ВЛИЯНИЕ  РАЗЛИЧНЫХ  ВОЛОКОН  НА  СВОЙСТВА  ФИБРОБЕТОНОВ

Ахмеднабиев  Расул  Магомедович

канд.  техн.  наук,  доцент,  Полтавский  национальный  технический  университет  имени  Юрия  Кондратюка,  г.  Полтава

E-mail:  arasul49@mail.ru

Калиман  Алексей  Михайлович

студент  4  курса  Полтавский  национальный  технический  университет  имени  Юрия  Кондратюка,  г.  Полтава

E-mail:  kaliman@ua.fm

Кравчук  Николай  Юрьевич

студент  4  курса  Полтавский  национальный  технический  университет  имени  Юрия  Кондратюка,  г.  Полтава

E-mail: 

EFFEKT  OF  DIFFERENT  FIBERS  ON  THE  PROPRTIES  OF  FIBER-REINFORCED  CONCRET

Akhmednabi  Rasul  Magomedovich

Ph.D.,  Poltava  National  Technical  University  named  after  Yuri  Kondratyuka

Caliman  Alexis

4th  year  student  of  Poltava  National  Technical  University  named  after  Yuri  Kondratyuk

Kravchuk  Nikolay

4th  year  student  of  Poltava  National  Technical  University  named  after  Yuri  Kondratyuk

АННОТАЦИЯ

Приведены  результаты  исследования  влияния  волокон  различного  происхождения  на  трещиностойкость  и  деформативность  фиброармированных  бетонов. 

ABSTRACT

The  results  of  the  study  of  the  effect  of  fibers  of  different  origin  on  the  fracture  toughness  and  deformability  of  fiber  reinforced  concrete.

Ключевые  слова:  волокна,  матрица,  деформативность,  модуль  упругости,  коэффициент  концентрации  напряжений,  трещиностойкость. 

Keywords:  fibers,  matrix,  deformability,  elasticity  modulus,  stress  concentration  factor,  fracture.

Проблема  фибробетонов  в  ее  современной  постановке  существует  более  3-х  десятков  лет  и  в  настоящее  время  имеет  особую  актуальность  в  связи  с  необходимостью  коренного  улучшения  качества  при  одновременном  снижении  затрат  материалов,  труда  и  снижении  энергоемкости  железобетонных  конструкций  [1].

Очевидные  преимущества  фибробетонов  (многократное  увеличение  прочности,  трещиностойкости,  износостойкости  и  т.  д.)  и  мнимая  легкость  достижения  желаемого  результата  обусловили,  в  основном,  эмпирический  характер  исследований,  что  позволило  накопить  обширные  экспериментальные  данные  для  инженерной  практики  [2].  Это  ведет  к  созданию  современных  технологий,  в  полной  мере  отвечающих  потенциалу  прогрессивности,  конкурентоспособности  и  экономичности  дисперсного  армирования,  способного  обеспечить  значительные  сдвиги  по  вопросам  повышения  эффективности  строительной  продукции.  Успешное  решение  этих  задач  не  возможно  без  теоретического  обобщения  и  дальнейшего  углубления  знаний  о  сложных  процессах,  обусловливающих  формирование  структуры  и  физико-механических  свойств  фибробетонов,  об  их  взаимосвязи  с  характеристиками  исходных  материалов,  составу  и  технологическим  процессом  получения  изделий  [2].

В  данной  работе  представлены  результаты  исследования  мелкозернистого  фибробетона  на  трещиностойкость  и  деформативность.  Мелкозернистый  бетон  изготовлен  на  основе  ПЦ  активностью  51  Мпа.  В  качестве  заполнителей  использован  щебень  фракции  3—5  мм  и  песок  с  модулем  крупности  2,63.  В  качестве  фиброарматуры  использованы  полипропиленовые  волокна  диаметрами  0,03  мм  и  0,2  мм,  а  также  стальные  волокна  диметром  0,2  мм.  Длина  волокон  всех  типов  30  мм.  Объемное  содержание  волокон  во  всех  образцах  3  %.  Испытаниям  подвергались  образцы  в  возрасте  28  суток.

Трещиностойкость  фибробетонов  оценивалась  по  коэффициенту  интенсивности  напряжений.  Для  его  вычисления  были  изготовлены  плиты  размерами  820  х  640  х  40  мм.  Во  время  изготовления  в  геометрическом  центре  плиты  была  образована  трещина  размерами  52  х  2  мм.  По  длинным  сторонам  в  плиты  были  заложены  траверсы  из  полосовой  стали  50  х  30  мм,  к  которым  с  одной  стороны  были  приварены  анкера,  а  к  другой  —  петля  для  испытаний  (рис.  1). 

