Прочностные и деформативные свойства дисперсноармированного бетона полиолефиновой микро- и макрофиброй
Смирнова О.М., Харитонов А.М., Беленцов Ю.А.
The strength and deformability properties of fiber reinforced concrete with polyolefin fibers

Olga Smirnova, Alexey Kharitonov, Belenzov Yu.A.

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, Moskovsky pr. 9, 190031 Saint Petersburg, Russia
Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, 2-nd Krasnoarmeiskaya St. 4, 190005 Saint Petersburg, Russia

Abstract
Influence of the polyolefin fibers (fibrillated microfiber Fibrofor HG and bicomponent macrofiber Concrix ES) on the strength properties of concrete (compression strength, tensile strength in bending, strength in uniaxial tension), on the deformation properties (elastic modulus, Poisson's ratio), and the abrasion resistance has investigated in the paper. Dependencies of these properties on the water-cement ratio, the fibers arrangement directions have been shown. The results can contribute to the rational use of modified polyolefin fibers in concrete mixes.
Keywords: polyolefin fibers; concrete; tensile strength in bending; strength in uniaxial tension; elastic modulus; Poisson's ratio; abrasion resistance; water-to-cement ratio

1.Введение
В области дисперсного армирования бетона были проведены разносторонние исследования с целью улучшения его свойств, таких как предел прочности при растяжении, ударная прочность, устойчивость к истиранию [1,2,3,4,5,6]. Для этого использовались различные типы фибры, в том числе на основе стали, органических и неорганических материалов. Фибра различается в зависимости от формы, длины, поверхностной шероховатости и т.д.
Электронно-микроскопические исследования показали, что связь между полиолефиновым волокном и цементным камнем в основном механическая [7,8]. В работе [9] исследования микроструктуры показали образование связи между цементным камнем и полиолефиновым волокном из-за экзотермической природы реакции гидратации, что способствовало частичному проникновению гидратов в волокно и повышению связи между волокном и цементным камнем с увеличением продолжительности гидратации.
Полиолефиновые волокна представляют собой новый коммерческий синтетический продукт. Современные процессы коэкструзии позволяют производить волокна, имеющие оболочку и сердцевину. Так называемые двухкомпонентные волокна состоят из двух различных полимеров: ядро, которое покрыто оболочкой определенной толщины. Это позволяет оптимизировать материал поверхности и сердцевины волокна. Кроме того, дорогие компоненты могут быть использованы в уменьшенном объеме, либо в оболочке или только в ядре [10,11,12].
Полиолефиновые волокна являются гидрофобными и имеют поверхность, которая плохо смачивается водой [13,14]. Прочность сцепления между волокном и цементным камнем, а также трение между ними являются основными источниками, мешающими движению волокон [15]. В работе [16] показано, что образцы, содержащие полиолефиновые волокна и микрокремнезем имеют более высокий предел прочности при одноосном растяжении. Площадь под кривой нагрузка одноосного растяжения - деформация бетона представляет собой способность к деформации и ударную вязкость. При водоцементном отношении, равном 0,55 площадь под кривой увеличилась до 260% для образцов, содержащих полиолефиновые волокна и микрокремнезем. При более низком водоцементном отношении, равном 0,35 площадь под кривой увеличилась до 493%. По результатам испытаний образцов, содержащих только полиолефиновые волокна (без микрокремнезема) авторы [16] не смогли сделать окончательные выводы о влиянии только волокна. Таким образом, плотность цементного камня и, соответственно, трение между волокнами и бетоном могут быть повышены за счет снижения водоцементного отношения или введения уплотняющих добавок.
Относительно низкая прочность менее 1 МПа была получена между различными полиолефиновыми волокнами и цементным камнем при выдергивании волокон в работе [17]. Были изучены композиции из шести видов полиолефиновых волокон и их свойства. Волокна содержали в качестве основного полимера полипропилен (ПП) или полиэтилен высокой плотности. В некоторые волокна были введены минеральные наполнители, чтобы увеличить модуль упругости и твердость поверхности. Химической связи за счет реакции гидратации минеральных наполнителей с цементным камнем не было, так как наполнители, как правило, были покрыты тонкой инертной полимерной пленкой. Поверхности волокон были, как правило, очень гладкие, за исключением волокна B (ядро = 100% ПП/оболочка = ПП + микронаполнитель из стекла) с шероховатой поверхностью. Самые высокие значения по сопротивлению выдергиванию из цементного камня были получены для волокна В с шероховатой поверхностью [17]. Это еще раз подтверждает, что связь между различными полиолефиновыми волокнами и цементным камнем является механической. Уплотнение твердеющего цементного камня увеличивает механические характеристики связи волокно-камень. Реакции гидратации, протекающие со временем в цементном камне, могут способствовать этому уплотнению.
Таким образом, согласно опубликованным результатам испытания бетона, содержащего полиолефиновые волокна, сложно сделать окончательные выводы об их влиянии на свойства бетона. Зачастую опубликованные результаты различаются у авторов, потому что они получены на одном составе бетона или способе введения волокна. Это исследование оценивает технические свойства цементных бетонов класса прочности В22,5-В50 (водоцементное отношение изменялось от 0,55 до 0,31), содержащих полиолефиновые волокна в зависимости от водоцементного соотношения. Для приготовления бетона были использованы одинаковые компоненты, что
позволило установить закономерности влияния волокон на свойства бетона в
зависимости от водоцементного отношения.

