Properties of dispersed fibers for efficient concrete reinforcement

Full Text

Введение Дисперсно-армированный бетон представляет собой композиционный материал, который в настоящее время широко используется в различных отраслях строительства. В качестве дисперсного армирования применяются различные волокна (фибры), которые равномерно рассредоточиваются в объеме бетонной матрицы. Наибольший интерес представляют композиты на основе доступных для производства минеральных матриц, дисперсно-упрочненных особыми волокнами (металлическими, стеклянными, базальтовыми, полиамидными, углеродными и т. д.). Первые сведения о дисперсно-армированном бетоне появились в начале XX в. в работах В.П. Некрасова [1-3], который описал результаты исследований по получению бетонных материалов с дисперсным армированием проволокой малого диаметра. Итогом его исследований стала монография «Новый железобетон» (1925), в которой излагаются основы теории, экспериментальные результаты и сделан вывод о перспективности применения дисперсно-армированного бетона. Данными вопросами интересовались и зарубежные ученые. Так, Гари Портер (1910) установил, что механические характеристики бетона возрастают до 8 раз при введении в его состав проволоки и гвоздей [4]. В 1914 г. был выдан патент У. Фиклину на вид бетона, получаемого путем добавления размельченных кусков железа рваной формы[34]. Затем интерес к исследованию бетона, армированного волокнами, угас до середины 1950-х гг. Известны лишь редкие факты применения такого вида бетона. Например, в 1930-х гг. для гидротехнического строительства использовался бетон, усиленный стальным волокном, как материал, стойкий к износу. Последующий период характеризовался интенсивными поисками новых видов волокон. В 1940-х гг. предпринимались попытки увеличить прочность бетона, введением в его состав джутового волокна. В 1960-х гг. в связи с увеличением использования дисперсно-армированного бетона стали проводиться широкие экспериментальные исследования [5]. Для этой цели применялось стекловолокно из обычного стекла, которое, как показали опыты, разрушается в бетоне из-за недостаточной стойкости к щелочной среде. Позже начались исследования физико-механических свойств фибробетона со стальным волокном в Риге, Ленинграде, Челябинске. Постепенно накапливался опыт применения фибробетона в несущих конструкциях, о чем свидетельствуют работы советских и зарубежных исследователей. В то время ученых интересовали вопросы, связанные с увеличением сопротивления бетона растяжению и повышению вязкости разрушения за счет использования не только стальных, но и стеклянных, углеродистых, пластмассовых и других видов волокон. Вполне успешным оказался опыт применение волокон из полипропилена и капрона. Одновременно с этим было исследовано поведение натуральных волокон (хлопка, шерсти), оказавшихся малопригодными из-за низких значений модуля упругости армирующего материала [6]. Повышение доступности материалов, применяемых для получения армирующих волокон, привело к росту практического интереса к дисперсно-армированному бетону, а строительство ответственных пространственных конструкций и сооружений, в частности тонкостенных оболочек, стимулировало повышение требований к прочностным характеристикам бетона, в особенности к его сопротивлению растяжению. За последние 10 лет существенно возрос интерес к использованию дисперсно-армированных бетонов как в России, так и в странах Европы, Азии и в США. Это связано с необходимостью получения для современного строительства бетонов с повышенными, по сравнению с обычными тяжелыми бетонами, физико-механическими характеристиками. Имеются многочисленные работы наших современников (Ф.Н. Рабинович, Ю.В. Пухаренко, Д.А. Пантелеев, И.У. Аубакирова, С.В. Клюев, А.В. Клюев, Р.В. Лесовик, Т.