CC BY
305
Прочность и деформативность полиармированного фибробетона с применением аморфной металлической фибры*
Ю.В.Пухаренко, Д.А.Пантелеев, В.И.Морозов, У.Х.Магдеев
Предложены и исследованы математические модели для прогнозирования деформативных, прочностных и энергетических характеристик полиармированного фибробетона с применением аморфнометаллической фибры, показавшие высокую сходимость в сравнении с экспериментальными результатами.
Ключевые слова: фибробетон, полиармирование, аморфно-металлическая фибра, модуль упругости, прочность при изгибе, вязкость разрушения.
The Strength and Deformability of Polyreinforcement
with Amorphous Metallic Fiber. By Yu.V.Pukharenko,
D.A.Panteleev, V.I.Morozov, U.H.Magdeev
The mathematical models for forecasting the deformation, strength and power characteristics of the polyreinforcement fiber reinforced concrete with application of an amorphousmetallic fiber which showed high convergence in comparison with experimental results are offered and investigated.
Key words: fiber reinforced concrete, polyreinforcement, amorphousmetallic fiber, modulus of elasticity, bending strength, fracture toughness.
Чаще всего разрушение фибробетона носит вязкий характер и происходит в результате нарушения связи армирующих волокон с
* Работа выполнена в соответствии с Планом фундаментальных научных исследова-ний РААСН, раздел 7.2, тема: «Исследование процессов формирования структуры и свойств фибробетонов на основе аморфнометаллической фибры».
матрицей из-за недостаточного сцепления по поверхности раздела с последующим их вытягиванием из бетона. При этом собственная прочность фибры недоиспользуется, и для повышения армирующего эффекта необходимо обеспечить тесное взаимодействие на границе раздела волокна с матрицей, когда вместо вытягивания оно будет разрываться. Признаки именно такого разрушения демонстрируют образцы, армированные фиброй из аморфнометаллического сплава на основе системы Fe-C-P-Si (рис. 1).
На рисунке видны имеющие место разрывы фибр в момент разрушения композита, что свидетельствует об их надежном сцеплении с матрицей. Однако в этом случае практически утрачивается способность фибробетона к пластическому деформированию, что является одним из ярких положительных качеств композита, обеспечивающих надежность и эксплуатационную безопасность конструкций. Исправить ситуацию можно путем армирования бетона одновременно несколькими видами волокон - полиармированием, позволяющим управлять комплексом необходимых характеристик в одном композите.
Исходя из этого, сформулирована следующая рабочая гипотеза: применение аморфнометаллической фибры, имеющей высокую прочность сцепления с бетонной матрицей и работающей с ней совместно вплоть до разрушения, в комбинации с другими видами стальных волокон при достижении с ними тесного взаимодействия приводит к увеличению прочности и трещиностойкости композита при одновременном повышении вязкости разрушения.
Предварительные испытания прочности фибробетонных образцов, армированных аморфной металлической фиброй в комбинации с другими видами волокон, показали, что наибольшего эффекта можно добиться, используя аморфнометаллическую фибру вместе со стальной (рис. 2).
Рис. 1. Поверхность разрушенного фи-броцементного образца, армированного аморфнометаллической фиброй
Рис. 2. Зависимость прочности на растяжение при изгибе от вида и содержания волокон
1 2016
107
В таблице 1 представлены характеристики армирующих волокон, из которой видно, что боковая поверхность аморф-нометаллической фибры в несколько раз превышает боковую поверхность используемой в исследовании стальной фибры из проволоки эквивалентного диаметра. Предварительные расчеты показали, что при указанной длине стальной фибры в процессе разрушения композита будет происходить её вытягивание из бетонной матрицы. В тех же условиях разрушение фибробе-тона, армированного аморфной металлической фиброй, будет происходить в результате разрыва волокон, даже при условии увеличения её собственной прочности в несколько раз.
Таблица 1. Характеристики армирующих волокон
Вид фибры
Стальная из проволоки
Аморфноме-таллическая
Эквивалентный диаметр, d, мм
0,3
0,3
Длина,
I, мм
22
30
Прочность,
Яф, МПа
ф
540
1000
Боковая поверхность, мм
0,94
6,06
Для подтверждения выдвинутой гипотезы и оценки эффективности предлагаемого варианта полиармирования разработаны математические модели, позволяющие прогнозировать прочность и упруго-пластические характеристики полиарми-рованного фибробетона в зависимости от вида, размеров и объёмного сочетания фибр в составе комбинации.