2.Материалы
В настоящее время разрабатываются принципиально новые синтетические волокна. Применение этих волокон в составах тяжелого
бетона требует дополнительных исследований.
В работе использовано синтетическое двухкомпонентное макроволокно Concrix ES производителя Brugg Contec AG на основе полиолефинов со следующими характеристиками: предел прочности при растяжении 600 МПа, модуль упругости 11000 МПа, длина волокон 50 мм, диаметр волокна 0,5мм, отношение длины волокна к его диаметру более 100, содержание волокон в 1кг ‒ около 130000 шт., температура плавления 150ºС (рисунок 1а,б).

Рисунок 1. (a) Вид макроволокна Concrix ES; (б) Водорастворимая пленка-упаковка для макроволокна (c) фибриллированное микроволокно Fibrofor High Grade.

Ядро и оболочка макроволокна Concrix ES состоят из различных синтетических полимеров. Материал ядра макроволокна имеет повышенные прочностные характеристики и модуль упругости. Материал оболочки макроволокна имеет повышенную адгезию к цементному камню.
Фибриллированное микроволокно Fibrofor High Grade (Brugg Contec AG) на основе полиолефинов (рис.1,в) было также использовано. Микроволокно имело следующие характеристики: предел прочности при растяжении 400 МПа, модуль упругости 4900 МПа, длина волокон 19 мм, отношение длины волокна к его диаметру более 100, содержание волокон в 1кг ‒ более 12 млн.шт., температура плавления 150ºС.
Шероховатость поверхности макроволокон и фибрилляция микроволокон могут также способствовать повышению адгезии волокна с цементным камнем.
В качестве вяжущего использован портландцемент ЦЕМ I 42.5, суперпластификатор на поликарбоксилатной основе, щебень гранитный фракций 5-10 и 10-20, песок речной.