А. Низина и др.), посвященные вопросам, проблемам и технологии дисперсного армирования бетонов [7-14]. Виды армирующих волокон Для получения высокопрочных диспесрно-армированных бетонов должны соблюдаться следующие условия: достаточное количество одинаковых высокопрочных волокон; хорошее сцепление волокон с раствором и бетоном; равномерное распределение волокон по всему объему матрицы; химически инертная матрица по отношению к волокнам; высокий модуль упругости волокна по сравнению с матрицей; стремление к ориентированному распределению волокон в матрице [15-19]. Наиболее эффективным в конструкционном отношении является армирование бетонных конструкций стальным волокном, модуль упругости которого примерно в 6 раз превышает модуль упругости бетона. Стеклянные волокна диаметром 8-10 мкм по прочности соответствуют высокоуглеродистой холоднотянутой проволоке (1,8-2,5 ГПа), а по плотности в 3,5 раза легче. Модуль упругости стекловолокнистых материалов (70-80 ГПа) ниже, чем стали, но примерно в 3 раза превышает начальный модуль упругости бетона (30 ГПа). Данное обстоятельство обосновывает эффективность применение стеклянных волокон в качестве эффективного армирующего материала. Базальтовые волокна также обладают высокой прочностью на разрыв (1,6-3,6 ГПа), сопоставимой с прочностью высокопрочных стеклянных волокон, а их модуль упругости выше на 15-20 %, чем у волокон стекла. Синтетические волокна на основе полипропилена характеризуются повышенной деформативностью (удлинение при разрыве 10-25 %). Модуль упругости синтетических волокон E = 3,5-8,0 ГПа, что составляет не более 0,25 модуля упругости обычного бетона. В связи с этим волокна из полипропилена не могут использоваться в качестве эффективного дисперсного армирования, но могут применяться при локальных ремонтных и восстановительных работах несущих конструкций. В [20] предложено разделять волокна, используемые для дисперсного армирования бетонов, на два типа: низкомодульные и высокомодульные. Высокомодульные волокна имеют модуль упругости при растяжении выше, чем армированная ими матрица, а низкомодульные - ниже. При армировании низкомодульными волокнами в основном происходит повышение ударной вязкости бетона. Для второго типа волокон характерно увеличение прочности бетона на растяжение, повышение модуля упругости армированного бетона и его сопротивления динамическим воздействиям. Исследования [20] показали, что для увеличения физико-механических характеристик бетонов могут быть использованы также и углеродистые волокна. Такие волокна имеют повышенную стойкость к коррозии и увеличивают прочность цементного камня на растяжение и его модуль упругости. Основные физико-механические характеристики используемых для дисперсного армирования бетона волокон приведены в табл. 1 [7; 20-26]. Таблица 1 Физико-механические характеристики волокон для дисперсного армирования бетона Тип волокна Плотность, кг/м3 Прочность на растяжение, ГПа Модуль упругости, ГПа Удлинение при разрыве, % Низкомодульное волокно 1. Полипропиленовое 900 0,4-0,77 3,5-8 10-25 2. Полиэтиленовое 950 0,7 1,4-4,2 10 3. Нейлоновое 1100 0,77-0,84 4,2 16-20 4. Акриловое 1100 0,21-0,42 2,1 25-45 5. Полиэфирное 1400 0,73-0,78 8,4 11-13 6. Хлопковое 1500 0,42-0,7 4,9 3-10 Высокомодульное волокно 7. Углеродное 2000 2,0 245 1 8. Асбестовое 2600 0,91-3,1 68-70 0,6 9. Стеклянное 2600 1,05-3,85 70-80 1,5-3,5 10. Базальтовое 2600 1,6-3,6 80-110 1,4-3,6 11. Стальное 7800 0,80-3,15 200 3-4 Table 1 Physical and mechanical characteristics of fibers for dispersed concrete reinforcement Type of fibers Density, kg/m3 Tensile strength, GPa Modulus of lasticity, GPa Elongation at fracture, % Low-modulus fiber 1. Polypropylene 900 0,4-0,77 3,5-8 10-25 2. Polyethylene 950 0,7 1,4-4,2 10 3. Nylon 1100 0,77-0,84 4,2 16-20 4. Acrylic 1100 0,21-0,42 2,1 25-45 5. Polyester 1400 0,73-0,78 8,4 11-13 6. Cotton 1500 0,42-0,7 4,9 3-10 High-modulus fiber 7. Carbon 2000 2,0 245 1 8. Asbestos 2600 0,91-3,1 68-70 0,6 9. Glass 2600 1,05-3,85 70-80 1,5-3,5 10. Basalt 2600 1,6-3,6 80-110 1,4-3,6 11. Steel 7800 0,80-3,15 200 3-4 Однако не все из перечисленных волокон отвечают требованиям, которые предъявляются к материалу для дисперсного армирования. Для выбора армирующих волокон следует учитывать, прежде всего, такие критерии, как прочность, деформативность, химическая стойкость, адгезия к бетону, коэффициент линейного расширения и т. д. Наибольший практический интерес для эффективного использования в строительстве представляет рассмотрение свойств образцов, полученных на основе стального, стеклянного и базальтового волокон, а также некоторых видов волокон органического происхождения. Армирование бетонных конструкций