Рисунок  1.  Общий  вид  плиты

Перед  началом  испытаний  на  плиту  по  вертикальной  оси  были  установлены  индикаторы  часового  типа  для  измерения  податливости  плиты  и  ширины  раскрытия  трещины  (рис.  2)

Рисунок  2.  Вид  плиты  перед  началом  испытаний

Растягивающие  усилия  на  плиту  передавались  через  шарнирное  устройство.  Таким  образом,  в  плите  создавались  только  нормальные  растягивающие  напряжения.  При  достижении  предельных  напряжений  матрицы  в  ней  образуются  микротрещины,  дальнейший  рост  которых  сдерживают  волокна  [3].

Трещина  может  двигаться,  оставляя  волокна  в  виде  связей,  соединяющих  берега  трещины.  При  увеличении  нагрузки  волокна  могут  или  разрываться,  если  l_f  >  l_к  или  вырываться  из  матрицы,  если  l_f  <lк_.  В  обоих  случаях  волокна  способствуют  повышению  трещиностойкости  композитного  материала.  Авторы  работы  [8]  приводят  схемы  распространения  трещины,  где  волокна  в  виде  связей  стягивают  берега  трещины  (рис.  3).  Очевидно,  что  при  наличии  достаточных  касательных  напряжений  на  поверхности  раздела  волокна  не  вырываются  из  матрицы,  а  деформируются  при  достижении  напряжений  текучести  (рис.  3  б). 

а)

б)

Рисунок  3.  Схемы  распространения  трещин:  а)  при  выдергивании  волокна,  б)  при  разрыве  волокна

Коэффициент  концентрации  напряжений  в  этом  случае  определяется  выражением  [8]

  (1)

Волокна,  длина  которых  меньше  критической  внесут  вклад  в  работу  разрушения  материала  только  за  счет  трения  и  передачи  напряжений  при  этом  матрице  (рис.3  а).  В  таком  случае  коэффициент  концентрации  напряжений  определяется  выражением  [8]

,  (2)

где:  К_m  —  трещиностойкость  матрицы; 

ū_с  —  критическое  смещение  перед  разрушением; 

  —  эффективный  модуль  зависит  от  модулей  матрицы  и  связи; 

σ_f  —  напряжение  текучести  волокна, 

l  —  размер  зоны  вырывание; 

τ  —  напряжение  сдвига  на  поверхности  раздела  волокно-матрица. 

Благодаря  интенсивному  развитию  механики  разрушения  разработаны  и  другие  критерии,  которые  применяются  как  характеристики  сопротивления  материала  распространению  трещины.  Например,  критическое  раскрытие  трещины  в  ее  вершине,  удельная  энергия  образования  новых  поверхностей  и  т.  д.  Существуют  определенные  зависимости,  которые  позволяют  эти  величины  пересчитать  на  K_C  [6,  7].

Отношение  высвобожденной  энергии  к  приросту  площади  трещины  G,  может  быть  также  по  аналогии  с  коэффициентом  интенсивности  напряжений  использован  как  параметр,  который  определяет  условие  разрушения. 

Отмечено,  что  G  соответствует  обобщенной  силе,  которую  называют  «сила  продвижения  трещины».  Обобщенная  сила  определяется  по  аналогии  с  обычными  силами:

G  =  P²/2  (∂c  /  ∂A),  (3)

где:  Р  —  разрушающая  нагрузка; 

с  —  податливость  образца  с  трещиной;

А  —  площадь  вновь  трещины.

В  данной  работе  коэффициент  интенсивности  напряжений  К_с  определялся  по  формуле  (3).  Скорость  нагрузки  была  в  пределах  1000  Н  /  мин  и  постоянной  на  всех  стадиях  нагрузки.

В  процессе  испытания  через  каждые  60  с  контролировались:  время  t,  нагрузка  Р,  длина  трещины  2а,  перемещения  опор,  ширина  раскрытия  трещины.

Рисунок  4.  Кривые  податливость  —  длина  трещины

По  углу  наклона  касательных  к  кривым  определялся  параметр  (∂c  /  ∂A),  а  по  формуле  (3)  вычислялся  коэффициент  Кс.  Необходимо  отметить,  что  кривые  податливости  плит  наполненных  полипропиленовыми  волокнами  разной  толщины  практически  одинаковы,  а  наполненных  металлическими  волокнами  отличается  незначительно. 

Вычисления  К_с  для  фибробетонов  и  исходного  неармированного  бетона  показали  увеличение  Кс  для  фибробетонов  в  несколько  раз.  Так,  для  неармированного  бетона  Кс  =  1993  кН/м^3/2,  а  для  фибробетонов,  наполненных  полипропиленовыми  и  стальными  волокнами  соответственно  К_C=6351  кН/м^3/2;  К_C=6578  кН/м^3/2  . 