3.Результаты и обсуждение
3.1.Удобоукладываемость смесей
Большое влияние на удобоукладываемость бетонных смесей, на образование комков из микрофибры оказывает способ введения микрофибры в состав бетона. Несколько способов введения полипропиленовой микрофибры описано в литературе [19,20]. Авторы [19] предлагают для исключения образования комков из микрофибры сначала ее смешивать с водой затворения, а затем добавлять в смесь сухих компонентов. Полипропиленовые волокна имели диаметр 18μм, длину 12 мм. Авторы [20] определили, для того, чтобы распределить полипропиленовые микроволокна (длиной 10-20 мм) равномерно, необходим смеситель принудительного действия. Методом проб и ошибок, был выбран следующий способ смешивания: крупный и мелкий заполнитель перемешивают в течение 1 мин, добавляют вяжущее и полипропиленовое волокно и перемешивают в течение еще 1 мин. И, наконец, добавляют воду и перемешивают в течение 3 мин. В этой работе исследовано два способа введения микро- и макрофибры. По первому способу, оба вида фибр «Concrix ES» и «Fibrofor HG» вводились в готовую бетонную смесь и дополнительно смесь перемешивалась в течении 5 минут. По второму способу, фибра вводились в сухую смесь цемента и заполнителей, перемешивалась 2,5 минуты. Затем добавлялась вода затворения и бетонная смесь перемешивалась еще 5минут. Был использован смеситель принудительного действия.
Испытания по удобоукладываемости проводились на равноподвижных смесях с осадкой конуса в пределах 10-14см. По первому способу можно было ввести относительно небольшой объем макро- и микрофибры, который не влиял на удобоукладываемость смесей, однако и повышения значений таких характеристик как прочность на растяжение при изгибе и прочность на одноосное растяжение не было получено. Наоборот, наблюдалось снижение прочностных характеристик, вследствие плохого распределения фибры в структуре бетона. При таком способе введения фибры не была достигнута цель улучшения свойств затвердевшего бетона.
Второй способ введения оказался более подходящим. Согласно испытаниям на определение удобоукладываемости смесей введение макроволокна Concrix ES в количестве 3‒4,5 кг/м3 не привело к ухудшению удобоукладываемости, при этом этот расход фибры позволил улучшить ряд свойств бетона.
Применение в составе бетона микрофибры Fibrofor HG с расходом большем, чем 1,1 кг/м3 привело к заметному снижению удобоукладываемости, плохому распределению фибры. Из условия сохранения удобоукладываемости смеси и равномерного распределения микрофибры, максимальное количество микроволокна по второму способу введения было определено в количестве 1,0 кг/м3. Таким образом, одним из способов повышения расхода фибры и ее равномерного распределения является совершенствование способов введения фибры и ее перемешивания.

3.2. Формование образцов
Как показано в работах [21,22] процесс укладки бетонной смеси должен быть организован таким образом, чтобы направление потока смеси, вдоль которого волокна могут быть выровнены, соответствовало направлению главного растягивающего напряжения в пределах структурного элемента, когда он будет эксплуатироваться.
Формование образцов, испытанных в настоящем исследовании было выполнено с целью создания анизотропии механических свойств за счет выравнивания волокон, так как регулировался поток бетонной смеси при укладке. Действие вибрации на переориентацию макроволокон в бетоне было исследовано путем сравнения измеренных значений количества волокон на единицу площади поперечного сечения.
Изломы образцов были осмотрены после испытаний на одноосное растяжение (рис.2).

Рисунок 2 ‒ Излом образца бетона после испытаний

Примерно в два раза большее количество выдернутых макроволокон на единицу площади наблюдалось в образцах, в которых смеси были уложены c учетом направления укладки. Некоторое увеличение количества выдернутых макроволокон на единицу площади наблюдалось в образцах, подвергнутых вибрации. Однако оно зависело от продолжительности вибрации и требует дополнительных испытаний. В общем, повышение прочности на растяжение в пределах 10% наблюдалось у образцов, при изготовлении которых учитывалось направление укладки смеси. Влияние направления укладки смеси с макрофиброй на прочность при одноосном растяжении было значительнее, чем с микрофиброй. Возможно, это связано с относительно небольшим объемом микрофибры.
Таким образом, повышение прочностных характеристик бетона с фиброй, это комплексная задача, которая предполагает выбор состава бетона, фибры с определенными свойствами, способа введения фибры, способа укладки свежеприготовленной бетонной смеси.

3.3. Прочностные свойства
Исследование влияния выбранных волокон на прочностные характеристики бетона было проведено для бетона классов прочности В22.5- В55, водоцементное отношение изменялось от 0,55 до 0,31. Результаты определения предела прочности при сжатии, на растяжение при изгибе и на одноосное растяжение образцов бетона с различным содержанием волокон в возрасте 28 суток представлены на рисунках 3‒5.