волокнами может сочетаться с армированием обычными стальными или композитными стержнями, устанавливаемыми в наиболее напряженных частях конструкции. Волокна в бетоне могут быть распределены хаотично или ориентированы в соответствии с направлением действующих усилий. Совместная работа волокон с бетоном обеспечивается за счет сцепления по их поверхности. При фибровом армировании существенную роль играет характер расположения волокон в объеме бетонной матрицы. Обычно их размещение по сечению носит хаотичный характер. Однако в ряде случаев формование элемента оказывает влияние на расположение волокон. Так, при горизонтальном формовании элементов значительная часть волокон располагается непосредственно вдоль траектории напряжения, тогда как у вертикального отформованных элементов волокна располагаются под прямым углом к направлениям напряжений и весьма мало способствуют повышению прочности конструкции при растяжении и изгибе. Прочность сцепления между волокнами и бетонной матрицей имеет первостепенное значение для механических характеристик дисперсно-армированного бетона. При формовании необходимо тщательно осуществить уплотнение бетонной смеси с целью обеспечения надежного контакта между цементным тестом и поверхностью волокон. Особенно это важно для минеральных волокон, которые представляют собой пучки с множеством фибронитей. В этом случае целесообразно применять смеси с высокой подвижностью (осадка конуса не менее 10-15 см), чтобы цементное тесто со всех сторон обхватывало отдельные волокна. Металлические волокна имеют с бетонной матрицей физико-механическую связь, только если на их поверхности есть неровности. Для повышения прочности сцепления с бетоном стальной проволоке придают определенный профиль, искривляют продольную ось или устраивают анкерные отгибы по концам. В некоторых случаях применяют химический способ обработки поверхности проволоки, придавая ей шероховатость. Величина сцепления с бетоном обработанной проволоки до 5 раз выше, чем необработанной [7]. Химического взаимодействия между материалами стальных волокон и бетонной матрицы не наблюдается, это характерно также для многих полимерных волокон, таких как полипропилен, нейлон и др. Связь стеклянных волокон с бетонной матрицей отличается от аналогичной связи стальных волокон. Имеет место химическое взаимодействие первых с бетонной матрицей, также им присуще изменения на молекулярном уровне в процессе выдерживания бетона до достижения требуемой прочности. В бетоне стеклянные волокна обычно располагаются линзами или лентами разных размеров. Такая лента отличается неравномерной плотностью. В результате в ней кое-где остаются свободные, не заполненные цементным тестом пространства. Однако при дальнейшем твердении эти пространства заполняются кристаллическими новообразованиями (гидроокись кальция). На ранних стадиях твердения зона действительного контакта волокон с матрицей меньше геометрической площади поверхности волокон из-за дискретного характера образования структур гидросиликата кальция. Постепенно по мере гидратации цемента этот контакт возрастает. В качестве стеклянных армирующих волокон должно применяться щелочестойкое волокно, так как степень коррозии поверхности волокна в значительной степени влияет на потерю его прочности. Базальтовое волокно, как и минеральное, также вступает в реакцию с продуктами гидратации цементной матрицы, но реакция протекает весьма ограничено. Интенсивность взаимодействия базальтового волокна с цементной матрицей имеет затухающий характер. Характер взаимодействия волокон с щелочным раствором обусловлен адсорбцией труднорастворимых гидросиликатов и гидроалюминатов кальция на поверхности волокон. Эти процессы приводят к увеличению размеров имеющихся поверхностных дефектов и появлению новых. Такие дефекты существенно снижают прочность волокон. В результате с течением времени происходит постепенное уменьшение диаметра волокна, что в конечном счете приводит к значительному снижению эффекта армирования бетонных матриц этими волокнами [27]. Существует несколько методов борьбы с разрушением волокон: использование полимербетона, малощелочных вяжущих, минеральных добавок, позволяющих уменьшить агрессивное воздействие среды, изменение структуры самих