Напряженно-деформированное состояние сталефибробетона при сжатии с учетом разгрузки из области неупругих деформаций

Полный текст

1. Введение Дисперсно-армированный бетон представляет собой сложный композиционный материал. Для увеличения физико-механических характеристик бетонов используются различные волокна (стальные, базальтовые, стеклянные, углеродные, полипропиленовые и т.д.) [1-3]. Следует отметить, что существенный практический интерес для эффективного использования в строительной области представляет исследование свойств образцов, полученных на основе стального волокна, что отражено в [3-6]. В [6-9] установлено, что рабочий диапазон объемного содержания стального волокна в дисперсно-армированном бетоне принимается не более 2,5…3,0 %. Более высокий процент армирования не всегда является обоснованным и может привести к снижению прочности [7]. В работах зарубежных и отечественных исследователей отмечено, что добавление стальных волокон в состав бетона значительно увеличивает его прочностные показатели. Прочность сталефибробетона на сжатие повышается на 10…15 % относительно обычного бетона такого же класса при содержании стального волокна до 2,5 % [10-18]. Однако, проведя анализ существующих работ [4-21], можно отметить, что в настоящее время физико-механические характеристики сталефибробетона ещё недостаточно подкреплены экспериментальными данными, в частности, имеется недостаток исследований напряженно-деформированного состояния сталефибробетона с учетом его разгрузки из области неупругих деформаций. В статье особое внимание уделено экспериментальному исследованию сталефибробетона на сжатие с учетом разгрузки из области неупругих деформаций с рациональным содержанием фибрового волокна в пределах от 0,5 до 2 %. 2. Метод Для исследования прочностных и деформативных характеристик сталефибробетона при сжатии были проведены эксперименты, выполненные авторами в лаборатории строительных конструкций и материалов департамента строительства инженерной академии РУДН. Объектом исследования являлись образцы-кубы размером 100×100×100 мм. Для эксперимента было изготовлено 4 партии образцов с применением стального волокна анкерного типа (диаметр 0,3 мм и длина 30 мм) и 4 партии - с применением стального волокна волнового типа (диаметр 0,3 мм и длина 22 мм). Количество стального волокна в образцах увеличивалось от 0,5 до 2 % по объему. Все образцы имели одинаковый состав бетонной матрицы: Ц:П:Щ=1:1,2:1,6 при В:Ц=0,45 и расходе пластифицирующей добавки 1,5 % от массы цемента. Количество образцов-кубов в одной партии составило 6 шт. Итого было изготовлено 48 дисперсно-армированных образцов-кубов. Получение действительных диаграмм деформирования при стандартных испытаниях с применением индикаторов часового типа сопровождается рядом технических трудностей и сложностей регистрации деформаций во времени одновременно в несколько точек. Таким образом, данные, полученные при таком типе измерения, могут иметь серьезные погрешности [22-23]. В нашем случае применялась методика, согласно которой в процессе испытаний в реальном времени синхронно с нагрузкой регистрировались продольные и поперечные деформации образца. Испытание образцов производилось на испытательной установке Matest по Межгосударственному стандарту ГОСТ 10180-2012[6]. Для измерения деформаций на смежные грани контрольных образцов-кубов были наклеены по 7 тензорезисторов BX 120-5АА так, чтобы направление их базы совпадало с направлением измеряемой деформации (рис. 1). Тензорезисторы были подключены к 32-канальной тензометрической станции ZETLAB по полной мостовой схеме (рис. 2). Рис. 1. Схема расположения тензорезисторов на гранях образцов-кубов И с т о ч н и к : выполнено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Figure 1. Arrangement of strain gauges on the faces of sample cubes S o u r c e : compiled by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia Рис. 2. Подключение тензорезисторов к многоканальной тензометрической станции: 1 - тензометрическая станция Zetlab ZET 017-T32; 2 - гидравлический пресс Matest; 3 - образец-куб с тензорезисторами BX 120-5AA; 4 - персональный компьютер И с т о ч н и к : фото А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Figure 2. Connecting strain gauges to a multichannel strain gauge station: 1 - Zetlab ZET 017-T32 strain gauge station; 2 - Matest hydraulic press; 3 - sample cube with BX 120-5AA strain gauges; 4 - personal computer S o u r c e : photo by A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia Для построения диаграммы деформирования с учетом разгрузки из области неупругих деформаций и определения остаточных деформаций сталефибробетона образцы нагружались до заданного уровня напряжений, составляющих 60 % от разрушающих. После этого производилась полная разгрузка. 