Рисунок 3 ‒ Предел прочности при сжатии бетона

Снижения предела прочности при сжатии у образцов, содержащих фибру не наблюдалось, в ряде составов бетона отмечено повышение прочности при сжатии, однако определенных закономерностей установить трудно.
Повышение прочности на растяжение при изгибе для бетона с фиброй по сравнению с бетоном без фибры наблюдалось на всем исследованном диапазоне водоцементных отношений, однако прирост значений был выше со снижением водоцементного отношения. Это можно объяснить тем, что плотность цементного камня увеличивалась. Повышение предела прочности на растяжение при изгибе для Concrix ES (4,5 кг/м3) составило 22% и 33% при водоцементном отношении равном 0,49 и 0,31 соответственно; для Concrix ES (3 кг/м3) составило 20% и 24% при водоцементном отношении равном 0,49 и 0,31соответственно; для Fibrofor HG (1кг/м3) составило 15% и 22% при водоцементном отношении равном 0,49 и 0,31соответственно.

Рисунок 4 ‒ Предел прочности на растяжение при изгибе

Рисунок 5 ‒ Предел прочности на одноосное растяжение бетона в возрасте 28 суток

Прирост повышения прочности на одноосное растяжение бетона с фиброй по сравнению с бетоном без фибры также наблюдался со снижением водоцементного отношения.
Это повышение для Concrix ES (4,5 кг/м³) составило 24% и 30% при водоцементном отношении равном 0,49 и 0,31 соответственно; для Concrix ES (3 кг/м3) составило 18% и 25% при водоцементном отношении равном 0,49 и 0,31соответственно; для Fibrofor HG (1кг/м³) составило 15% и 24% при водоцементном отношении равном 0,55 и 0,31соответственно в возрасте 28 суток.
Плотность цементного камня повышается со снижением водоцементного отношения, что приводит к повышению трения между фиброй и матрицей. Гидратация цементного камня со временем также способствует его уплотнению. С этой целью проведены сравнительные испытания прочности на одноосное растяжение бетона в возрасте 90 суток (рис.6).

Рисунок 6 ‒ Предел прочности на одноосное растяжение бетона в возрасте 90 суток

Повышение прочности на одноосное растяжение в возрасте 90 суток для Concrix ES (4,5 кг/м3) составило 17% и 35% при водоцементном отношении равном 0,49 и 0,31 соответственно; для Concrix ES (3 кг/м3) составило 16% и 29% при водоцементном отношении равном 0,49 и 0,31 соответственно; для Fibrofor HG (1кг/м3) составило 15% и 26% при водоцементном отношении равном 0,55 и 0,31 соответственно.

3.4. Деформативные свойства
Целью испытаний являлось определение призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона образцов бетона с добавлением фибры по методике ГОСТ 24452-80. Испытание для определения указанных показателей свойств бетона производится путем нагружения ступенями образцов-призм осевой сжимающей нагрузкой до разрушения при определении призменной прочности и до уровня 30% разрушающей нагрузки с измерением в процессе нагружения образцов их деформации для определении модуля упругости и коэффициента Пуассона.
На образце закреплялись датчики и определялся модуль упругости и коэффициент Пуассона. Точность измерения датчиков составляла 0,001мм. База датчика при испытании для определении продольных деформаций составляла 150мм, а при определении коэффициента Пуассона 70мм.
Наибольшая призменная прочность у В35 составляла 45МПа, поэтому нагружение выполнялось ступенями от 5кН до 350кН, с шагом 5кН на каждую ступень. Результаты определения модуля упругости, призменной прочности, коэффициента Пуассона показаны на рисунке 7 и в таблице.

Рисунок 7 – Модуль упругости дисперсноармированного бетона 

Таблица ‒ Призменная прочность модуль упругости, коэффициент Пуассона при 30% от разрушающей нагрузки

Несмотря на то, что исследуемая фибра относится к низкомодульным разновидностям дисперсного армирования (модуль упругости E=0,11105 МПа), наблюдается увеличение модуля упругости фибробетона и снижение коэффициента Пуассона. Такое влияние на свойства бетона характерно при использовании высокомодульной фибры, модуль упругости которой составляет более 0,2-0,25105 МПа [23], например, стального (E=2105 МПа) волокна. Использование полипропиленового волокна (E=0,04-0,08105 МПа) связано с уменьшением модуля упругости по мере увеличения степени армирования. Тем не менее, полиолефиновая фибра за счет прочной анкеровки в цементном камне позволяет увеличить призменную прочность и жесткость бетона. Призменная прочность дисперсноармированного бетона повысилась, что может свидетельствовать о повышении трещиностойкости бетона с фиброй.

