О.М. СМИРНОВА, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.), Е.В. АНДРЕЕВА, инженер Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I (190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9)
|
Свойства тяжелого бетона дисперсноармированного синтетическим микроволокномДисперсное армирование бетона фибриллированным синтетическим микроволокном позволяет компенсировать недостатки бетона – образование усадочных трещин, низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения. В результате сравнительных испытаний установлено, что введение микроволокна Фиброфор Хай Грэйд в бетон незначительно повышает предел прочности при сжатии по сравнению с контрольным составом, но значительно увеличивается предел прочности на растяжение при изгибе (до 20%). Наиболее приемлемым расходом микроволокна для исследованного бетона является 0,9 кг/м3. Ключевые слова: дисперсноармированный бетон, полипропиленовое волокно, фибриллированное микроволокно, прочностные характеристики. |
|
|
O.M. SMIRNOVA, Candidate of Sciences (Engineering) (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.), E.V. ANDREEVA, Engineer Petersburg State Transport University of Emperor Alexander I (9, Moskovsky Avenue, 190031, Saint Petersburg, Russian Federation) Свойства тяжелого бетона дисперсноармированного синтетическим микроволокномДисперсное армирование бетона фибриллированным синтетическим микроволокном позволяет компенсировать недостатки бетона – образование усадочных трещин, низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения. В результате сравнительных испытаний установлено, что введение микроволокна Фиброфор Хай Грэйд в бетон незначительно повышает предел прочности при сжатии по сравнению с контрольным составом, но значительно увеличивается предел прочности на растяжение при изгибе (до 20%). Наиболее приемлемым расходом микроволокна для исследованного бетона является 0,9 кг/м3. Keywords: дисперсноармированный бетон, полипропиленовое волокно, фибриллированное микроволокно, прочностные характеристики. |
|
| Дисперсное армирование бетона позволяет частич- но компенсировать недостатки бетона как хрупкого материала: низкие значения предела прочности при растяжении, хрупкость разрушения [1–5]. Свойства дисперсно-армированного бетона значи- тельно зависят от свойств армирующих волокон. Для повышения прочностных характеристик дисперсно-ар- мированного бетона следует определить, как влияют характеристики волокон (длина, диаметр и их расход) на свойства бетона. В области разработок дисперсно- армированных бетонов проведено много исследований, но эта тема требует дальнейшего изучения при использовании синтетических микроволокон. На эффективность дисперсного армирования ока- зывает влияние отношение модулей упругости материалов волокон и матрицы, количество волокон, химическая стойкость материала фибр по отношению к мате- риалу матрицы, геометрические характеристики фибр (длина, диаметр, рельеф поверхности), соотношение размеров армирующих волокон с размерами неодно- родностей структуры матрицы. Это делает важным во- прос выбора материала волокон и фибр. Например, полипропиленовые волокна характеризуются более низким модулем упругости и повышенной деформативностью по сравнению со стальной фиброй. Стальная фибраимеет модуль упругости в 6 раз превы- шающий модуль упругости бетона. Однако она подвержена коррозии. Синтетические волокна имеют ряд преимуществ по сравнению со стальной фиброй и могут успешно использоваться для ряда задач, например на открытых площадках и бетонных дорогах из-за отсутствия коррозии. Можно выделить следующие виды композитов, где сегодня исследуется применение полипропиленового волокна: конструкционный легкий бетон [6], теплоизоляционные растворы [7], композиты для тонких арми- рованных оболочек объемных бетонных блоков в объемно-блочном домостроении [8], тампонажные растворы [9]. В этих работах установлено положительное влияние полипропиленового волокна на прочностные характеристики легких бетонов, тампонажных растворов, сухих строительных смесей. Необходимо устано- вить количественное влияние синтетического волокна на прочностные характеристики тяжелых бетонов транспортного строительства. В литературе, посвящен- ной дисперсному армированию, этим вопросам уделено недостаточно внимания. Это определило направление исследований. Целью работы является изучение влияния синтетического микроволокна