ВСМ / Справочная информация / Статьи / Эффективность применения полимерных фибр для дисперсного армирования бетона

Эффективность применения полимерных фибр для дисперсного армирования бетона

Палитра освоенных промышленностью полимерных волокон достаточно обширна. В их числе волокна, предназначенные для массового применения и доступные по уровню цен, например, капроновые, нейлоновые, полиэтиленовые, полиамидные, полипропиленовые, а также волокна специального назначения (арамидные, графитовые, углеродные), стоимость которых существенно выше, и поэтому их использование оправданно в тех случаях, когда их конкурентоспособность доказана и экономически обоснована.

Ф.Н. Рабинович - канд. техн. наук (ОАО «ЦНИИПромзданий»);
С.М. Баев - генеральный директор ЗАО «Служба защиты сооружений».

Научно-технический и производственный журнал "Промышленное и гражданское строительство", 8/2009.

В последние годы полимерные волокна, и прежде всего полипропиленовые, получают все большее применение для дисперсного армирования бетонных изделий с целью повышения их эксплуатационных качеств.

Искусственные волокна, используемые в качестве армирующих компонентов для бетонных матриц, могут выполнять различные функции, обусловливаемые главным образом техническими характеристиками этих волокон, в том числе не только их прочностью, но и деформационными параметрами — модулем упругости (модулем деформаций). У значительной части полимерных волокон, включая полипропиленовые, модуль упругости ниже, чем модуль упругости рядового бетона. Этим в значительной мере определяется характер работы и разрушения композита, создаваемого из этих компонентов.

Фиброармированные бетоны, для которых используются низкомо-о дульные полимерные волокна, имеют две характерные стадии работы ш: при их статическом нагружении. х Первая стадия — до возникновения з- в бетонной матрице первой трещины g и вторая — образование на диаграм-| ме растяжения (изгиба) ниспадаю- щей ветви сразу после возникнове-© ния трещины.

В отличие от бетонных композитов с высокомодульными (например, стальными) волокнами в композитах с полимерными низкомодульными волокнами восприятие более высокого напряжения после образования в бетонной матрице трещины в принципе невозможно, поскольку эта матрица с более высоким в сравнении с рассматриваемыми волокнами модулем упругости не может передать на подобные волокна возникающее в ней усилие, а сами эти волокна не способны сдерживать деформационное удлинение бетонной матрицы.

Данные статистических испытаний

Рис. 1. Данные статических испытаний торкрет-фибробетонных опытных образцов (цилиндры, призмы), дисперсно армированных полипропиленовыми (а—г) и стальными (д, е) волокнами

Очертание ниспадающей ветви обусловливается процессом выдергивания волокон из матрицы в сечении с трещиной. При этом для физического разрушения композита необходимо приложить дополнительное усилие в отличие от неармиро-ванного бетона с хрупким характером разрушения.

Возникновение ниспадающей ветви на диаграмме «а-е» отвечает более высокому уровню вязкости разрушения композита, а конфигурация и площадь диаграммы под ниспадающей ветвью зависят от объемного содержания волокон в матрице относительной длины волокон lf/df и сцепления между совмещаемыми компонентами.

В большой степени на характер разрушения композитных материалов влияют поверхности раздела в их структуре [1]. Чем меньше диаметр волокон, чем больше их объемное содержание, тем больше поверхность их контакта с бетонной матрицей, соответственно, тем более высокий при прочих равных условиях уровень вязкости разрушения [2].

ОАО « ЦН И И П ромздан ий » и ЗАО «Служба защиты сооружений» провели совместные исследования, связанные с оценкой влияния технологических методов торкретирования на свойства бетонных матриц, формуемых под давлением, в том числе дисперсно армированных бетонов. В развитие этой темы разработано Руководство [3].

С целью изучения строительно-технических свойств композитов на основе бетона, дисперсно армированного полимерными волокнами, опытные серии бетонных образцов изготовили методом сухого торкретирования. В качестве армирующих компонентов использовали полипропиленовые и стальные волокна для сопоставления (таблица).

Опытные образцы представляли собой плиты размером 600x600x120 мм из неармированного и армированного фибрами торкрет-бетона. Из плит высверливали цилиндры (керны) диаметром 70 мм, высотой 70 мм и выпиливали призмы размером 100x100x400 мм.