А. Прочность
Анализ литературных источников и результаты собственных исследований показывают, что наиболее удачной теоретической моделью, адекватно отражающей поведение фибробетона под нагрузкой, является «правило смесей» [5], в соответствии с которым при прочной связи фибры с бетонной матрицей (например, фибробетон, армированный аморфнометаллической фиброй) прочность композита определяется по формуле [1]:
а при недостаточном сцеплении фибры с матрицей композита (например, фибробетон, армированный стальной фиброй из проволоки) по формуле:
Яфб = 2 Д // + 3,5Якзц + (1 - 4,5//).
При полидисперсном армировании бетона одновременно несколькими (в данном случае двумя) видами волокон, обладающих прочной и не прочной связью с матрицей композита, формулу можно записать:
/?. =
Я ,п + 2т
у
ст.ф.
(1-й)
ст.ф.
щеЯ ^Я гЯкзГЯб - прочность фибробетона, аморфнометал-
лической фибры, контактной зоны и бетона;——---- - отношение
ст.ф.
ность сцепления стальной фибры с матрицей; ^ - общая объёмная доля волокон; п - доля аморфнометаллической фибры в общем объёме армирования.
При проведении исследований, устанавливающих степень сходимости расчетных характеристик с экспериментальными данными, были использованы следующие материалы: портландцемент марки ПЦ 500 Д0 производства ОАО «Осколцемент»; кварцевый песок с модулем крупности Мкр = 2,34; фибра стальная, волнового профиля из проволоки d = 0,3 мм, I = 22 мм; фибра металлическая, аморфная производства ООО «Химмет» dэкв = 0,3 мм, I = 30 мм, суперпластификатор Schomburg Remicrete.
В качестве матрицы для получения фибробетонных образцов использовался мелкозернистый бетон, который позволяет обеспечить высокую степень насыщения волокнами. Все образцы имели одинаковый состав исходного бетона: Ц:П=1:2 при В:Ц=0,32 и расходе добавки пластификатора 0,7% от массы цемента.
Для определения предельного насыщения бетона одновременно аморфнометаллической и стальной фиброй с обеспечением равномерности их распределения в получаемой структуре были изготовлены серии полиармированных фибробетонных образцов с общим содержанием волокон 1%, 2% и 3% по объёму. На рисунке 3 представлено сравнение экспериментальных результатов испытания прочности на растяжение при изгибе фибробетонных образцов с разным соотношением и количеством применяемых волокон с теоретическими.
Из полученных данных следует, что в рассматриваемой области экспериментирования, ограниченной видом и характеристиками используемых волокон, с учётом принятой технологии получение полиармированного фибробетона с прогнозируемыми свойствами возможно при общей степени насыщения фиброй до ^ = 2% по объёму. В дальнейшем наблюдается уменьшение прочности композита, сопровождающееся значительным расхождением между расчётными и экспериментальными характеристиками, что вызвано трудностью обеспечения равномерного распределения аморфнометаллического волокна в заданном объёме бетона и создания плотной упаковки составляющих в системе «дисперсная арматура-бетон» [2, 3] (рис. 4).
С учётом данных обстоятельств дальнейшая оценка эффективности дисперсного полиармирования проводилась на
длины стальной фибры к ее диаметру; т = 3,08 МПа - проч-
Рис. 3. Прочность полиармированного фибробетона в зависимости от количества волокон и соотношения между ними
108
2016
1
фибробетонах с общим расходом волокон, не превышающем 2% по объёму, при различном сочетании стальной и аморфно-металлической фибры.
В таблице 2 представлены экспериментальные и теоретические, найденные с помощью предложенной модели, значения прочности на растяжение при изгибе моно- и полиармированного фибробетона при общем содержании фибр, равном 2% по объёму.
Рис. 4. Образец, армированный аморфнометаллической фиброй в количестве 3% по объёму, после испытания на изгиб
Таблица 2. Значения прочности на растяжение при изгибе моно- и полиармированных фибробетонных образцов
Б. Модуль упругости
Для расчёта модуля упругости разработана модель, демонстрирующая довольно высокую сходимость теоретических значений в сравнении с экспериментальными данными. В отличие от других подобных моделей, таких, как модель Фойхта, Рейсса и прочие [4], в предложенной модели учитывается комплексный коэффициент ф, зависящий от вида, типоразмера, прочностных и деформационных характеристик, входящих в состав армирования фибр, и соотношения между ними, сцепления волокна с матрицей и принятой технологии:
Ефб = ЕбИ [<Рам.фП + (Рст.ф. О - ")] ' (2) гдеЕф6,Е6 - модули упругости фибробетона и бетона; -общая объёмная доля волокон; п - доля аморфнометаллической фибры в общем объёме армирования; ф - комплексный коэффициент. Для фибробетонов, армированных аморфной металлической фиброй, фмф =1,33, армированных стальной фиброй фстф =1,23.