3. Результаты и обсуждение Характер разрушения образцов представлен на рис. 3. В ходе экспериментов были определены следующие физико-механические характеристики сталефибробетона: прочность на сжатие, начальный модуль упругости, предельная деформация и коэффициент Пуассона. Результаты испытаний приведены в табл. 1. Рис. 3. Разрушенные образцы-кубы И с т о ч н и к : фото А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Figure 3. Destroyed sample cubes S o u r c e : photo by A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia Таблица 1 Результаты испытаний по определению прочности на сжатие сталефибробетонных образцов-кубов Количество Кубиковая Призменная Предельная Начальный Тип стального прочность прочность модуль стального деформация волокна на сжатие на сжатие упругости волокна µf , % Rfb, МПа Rfb’, МПа εufbc Eb, МПа×10-3 Бетон без фибры 0 55,00 39,5 0,00200 39,00 0,5 59,65 42,37 0,00172 44,98 Фибра проволочная 1,0 62,13 43,98 0,00160 49,41 анкерная 0,3/30 1,5 64,33 45,40 0,00156 49,88 2,0 66,55 46,81 0,00154 51,71 0,5 57,75 41,13 0,00194 41,81 Фибра проволочная 1,0 59,21 42,09 0,00191 43,43 волновая 0,3/22 1,5 60,47 42,91 0,00186 45,32 2,0 62,20 44,03 0,00182 48,16 И с т о ч н и к : составлено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Table 1 The results of compression tests of steel fiber-reinforced concrete S o u r c e: made by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о том, что при увеличении дисперсного армирования прочность сталефибробетона при сжатии растет с увеличением объемного содержания стального волокна. Увеличение процента армирования до 2 % позволяет повысить прочность сталефибробетона на сжатие на 21 % при использовании анкерной фибры и на 13 % при использовании волновой. Предельная деформация образцов при сжатии уменьшается с увеличением объемного содержания стального волокна: так, при 2 % армировании предельная деформация уменьшается на 23 % для анкерной фибры и на 9 % для волновой. По полученным результатам установлено, что начальный модуль упругости сталефибробетона увеличивается на 33% при использовании анкерной фибры и на 23,5 % при применении волновой при максимальном проценте армирования в 2 %. Полученные данные согласуются с результатами работ других исследователей [5; 7; 10-18; 23]. На рис. 4 и 5 представлены осредненные диаграммы деформирования образцов из сталефибробетона с ветвями нагрузки и разгрузки, отражающими действительный характер работы материала с учетом типа армирующих волокон и процентного содержания армирующего волокна. а б в г Рис. 4. Диаграмма деформирования дисперсно-армированного бетона с ветвью нагрузки и разгрузки образцов-кубов с фиброй проволочной анкерной: а - µf = 0,5 %; б - µf = 1 %; в - µf =1,5 %; г - µf = 2 % И с т о ч н и к: выполнено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Figure 4. Diagram of deformation of fiber-reinforced concrete with a branch of loading and unloading of sample cubes with hooked end wire fiber: а - µf = 0.5 %; б - µf = 1%; в - µf =1.5 %; г- µf = 2 % S o u r c e: compiled by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia а б в г Рис. 5. Диаграмма деформирования дисперсно-армированного бетона с ветвью нагрузки и разгрузки образцов-кубов с фиброй проволочной волновой: а - µf = 0,5 %; б - µf = 1 %; в - µf =1,5 %; г - µf = 2 % И с т о ч н и к: выполнено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Figure 5. Diagram of deformation of fiber-reinforced concrete with a branch of loading and unloading of sample cubes with wave wire fiber а - µf = 0.5 %; б - µf = 1 %; в - µf =1.5 %; г - µf =2 % S o u r c e: compiled by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia На представленных выше диаграммах (см. рис. 4, 5) ветвь ОА соответствует первоначальному нагружению до нагрузки, составляющей 60 % от разрушающей (350 кН). Ветвь ОА' соответствует разгрузке образца-куба. Отрезок ОО' указывает на остаточные деформации. Ветвь О-А-O' описывает собой неполную петлю гистерезиса. Точка B, находящаяся на вершине диаграммы, соответствует разрушающей нагрузке Rfb и предельной деформации εufbc. Кривая BC характеризует ниспадающую ветвь диаграммы. Анализируя