Для получения сухой смеси торкрет-бетона использовали:

  • цемент ПЦ500ДО Подольского цементного завода; песок речной фракционированный Мк 1,2 и Мк 2,2 в соотношении 1:1. При пересчете на отформованный бетон после торкретирования содержание цемента в опытных образцах составляло 350 кг/м3;
  • полипропиленовые фибры ВСМ-11-R0.02-20/6 (12,18) (ТУ 2272-006-1349727-2007. Волокно строительное микроармирующее) производства ООО «СИ-Айрлайд», Челябинск. Диаметр фибр — 20 мкм, длина — 6, 12 и 18 мм, прочность на разрыв — 350 МПа, модуль упругости — 8000 МПа. Содержание фибр в бетоне составляло 0,8 и 1,6 кг/м3, плотность полипропилена — 0,9 г/см3;
  • стальную фибру волнистого очертания с покрытием слоем латуни толщиной 0,2—0,3 мкм на поверхности (ТУ 1221-71968828-2005. Фибра из стальной проволоки для армирования бетона) челябинского предприятия «Уралкорд». Длина фибр — 10...20 мм, диаметр — 0,2...0,3 мм, длина волнистой гофры (шаг) — 0,8 мм, высота гофры — 2 мм. Временное сопротивление разрыву проволоки - 2200 МПа.

Сухую смесь торкрет-бетона изготовляли в бетоносмесителе принудительного действия БС-4М. Тор-крет-бетон и торкрет-фибробетон получали с помощью немецкой установки Aliva-246,5 и компрессора с рабочим давлением воздуха 0,5 МПа производительностью 8 м3/мин.

Отформованные плиты выдерживали в течение 3 сут под полиэтиленовой пленкой и затем хранили в помещении при температуре 18—20 °С с периодическим увлажнением. Керны и призмы испытывали на прочность, морозостойкость, водопогло-щение и водонепроницаемость. Испытания проводили в НИЦ «СМ» ОАО «ЦНИИС».

Образцы испытывали на прочность в возрасте 28 сут в соответствии с требованиями норм [3]. Керны-цилиндры испытывали на сжатие (нагружение на торец цилиндра) и растяжение путем раскалывания цилиндра (нагружение по образующей цилиндра — схема испытаний на растяжение при раскалывании согласно п. 5.4 [4]).

Испытания призм на изгиб (на растяжение при изгибе) осуществляли в соответствии с требованиями п. 5.3 [4]. Для тов испытаний из половинок призм после их разрушения высверливали керны-цилиндры, которые затем также испытывали на раскалывание. При обработке полученных данных во внимание принимали средние значения результатов испытаний трех образцов для каждого вида испытаний.

Данные испытаний показывают, что применение полипропиленовых волокон в качестве дисперсно распределяемых компонентов в бетонной матрице может привести в определенных условиях как к повышению, так и к понижению прочности этой матрицы в сравнении с прочностью контрольных неармированных образцов. Подобная ситуация наблюдается при всех рассматриваемых видах статических испытаний: на сжатие и растяжение при раскалывании цилиндров, изгиб призм (рис. 1а—г).

Ранее отмечалось, что низкомодульные полимерные волокна, используемые в качестве армирующих компонентов, не могут привести к повышению прочности бетонной матрицы. Вместе с тем, как следует из результатов испытаний, уровень прочности образцов торкрет-фибро-бетонных цилиндров, армированных полипропиленовыми волокнами длиной 6 мм при их расходе 1,6 кг/м3 в объеме бетонной матрицы, оказался выше при сжатии на 9 % и на растяжение при раскалывании на 23 %, чем прочность аналогичных неармированных образцов. Наиболее высокий уровень прочности при тех же параметрах армирования (волокна длиной 6 мм) фиксировали и в образцах-цилиндрах, выпиленных из призм (рис. 16).

Наряду с тем испытания показали, что прочность подобных образцов, армированных полипропиленовыми волокнами длиной 12 и 18 мм с тем же их расходом 1,6 кг/м3 в бетоне, была ниже, чем у неармированных образцов (рис. 1а, в).

Данные испытаний торкрет-фиб-робетонных призм на изгиб (на растяжение при изгибе) по своему характеру соответствовали данным испытаний цилиндров на растяжение при раскалывании, но предельное значение прочности в этом случае отмечали при длине полипропиленовых волокон 12 мм в образцах с тем же расходом волокон 1,6 кг/м3 (рис. 1в).

Условная диаграмма

Рис. 2. Условная диаграмма изменения во времени модуля упругости бетона Еь после затворения цемента водой

Представляется важным сопоставить результаты испытаний разных серий образцов (цилиндров) с постоянной длиной содержащихся в них полипропиленовых волокон (в нашем случае lf = 6 мм), но с различным их объемным содержанием в бетонной матрице. В этом случае прочность торкрет-фибробетонных цилиндров на сжатие и растяжение при раскалывании была выше в рассматриваемом диапазоне расхода фибр, чем прочность контрольных неармированных образцов.

При этом пик прочности наблюдался как при сжатии, так и при растяжении при раскалывании (расход полипропиленовых волокон 0,8 кг/м3). Сопротивление образцов при расходе волокон 0,8 кг/м3 выше не только, чем у неармированных образцов на 16 % при сжатии и на 27 % на растяжение при раскалывании, но и в сравнении с теми же образцами при расходе волокон 1,6 кг/м3 (рис. 16, г).