волокон (подшихтовка, термическая обработка, ионообменная обработка, обработка поверхности водными растворами солей и т. д.). Наиболее распространенным методом является введение кремнеземсодежащих материалов ввиду их повышенной активности к щелочной среде гидратирующего цемента [27; 28]. Для производства бетонов, армированных волокнами, важно обеспечить их равномерное распределение в объеме раствора. Равномерное распределение по всему объему матрицы в основном зависит от отношения длины волокон к диаметру, объемного коэффициента армирования (µ), размера частиц заполнителя, количества заполнителя, технологии добавления волокон в смесь, способов перемешивания (рисунок). Параметры дисперсного армирования должны препятствовать росту наиболее опасных трещин, которые возникают на уровне микроструктуры бетонной матрицы. Сложность приготовления дисперсно-армированной смеси заключается в том, что волокна при смешивании сбиваются в комки, называемые «ежами» (рисунок). Такие «ежи» создают существенную неоднородность смеси, затрудняют дальнейшие технологические операции и вследствие неравномерного распределения дисперсной арматуры в бетоне изменяют его физико-механические характеристики. Это наблюдается при использовании практически всех видов волокон, независимо от вида применяемого вяжущего. Может возникнуть ситуация, при которой содержание волокон и степень их распределения в бетонной матрице будут крайне неоднородными, что, скорее всего, в итоге приведет к стохастическому характеру прочностных критериев конструкции. В [29] указывается, что на распределение фибровой арматуры в бетоне влияют следующие факторы: последовательность операций при перемешивании; состав бетона; процентное содержание и жесткость армирующих волокон. Комья могут представлять собой не только переплетенные между собой волокна, но и включать в себя другие компоненты бетона (песок, цемент, крупный заполнитель). Для снижения комкования следует уменьшать время перемешивания смеси при наличии в ней армирующих волокон; равномерно вводить волокна в предварительно приготовленную смесь, не допуская их скапливания, постоянно удаляя их от места ввода. По сравнению с металлическими волокнами минеральные и синтетические волокна при перемешивании имеют несколько меньшую тенденцию к комкованию, поэтому перед введением их в бетонную смесь не требуется предварительное просеивание через сито. а б Схема дисперсно-армированного бетона: а - равномерное распределение волокон по объему матрицы; б - неравномерное распределение волокон по объему матрицы (образование комков) Structure of fiber-reinforced concrete: a - uniform distribution of fibers throughout the volume of the matrix; б - uneven distribution of fibers throughout the volume of the matrix (formation of lumps) Влияние вида волокон на физико-механические характеристики армированных бетонов Дисперсное армирование бетона при рабочем уровне объемного содержания волокон приводит к более равномерному перераспределению возникающих в бетоне усилий, блокирует развитие трещин, препятствует возникновению магистральных трещин. На основе испытаний плит при воздействии на них ударной нагрузки [30] установлено, что в дисперсно-армированной плитах максимальная ширина раскрытия трещин меньше, чем в аналогичной плитах из тяжелого бетона. В дисперсно-армированной плите образуются короткие неорганизованные трещины, которые обретают очертание двойного кольца с лучами, но полностью не смыкаются. Ширина раскрытия трещин в такой плите после воздействия ударной нагрузкой достигла 0,15 мм. При аналогичном испытании железобетонной плиты образуется кольцевая трещина с лучами новых трещин. Ширина раскрытия трещины в железобетонной плите достигла 0,5 мм [30]. Характер разрушения плит приведен в табл. 2. Чтобы оценить влияние стального и базальтового волокон как наиболее эффективных для дисперсного армирования произведен анализ существующих исследований [20; 31-45]. Рабочий диапазон объемного содержания стального волокна в дисперсно-армированном бетоне рекомендуется принимать в пределах от 1,0 до 1,5 %. Более высокий процент армирования не всегда является обоснованным, так как при этом повышается трудоемкость изготовления конструкции. Объемное содержание базальтовых