный пенобетон выдерживает 6…7 циклов ускоренных испытаний, после чего образцы раскалываются на 2…3 части. Очевидно, это является следствием негативного воздействия свободной окиси кальция в составе сланцевой золы, гасящейся с увеличением объема. Свидетельством этого служат высокие значения остаточных деформаций образцов, достигающие 4,8 мм/м;

- в фиброармированных сланцезольных образцах прочность при изгибе не уменьшается даже после 100 циклов попеременного увлажнения и высушивания. Видимо, в этом случае наиболее полно проявляется армирующий эффект волокон, которые, сохраняя высокое сцепление с матрицей, воспринимают возникающие растягивающие напряжения и препятствуют развитию микротрещин в бетоне. В то же время прочность на сжатие образцов понизилась на 38%, что, в принципе, тоже объяснимо, так как известно, что дисперсное армирование оказывает горазда меньшее влияние на данный показатель бетона;

- прочностные характеристики образцов на каменноугольной золе, отмеченные в ходе испытаний, существенно отличаются от аналогичных показателей сланцезольных бетонов. Так, неармированные образцы после 100 циклов ускоренных испытаний имели падение прочности при изгибе на 64%, в то время, как их прочность при сжатии практически не уменьшилась, хотя и наметилась тенденция к ее снижению. В этот момент величина остаточных деформаций в бетоне составила 2,1…2,6 мм/м. Фибропенозолобетонные образцы не имели снижения физико-механических характеристик на протяжении всего срока испытаний. Визуально, их внешний вид оставался хорошим, без видимых поверхностных трещин, что позволяет прогнозировать высокую стойкость фибропенобетона данного состава.

Результаты проведенных экспериментальных исследований дополняет оценка щелочестойкости капроновых волокон по прочности на разрыв нитей, подвергнутых кипячению в растворах NaOH и Ca(OH)₂ в течение 20 часов. Снижения прочности капроновых волокон, прошедших испытания, по сравнению с контрольными образцами нитей, не отмечено.

Таким образом, дисперсное армирование бетонов синтетическими волокнами повышает их стойкость к физическим воздействиям среды и создает предпосылки для увеличения долговечности материалов.