на свойства тяжело- го бетона. В работе использовано фибриллированное микро- волокно Fibrofor High Grade на основе полиолефинов со следующими характеристиками: предел прочности при растяжении 400 МПа, модуль упругости 4900 МПа, дли- на волокон 19 мм, отношение длины волокна к его диаметру более 100, содержание волокон в 1 кг – более 12 млн шт., температура плавления 150оС. Технологи- ческий процесс производства этого микроволокна предполагает направленную физическую и химическую модификацию с целью придания механической прочности самому волокну и химически реакционной активности поверхности волокна к продуктам гидратации цемента. В качестве вяжущего использован портландцемент ПЦ500 Д0 Н, суперводоредуцирующая добавка на по- ликарбоксилатной основе. Расход добавки выбран с учетом рекомендаций для получения сборного бето- на [10–13]. Фибрилляция волокна заключается в отделении от волокон фибрилл, что приводит к увеличению общей наружной поверхности волокна, прочность самих во- локон при этом не снижается (рис. 1, 2). При увеличении удельной поверхности микроволо- кон повышается их адгезия с цементным камнем. Шероховатость поверхности микроволокон и их фи- брилляция могут также способствовать повышению ад- гезии волокна с цементным камнем. |
|
 |
|
| Исследования по модифицированию синтетических волокон с целью их эффективного использования в со- ставах цементных композитов проводятся многими уче- ными. Например, вопросы повышения модуля упруго- сти, теплостойкости и гидрофильности полипропиле- нового волокна представлены в работе [15]. Таким образом, в настоящее время предлагаются технические решения по получению синтетических во- локон, направленные на повышение теплостойкости, прочности, снижения деформативности, повышения адгезии к цементной матрице. Разработаны принципи- ально новые синтетические микроволокна, применение которых в составах тяжелого бетона требует дополни- тельных исследований. Известной технологической проблемой сталефибро- бетонов является трудность равномерного распределе- ния волокон в объеме бетонной смеси, что приводит к образованию «ежей». Синтетические волокна образуют агрегаты или комки, состоящие из хаотически перепле- тенных волокон и частиц цемента. В связи с этим были изучены различные способы введения синтетического микроволокна в состав бетона. Наилучшим способом с точки зрения влияния на прочность затвердевшего бе- тона оказался способ введения микроволокна в сухую смесь. Изучено влияние расхода фибриллированного ми- кроволокна на удобоукладываемость и сохраняемость смеси. Для оценки удобоукладываемости пробы бетон- ной смеси для испытаний отбирались на месте ее при- готовления согласно ГОСТ 10181–2014 из средней ча- сти замеса. Испытание начиналось не позднее чем через 10 мин после отбора пробы. При контроле определялась удобоукладываемость и плотность смеси. Для определе- ния влияния расхода микроволокна на удобоукладывае- мость и живучесть бетонной смеси были проведены эксперименты, результаты которых представлены на рис. 3. Расход цемента составил 395 кг/м3, В/Ц=0,39, суперводоредуцирующая добавка в количестве 0,4%; расход синтетического микроволокна – 900, 1000, 1100 г/м3. Из анализа литературных источников установлено, что расход, например, полипропиленового волокна может составлять до 2 кг/м3 [16]. Для нашего случая применение в составе бетона микроволокна с расхо- дом большем, чем 1,1 кг/м3 приводило к заметному увеличению водопотребности смеси, что ведет к сни- жению прочности бетона. Очевидно, что на расход волокна будет влиять его длина. Из проведенных экс- периментов было установлено, что одним из обяза- тельных условий выбора расхода волокна должно быть условие сохранения водопотребности смеси, сопоста- вимой с контрольным составом. В противном случае увеличение водопотребности смеси сводит на нет воз- можности улучшения свойств бетона за счет использования фибриллированного микроволокна Fibro for High Grade. |
|
 |
|
 |
|