3.5. Истираемость бетона
Стойкость бетона к истиранию зависит от свойств заполнителя, состава бетона, прочности бетона, вида и количества цемента, свойств фибры, условий укладки смеси и ее твердения, поверхностной обработки бетона [24, 25]. Повышение истираемости на 6-7% установлено в работе [24] при использовании фибриллированных полипропиленовых волокон длиной 12 мм длиной и повышение истираемости на 13-16% ‒ при использовании однонитиевого микроволокна. При этом одинаковое повышение истираемости наблюдалось для бетонов прочностью 18-38 МПа (В/Ц изменялось от 0,7 до 0,5). Влияние фибры на истираемость бетона, в котором В/Ц отношение изменялось от 0,55 до 0,31 установлено в этой работе согласно рисунку 8.

Образцы – кубы размером 70х70х70мм в сухом состоянии испытаны на круге истирания.

Рисунок 8 ‒ Результаты сравнительных испытаний на истираемость бетона

Стойкость к истиранию у дисперсноармированного бетона с полиолефиновыми фибрами больше, чем у контрольных образцов. Однако со снижением водоцементного отношения (повышением прочности на сжатие самого бетона) влияние макро и микрофибры на стойкость к истиранию снижается и составляет в пределах 7-9%.

Заключение
Показано, что методы введения микро- и макроволокон на основе полиолефинов могут способствовать увеличению объема волокон в бетоне и его равномерному распределению. Из условия обеспечения удобоукладываемости бетонной смеси и равномерного распределения волокон, максимальное количество микроволокон Fibrofor High Grade было определено равным 1,0 кг/м3 и макроволокон Concrix ES в количестве 3-4,5 кг/м³. Увеличение предела прочности на растяжение при изгибе и предела прочности при одноосном растяжении для дисперсноармированного бетона наблюдалось при снижении водоцементного отношения, так как плотность затвердевшего цементного камня увеличилась. Испытания на одноосное растяжение в возрасте 90 суток также подтвердили это. При проведении сравнительных испытаний по определению деформативных свойств наблюдалось увеличение модуля упругости дисперсноармированного бетона и снижение коэффициента Пуассона. Призменная прочность дисперсноармированного бетона повысилась, что может свидетельствовать о повышении трещиностойкости бетона с фиброй.