Из  приведенных  данных  видно,  что  введение  волокон  в  бетонную  матрицу,  способствует  повышению  трещиностойкости  фибробетонов  в  три  раза.

Деформативность  фибробетонов  были  исследованы  по  методике  НИИЖБ  на  образцах-призмах  со  стороной  10  см  [4].  Зависимости  напряжения-деформации  при  испытании  на  сжатие  представлены  на  рис.5.

Рисунок  5.  Зависимости  напряжения  —  деформация  при  испытании  на  сжатие  композиций,  наполненных  разным  видом  волокон:  1  —  полипропиленовое  микроволокно:  2  —  без  волокон;  3  —  полипропиленовое  моноволокно;  4  —  стальное  волокно

Как  видно  из  графиков,  наибольшую  деформативность  имеет  фибробетон  наполненный  полипропиленовым  микроволокном,  конечная  деформативность  которого  на  105  %  больше  чем  неармированного  бетона,  а  призменная  прочность  этого  композита  ниже,  чем  неармированного  бетона  на  32,5  %.  Композиты,  наполненные  полипропиленовым  моноволокном,  имеют  деформативность  меньшую,  чем  неармированный  бетон  всего  на  23,5  %  при  почти  одинаковой  призменной  прочности.  Это  явление  вызывает  интерес  потому,  что  согласно  теории  композитных  материалов  компонент  с  более  эластичными  свойствами  должен  внести  долю  эластичности  в  свойства  композита  пропорционально  объемному  содержанию.  Наименьшее  деформативность  имеет  композит,  наполненный  стальными  волокнами,  деформативность  которого  меньше  неармированного  бетона  на  70  %.  Это  явление  вполне  описывается  теорией  композитных  материалов.  Однако,  призменная  прочность  его  ниже,  чем  неармированного  бетона,  что  вызывает  необходимость  продолжения  исследований.

Таким  образом,  установлено,  что  свойства  волокна,  которым  наполняется  бетон,  имеют  различные  влияния  на  свойства  композитных  материалов  с  бетонной  матрицей.

Изменение  деформаций  с  введением  волокон  различного  вида  влечет  за  собой  изменение  модуля  упругости.  Результаты  расчетов  модуля  упругости  показали  следующее:

·     Волокно  отсутствует,  Е  =  23325  МПа;

·     Полипропиленовое  моноволокно,  Е  =  23716  МПа;

·     Полипропиленовое  микроволокно,  Е  =  22632  МПа;

·     Стальное  волокно,  Е  =  90075  МПа.

Проведенными  исследованиями  установлено,  что  введение  волокон  повышает  деформативность  бетона.  Стальные  волокна  способствуют  повышению  модуля  упругости  и  снижению  деформативности  бетона. 

Трещиностойкость  фибробетона  выше,  чем  матрицы  в  2—3  раза. 

Список  литературы:

1.Кербер  М.Л.  Композиционные  материалы.  Соросовский  Образовательный  журнал.  1999,  №  5.

2.Купер  Д.,  Пигготт  М.  Разрушение  и  растрескивание  композитов.  —  В  кн.:  Механика  разрушения,  №  17.  М.,  Мир  1979,  с.  165—216.

3.Лифшиц  М.  Замедление  разрушения  волокнистых  композитов.  —  В  кн.:  Композитные  материалы,  т.  5.М.,  Мир,  1978,  с.  267—333.

4.НИИЖБ.  Методические  рекомендации  по  определению  прочностных  и  структурных  характеристик  бетонов  при  кратковременном  и  длительном  нагружении.  Р-10-76.  М.,  1976.

5.Панасюк  В.В.,  Бережницкий  Л.Т.  Oценка  трещеностойкости  цементного  бетона  по  вязкости  разрушения.  —  Бетон  и  железобетон.  —  1981.  №  2,  с.  18—19.

6.Экобори  Т.  Научные  основы  прочности  и  разрушения  материалов.  —  Киев:  Наукова  думка,  1978,  с.  78—99.

7.Romualdi  J.R.,  Mandel  J.A.  Toenail  Strength  of  Concrete.  Affected  by  Uniformly  Distributed  and  Closely  Spaced  Zengths  of  Wire  Reinforcement.  —  ACI  Journal,1964,  v.  61.  №  6.p.  657.

8.Schaschinger  J,  Schubert  J,  Stängel  T,  Schmidt  K,  Heinz  D,  Ultrahochfester  Beton  —  Bereit  für  die  Anwendung.  Schriftenreihe  Baustoffe.  Fest  —  Schrift  zum  60.  Geburtstag  von  Prof.  Dr.-ing.  Peter  Schliessl.  Heft  2.  2003.  C.  267—276.