Таким образом, данные испытаний показывают что применение полипропиленовых волокон в определенных условиях может обеспечить повышение прочности бетона при его статическом нагружении. Чтобы объяснить причину этого повышения, по мнению авторов статьи, следует рассматривать две стадии работы бетона (рис. 2). Первая — период формирования структуры дисперсионной среды до приобретения ею регламентируемых параметров прочности и жесткости. Вторая — бетон способен выполнять функции, предусмотренные проектной документацией.

В первой стадии модуль упругости волокон полипропилена выше до определенного момента, чем модуль деформации твердеющей дисперсионной среды. В этой ситуации подобные волокна способы выполнять функции армирующих компонентов, сдерживая температурно-усадочные деформации бетона и ограничивая появление трещин в его объеме.

Кроме того, волокна с невысоким модулем упругости в первые сроки твердения бетона уменьшают возможность возникновения избыточной концентрации напряжений в объеме твердеющей среды в сравнении с более жесткими включениями. В результате уровень исходной прочности бетона с подобными волокнами может оказаться выше, чем у неармированного бетона. Помимо этого волокна с большой удельной поверхностью (см. таблицу) могут положительно влиять на формирование структуры бетонной матрицы непосредственно в области ее контакта с волокнами.

Известно [2, 5], что качество подобной матрицы (плотность, микротвердость) в контактной области выше, чем качество вне ее. При этом возникновение кристаллического сростка цементного камня в стесненных условиях на границе раздела между матрицей и волокнами может привести также [2] к трансформации конфигурации этого сростка, в том числе к направленной геометрии распределения кристаллов (направленной кристаллизации) в структуре сростка и, как следствие, к возникновению «эффекта самоармирования» бетонной матрицы.

Вместе с тем процессы, протекающие в бетонной матрице при дисперсном армировании, способны привести также и к снижению ее прочности. Это возможно в случаях, когда при относительно большой длине lf/df и содержании \xf волокон в объеме бетона возникает неравномерное их распределение и в конечном счете образование клубков волокон. В этой ситуации испытания опытных образцов фибробетона на растяжение и изгиб не покажут увеличения прочности материала.

Указанные закономерности проявляются и при дисперсном армировании бетона стальными фибрами. Однако здесь в отличие от полипропиленовых волокон армирующий эффект1, создаваемый стальными волокнами, многократно превышает «эффект самоармирования»2 бетона при его статическом нагружении (рис. 1д, е).

Усилие, которое необходимо приложить к образцам бетона, дисперсно армированным полипропиленовыми волокнами, после образования трещины в этих образцах до их полного разрушения связано со стадией деформационного разупрочнения, которую отражает ниспадающая ветвь (рис. За—g). Это усилие снижается по мере увеличения деформации образца при его испытании в области закритической нагрузки при постоянной скорости изменения деформации.

Обобщенные диаграммы

Рис. 3. Обобщенные диаграммы «нагрузка—деформация» растяжения при раскалывании опытных образцов торкрет-фибробетона с дисперсной арматурой из полипропиленовых (А, В) и стальных (С) волокон

Характер этого снижения и соответственно диаграммы «нагрузка—деформация» в целом и ниспадающей ветви в частности разный и зависит при прочих равных условиях от объемного содержания волокон в матрице и от параметров относительной их длины. Изменяется также площадь под линией диаграммы и соответственно вязкость разрушения дисперсно армированных образцов.

Диапазон конфигураций диаграммы «нагрузка—деформация» для образцов, армированных стальными волокнами более широкий. Стадия работы этих образцов после образования в них трещины может быть связана как с неуклонным снижением воспринимаемой нагрузки (при малом содержании волокон в бетоне), так и ее ростом (в отличие от образцов с полипропиленовыми волокнами) по мере увеличения деформации (рис. 3h).

При этом важное конструкционное значение имеет положение ниспадающей ветви в начале ее возникновения и в конце нормируемого диапазона деформации, фиксируемой в стадии разупрочнения. Это положение, в конечном счете, связано с кинетикой разрыва волокон в сечении с трещиной и их выдергиванием из матрицы, что вызвано взаимодействием, проявляющимся в контактной области.

Л И Т Е Р А Т У Р А

  1. Рабинович Ф.Н.О некоторых особенностях формирования структуры композитов на основе дисперсно армированных бетонов // Пром. и гражд. стр-во. 2007. N° 3. С. 53-55; № 4. С. 52-53.
  2. Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. М.: Изд-во АСВ, 2004. 560 с.
  3. Руководство по применению торкрет-бетона при возведении, ремонте и восстановлении строительных конструкций зданий и сооружений / ОАО «ЦНИИПромзданий». М., 2007. 31 с.
  4. ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.
  5. Пухаренко Ю. В. Принципы формирования структуры и прогнозирование прочности фибробето-нов // Строит, материалы. 2004. № 10. С. 30-33.

Продолжение следует.

Версия для печати