| При введении синтетического микроволокна с рас- ходом 900 и 1000 г/м3 осадка конуса несколько умень- шилась, марка по удобоукладываемости смеси осталась прежней П3. Таким образом, из условия сохранения водопотребности смеси, целесообразно назначать рас- ход волокна 900–1000 г/м3. На рис. 4 представлены результаты эксперимен- тов, где использованы равноподвижные смеси, В/Ц отношение изменялось в зависимости от расхода во- доредуцирующей добавки, расход микроволокна – 900 г/м3. При правильном выборе расхода микроволокна не требуется добавление воды затворения для увеличения осадки конуса. Установлено, что с увеличением расхода водоредуцирующей добавки до 1% (от массы цемента) в бетонной смеси, содержащей микроволокно, продол- жительность сохраняемости смеси повышается. Это со- гласуется с данными об увеличении сроков схватывания смесей с высокими расходами водоредуцирующей до- бавки [10–13]. Для получения качественного бетона одним из не- обходимых условий является предотвращение образо- вания усадочных микротрещин при твердении бетона. Доля цементного геля является определяющим факто- ром изменения объема систем [14]. Для решения этой проблемы может подойти фибриллированное микрово- локно. В одном кубометре бетона при расходе волокна 0,9 кг/м3 содержится более 10 млн волокон, которые, армируя твердеющий бетон во всех направлениях, могут снижать усадку. В связи с этим было изучено влияние микроволокна на усадочные деформации бетона. Цементно-песчаная матрица имела следующий состав (на 1 м3): портландце- мент 500 кг, песок 1550 кг, вода 175 кг, суперводореду- цирующая добавка 2 кг, синтетическое фибриллирован- ное микроволокно – 0,9 кг. Деформации усадки изме- рялись по ГОСТ 24544–81. Испытания проводились в лабораторных условиях при температуре воздуха 20оС и влажности 70%. Деформации усадки цементно-песча- ной матрицы со временем увеличивались по экспоненте (рис. 5) и в возрасте 120 сут. Достигли 30,2–10-5. Для матрицы с микроволокном деформация усадки в воз- расте 120 сут составила 24,1–10-5. Рост во времени деформаций усадки цементно-пес- чаной матрицы и дисперсноармированного бетона но- сит экспоненциальный характер. При этом деформации усадки дисперсноармированного бетона меньше, что позволяет предотвратить появление усадочных трещин. Исходя из этого, для дисперсноармированного микро- волокном бетона можно предположить повышение таких характеристик как водонепроницаемость и морозо- стойкость. Высокопрочные бетоны имеют опасность хрупкого разрушения конструкций, так как со снижением вели- чины водоцементного отношения увеличивается отно- шение предела прочности при сжатии к пределу проч- ности при изгибе [11]. Исследование влияния микроволокна на прочност- ные характеристики бетона было проведено на бетонной смеси состава БСТ В40, П2. Расход цемента составил 385 кг/м3; Щ – 1230 кг/м3; П – 640 кг/м3; В – 150 кг/м3; водоредуцирующей добавки – 0,4%; волокна 900 г/м3. Образцы бетона имели гладкую поверхность, только с верхней стороны образца можно было определить нали- чие микроволокна (рис. 6). Результаты определения предела прочности при сжатии в возрасте 1, 3, 7 и 28 сут образцов бетона фи- бриллированного микроволокном и без представлены на рис. 7. Прочность призм размером 10 10 40 см на растяже- ние при изгибе соответствовала Вtb=5,2 для образцов с микроволокном и Вtb=4,4 для образцов без волокна. Введение синтетического микроволокна Fibrofor High Grade в бетон незначительно повышает предел прочности при сжатии по сравнению с контрольным составом. Значительно увеличивается предел прочно- сти на растяжение при изгибе (до 20%). Соответствую- щие результаты по определению предела прочности при сжатии и на растяжение при изгибе были получе- ны на образцах бетона, которые были подвергнуты те- пловлажностной обработке по мягкому режиму, а именно при температуре изотермической выдержки, равной 50оС. Таким образом, дисперсное армирование бетона фибриллированным микроволокном позволяет ком- пенсировать недостатки бетона – образование уса- дочных трещин, низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения. В результате сравнительных испытаний установлен различающийся характер раз- рушения образцов. После испытаний на сжатие от контрольных образцов без микроволокна легко отде- лялись фрагменты бетона. Дисперсноармированный бетон после потери прочности при сжатии не разру- шался и сохранил целостность образцов даже при по- пытке многократного нагружения. Наиболее прием- лемым расходом микроволокна для исследованного бетона является 0,9 кг/м3. Для дальнейших исследова- ний эффективности применения синтетического фи- бриллированного микроволокна в составе тяжелого бетона необходимо провести испытания по определе- нию водонепроницаемости, морозостойкости, исти- раемости. |
|
|
Список литературы References |
|