Литература
1. Weber, Wolfgang E., and Viktor Mechtcherine. "Modeling the dynamic properties of fibre-reinforced concrete with different coating technologies of multifilament yarns." Cement and Concrete Composites 73 (2016): 257-266.
2. C. Scheffler, S.L. Gao, R. Plonka, E. Mäder, S. Hempel, M. Butler, V. Mechtcherine. Interphase modification of alkali-resistant glass fibres and carbon fibres for textile reinforced concrete II: water adsorption and composite interphases. Compos. Sci. Technol., 69 (7–8) (2009), pp. 905–912
3. W. Weber, B.W. Zastrau. Analytical description of FRC subjected to transient loads. J. Theor. Appl. Mech., 51 (1) (2013), pp. 183–194
4. Kharitonov A., Shangina N. Glass Fibre Reinforced Concrete as a Material for Large Hanging Ceiling Designs in Underground Station Restorations. Proceedings of the International Conference, Concrete in the Low Carbon Era, University of Dundee, 9-11 July 2012, pp. 823-831.
5. Пухаренко, Ю.В. О вязкости разрушения фибробетона / Ю.В. Пухаренко, В.Ю. Голубев // Вестник гражданских инженеров. – 2008. – №3. – С. 80–83.
6. Пухаренко Ю.В., Пантелеев Д.А., Морозов В.И., Магдеев У.Х. Прочность и деформативность полиармированного фибробетона с применением аморфной металлической фибры. Academia. Архитектура и строительство. 2016. № 1. С. 107-111.
7. L. Yan, R.L. Pendleton, C.H. Jenkins, Interface morphologies in polyolefin fiber reinforced concrete composites, Composites, Part A 29A (1998) 643– 650.
8. L. Yan, C.H. Jenkins, R.L. Pendleton, Polylefin fiber-reinforced concrete composites: Part II. Damping and interface debonding, Cem. Concr. Res. 30 (3) (2000) 403– 410
9. Tagnit-Hamou, A., Y. Vanhove, and N. Petrov. "Microstructural analysis of the bond mechanism between polyolefin fibers and cement pastes." Cement and Concrete research 35.2 (2005): 364-370.
10. lCW Ron Zhao/ Study of polypropylene/polyethylene terephthalate bicomponent melt-blowing process: the fiber temperature and elongational viscosity profiles of the spinline. J Appl Polym Sci, 89 (2003), pp. 1145–1150
11. H.H. Cho, K.H. Kang, H. Ito, T. Kikutani. Fine structure and physical properties of polyethylene/poly(ethylene terephthalate) bicomponent fibers in high-speed spinning. I. Polythylene sheath/poly(ethylene terephthalate) core fibers. J Appl Polym Sci, 77 (2000), pp. 2254–2266
12. Kaufmann, Josef, Jörn Lübben, and Eugen Schwitter. "Mechanical reinforcement of concrete with bi-component fibers." Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 38.9 (2007): 1975-1984.
13. Pyle, Russell W. "Product and method for incorporating synthetic polymer fibers into cement mixtures." U.S. Patent No. 6,258,159. 10 Jul. 2001.
14. Chatterji, Jiten, et al. "Cementing wells with crack and shatter resistant cement." U.S. Patent No. 6,308,777. 30 Oct. 2001.
15. Yan, Linfa, R. L. Pendleton, and C. H. M. Jenkins. "Interface morphologies in polyolefin fiber reinforced concrete composites." Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 29.5 (1998): 643-650.
16. Han, Ta-Yuan, et al. "Influence of polyolefin fibers on the engineering properties of cement-based composites containing silica fume." Materials & Design 37 (2012): 569-576.
17. Kaufmann, Josef, Jörn Lübben, and Eugen Schwitter. "Mechanical reinforcement of concrete with bi-component fibers." Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 38.9 (2007): 1975-1984.
18. http://bruggcontec.com/media/datasheet_concrix_es-en.pdf
19. Ramezanianpour, A. A., et al. Laboratory study on the effect of polypropylene fiber on durability, and physical and mechanical characteristic of concrete for application in sleepers. Construction and Building Materials 44 (2013): 411-418.
20. P. Zhang, Q. Li. Effect of polypropylene fiber on durability of concrete composite containing fly ash and silica fume. Composites: Part B, 45 (2013), pp. 1587–1594
21. Sarmiento, E. V., M. R. Geiker, and T. Kanstad. "Influence of fibre distribution and orientation on the flexural behaviour of beams cast from flowable hybrid polymer–steel FRC." Construction and Building Materials 109 (2016): 166-176.
22. Ferrara, Liberato, Nilufer Ozyurt, and Marco Di Prisco. "High mechanical performance of fibre reinforced cementitious composites: the role of “casting-flow induced” fibre orientation." Materials and Structures 44.1 (2011): 109-128.
23. I. A. Leonovich, A. A. Leonovich. Influence resilience characteristic of composite materials on properties fibre concretes. Belarusian-Russian University, № 3 (16) (2007), pp. 148-155.
24. A. Cavdar, S. Yetgin. Investigation of abrasion resistance of cement mortar with different pozzolanic compositions and subjected to sulfated medium. Constr Build Mater, 24 (2010), pp. 461–470
25. Grdic, Zoran J., et al. "Abrasion resistance of concrete micro-reinforced with polypropylene fibers." Construction and Building Materials 27.1 (2012): 305-312.