полученные диаграммы деформирования (см. рис. 4, 5), можно отметить, что вершина диаграммы смещается вверх и влево, а угол касательной к наклону кривой в начале координат увеличивается с увеличением процентного содержания волокна в составе бетона. На основании обработки полученных экспериментальных данных получена аналитическая зависимость между напряжениями и деформациями сталефибробетона при сжатии, которая аппроксимируется полиномиальной функцией четвертой степени [25]: σfb =α ε1 fb +α ε2 fb2 +α ε3 3fb +α ε4 fb4 , (1) где σfb - нормальные напряжения сжатия; εfb - продольные деформации; α1, α2 , α3 , α4 - постоянные коэффициенты, которые зависят от процентного содержания стального волокна и типа профиля. Коэффициенты α1, α2 , α3 , α4 , определяющие вид диаграммы деформирования, приведены в табл. 2. Таблица 2 Коэффициенты аппроксимирующей функции σ-ε дисперсно-армированного бетона на сжатие в зависимости от типа профиля и количества стального волокна И с т о ч н и к : составлено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Table 2 σ-ε approximation function coefficients of fiber-reinforced concrete under compression, depending on the shape and the content of steel fiber S o u r c e: made by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia Значения остаточных деформаций сталефибробетона с различным процентом содержания анкерной и волной фибры, представлены в табл. 3. Значения коэффициента Пуассона испытуемых образцов приведены в табл. 4. Таблица 3 Относительные остаточные деформации сталефибробетона на сжатие И с т о ч н и к : составлено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Table 3 Relative residual deformation of fiber-reinforced concrete under compression S o u r c e: made by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia Таблица 4 Значения коэффициента поперечной деформации (ν) на шагах нагружения σfb / Rfb 0,24 0,44 0,61 0,74 0,84 0,92 0,97 1,00 Фибра проволочная анкерная 0,3/30 0,26 0,26 0,28 0,33 0,37 0,48 0,51 0,70 Фибра проволочная волновая 0,3/22 0,24 0,24 0,26 0,29 0,34 0,45 0,62 0,68 И с т о ч н и к: составлено В.П. Агаповым, А.С. Марковичем, Д.А. Голишевской Values of the coefficient of transverse deformation (ν) at loading steps Table 4 σfb / Rfb 0.24 0.44 0.61 0.74 0.84 0.92 0.97 1.00 Hooked end wire fiber 0.3/30 0.26 0.26 0.28 0.33 0.37 0.48 0.51 0.70 Wave wire fiber 0.3/22 0.24 0.24 0.26 0.29 0.34 0.45 0.62 0.68 S o u r c e: made by V.P. Agapov, A.S. Markovich, D.A. Golishevskaia 4. Заключение 1. На основании проведенных исследований можно сделать вывод о характере сдерживания стальными волокнами продольных и поперечных деформаций бетона. Явно выражен эффект перераспределения усилий в материале, а именно: с увеличением деформаций стальные волокна снимают часть нагрузки с бетонной матрицы, тем самым повышается верхняя граница трещинообразования. 2. Проведенные опыты показали, что использование анкерной фибры в качестве дисперсного армирования бетона оказывается более эффективным, чем волновой. 3. На основании полученных действительных диаграмм деформирования образцов на сжатие предложена зависимость между напряжениями и деформациями в виде полиномиальной функции четвертой степени с постоянными коэффициентами, определяющими вид диаграммы в зависимости от типа армирующих волокон и их процентного содержания.

Об авторах

Владимир Павлович Агапов

Российский университет дружбы народов

Email: agapovpb@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1749-5797
SPIN-код: 2422-0104

доктор технических наук, профессор департамента строительства инженерной академии

Москва, Россия

Алексей Семенович Маркович

Российский университет дружбы народов; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Email: markovich-as@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-3967-2114
SPIN-код: 9203-1434

кандидат технических наук, доцент департамента строительства инженерной академии

Москва, Россия

Прашанта Дхар

Российский университет дружбы народов

Email: dkhar-p@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-7888-5350
SPIN-код: 5670-7662

кандидат технических наук, старший преподаватель департамента строительства инженерной академии

Москва, Россия

Дарья Александровна Голишевская

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: miloserdova-da@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-0835-528X
SPIN-код: 1276-6516

ассистент департамента строительства инженерной академии

Москва, Россия

Список литературы