волокон при хаотичном армировании бетона рекомендуется принимать в пределах от 3,0 до 5,0 %. На основании экспериментальных исследований [31-45] составлены таблицы, в которых отражаются сведения об изменении прочности дисперсно-армированных бетонов по сравнению с обычными тяжелыми бетонами (табл. 3, 4). Таблица 2 Схема появления трещин при воздействии ударной нагрузкой Вид элемента Схема появления трещин Характер разрушения На начальном этапе В процессе На последнем этапе Дисперсно-армированная плита Короткие неорганизованные трещины, которые обрели очертание двойного кольца с лучами, но полностью не сомкнулись. Ширина раскрытия трещины достигла 0,15 мм Железобетонная плита Кольцевая трещина с лучами новых трещин. Ширина раскрытия трещины достигла 0,5 мм Table 2 The scheme of the appearance of cracks under impact load The type of element The scheme of the appearance of cracks The nature of the destruction At the initial stage In progress At the last stage Fiber-reinforced concrete slab Short disorderly cracks, which take on the shape of a double ring with rays, but do not completely close. The crack opening width in such a slab after impact loading reached 0.15 mm Reinforcedconcrete slab A circular crack is formed with rays of new cracks. The crack opening width in such slab reached 0.5 mm Таблица 3 Влияние стального волокна на механические свойства тяжелых бетонов Изменение прочности дисперсно-армированного бетона относительно обычного бетона при испытаниях на: изгиб (первая трещина), % растяжение при изгибе, % сжатие, % срез, % +50-60 +50-100 +10-50 +75 Table 3 Influence of steel fiber on the mechanical properties of heavy concrete Change of the strength of fiber-reinforced concrete relative to ordinary concrete when tested for: bending (first crack), % tension in bending, % compression, % shear fracture, % +50-60 +50-100 +10-50 +75 Таблица 4 Влияние базальтового волокна на механические свойства тяжелых бетонов Изменение прочности дисперсно-армированного бетона относительно обычного бетона при испытании на: растяжение (осевое), % прочность при изгибе (растяжение при изгибе), % сжатие, % срез, % +55 +30-85 +7,5-40 +25-40 Table 4 Influence of basalt fiber on the mechanical properties of heavy concrete Change of the strength of fiber-reinforced concrete relative to ordinary concrete when tested for: tension (axial), % flexural strength, % compression, % shear fracture, % +55 +30-85 +7.5-40 +25-40 Установлено, что увеличение процентного содержания стального волокна более чем на 2,5 % существенно не повышает прочность бетона на сжатие, а в отдельных случаях, напротив, снижает ее [31-45]. Увеличение процента дисперсного армирования бетона базальтовым волокном свыше 6,0 % приводит к комкованию смеси, что влечет снижение прочности в среднем на 15-20 %. Заключение Добавление дисперсных волокон в состав бетонной смеси позволяет значительно повысить прочностные и деформационные свойства бетона. Большое значение имеют материал, структура и геометрия дисперсных волокон, объемное их содержание в бетонной смеси. Установлено, что для эффективного дисперсного армирования бетонных и железобетонных конструкций наибольший интерес представляют фибры, полученные на основе стального и базальтового волокон. Перспективной областью исследования дисперсно-армированных бетонов является изучение различных комбинаций из волокон разных видов, наполнителя, разнообразных добавок для достижения наилучших прочностных показателей, трещиностойкости, усадки и т. д.

About the authors

Alexey S. Markovich

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: markovich-as@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-3967-2114

PhD in Civil Engineering, Associate Professor of the Department of Civil Engineering, Academy of Engineering

6 Miklukho-Maklya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Darya A. Miloserdova

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Author for correspondence.
Email: miloserdova-da@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-0835-528X

Assistant, PhD student of the Department of Civil Engineering, Academy of Engineering

6 Miklukho-Maklya St, Moscow, 117198, Russian Federation

References

Supplementary files