В. Вязкость разрушения Вязкость разрушения является одной из важнейших характеристик фибробетона. Высокая прочность материала не гарантирует высокой сопротивляемости образованию и распространению трещин. В любом материале есть внутренние дефекты, которые под действием даже незначительных напряжений проявляются и приводят к разрушению [7].
При разработке модели, с помощью которой можно судить о вязкости разрушения полиармированного фибробетона по его энергетическим характеристикам, также учитывали разницу в поведении стальных и аморфнометаллических фибр в момент возникновения максимальных напряжений.
Таблица 3. Значения модуля упругости моно- и полиармированных фибробетонных образцов
Доля аморфной металлической фибры в общем объёме армирования, п Прочность при изгибе, Я , 1 1 ' изг' МПа
эксп. теор.
бетон без фибры 8,1 -
0 17,2 14,9
0,1 17,7 16,2
0,2 17,9 17,5
0,3 19,9 18,8
0,4 21,2 20,2
0,5 21,6 21,5
0,6 22,5 22,8
0,7 22,2 24,1
0,8 21,9 25,5
0,9 21,8 26,8
1,0 21,7 28,1
Доля аморфной металлической фибры в общем объёме армирования, п Модуль упругости, Е, МПа
эксп. теор.
бетон без фибры 31643 -
0 40654 40503
0,1 40952 40850
0,2 41188 41198
0,3 41527 41547
0,4 41844 41895
0,5 42000 42243
0,6 42440 42591
0,7 42776 42939
0,8 43147 43288
0,9 43627 43636
1,0 43945 43984
1 2016 109
По аналогии с уравнениями (1) и (2), энергия разрушения фибробетона определяется по следующей формуле:
где 1¥ф6, №ф6амф, и №ф6стф - энергия, затрачиваемая на разрушение полиармированного фибробетона; бетона, армированного аморфнометаллической и стальной фиброй соответственно.
Разрушение фибробетона, армированного аморфной металлической фиброй, происходит в результате разрыва волокон при />/
кр.ам.ф.*
W.
1
фб.ам.ф. ^
"кр.ам.ф. _шах л /, ам.ф. кр.ам.ф.
" ам.ф.
где ст^ф- максимальное нормальное напряжение в аморфной металлической фибре, сг™* = 0,87/? I - критическая
• I ам.ф. ам.ф кр.ам.ф. 1
длина аморфной металлической фибры; £ -длина аморфной металлической фибры.
Разрушение фибробетона, армированного стальной проволочной фиброй, происходит в результате нарушения сцепления и вытягивания волокон из бетонной матрицы композита при 1<1 •
1 ^ 1 кр. ст. ф.
Рис. 5. Зависимость между критерием хрупкости и энергией разрушения
Таблица 4. Значения вязкости разрушения моно- и полиармированных фибробетонных образцов
Доля аморфной металлической фибры в общем объёме армирования, п Вязкость разрушения
Критерий хрупкости, XV м Энергия разрушения, W, Дж
бетон без фибры 0,1 -
0 144,0 1656,4
0,1 131,9 1533,43
0,2 129,7 1410,5
0,3 122,2 1287,6
0,4 112,6 1164,6
0,5 107,9 1041,7
0,6 102,1 918,8
0,7 89,8 795,9
0,8 70,4 672,9
0,9 46,0 550,0
1,0 30,4 427,0
W.
— — // Т
фб.ст.ф. ^ " ст.ф.
Í1 ст.ф.
d.
ст.ф.
После подстановки и преобразований получаем уравнение, позволяющее оценивать вязкость разрушения композита, дисперсно полиармированного аморфнометаллическими и стальными волокнами:
/ «2 шах _ „2 /. \\
кр.ш.ф. ам.ф.
Тст.ф.^ст.ф.{} П)
\
2L
d„.
(3)
" ам.ф. ст.ф.
В таблице 4 приведены теоретические и экспериментальные результаты определения вязкости разрушения фибробетонных образцов.
Так как теоретическое значение вязкости разрушения характеризуется энергией, необходимой для вытягивания или разрыва волокна из матрицы композита, а экспериментальное - критерием хрупкости, определяемым, согласно ГОСТ 29167, по графику зависимости прогиба от прилагаемой нагрузки, требуется ввести коэффициент пропорциональности, по которому можно судить о сходимости результатов расчёта с экспериментальными данными. Как следует из рисунка 5, при коэффици-
Xе
енте пропорциональности, составляющем к =—— = 0,1 ,
пр ¡V
имеет место практически полное совпадение указанных характеристик.
Таким образом, использование полидисперсного армирования волокнами с различными свойствами позволяет управлять комплексом свойств фибробетона, изменяя требуемые характеристики в ту или иную сторону. Так, введение аморфнометаллической фибры, имеющей высокое сцепление с матрицей, приводит к повышению прочностных и деформативных характеристик композита, а одновременное добавление стальной фибры улучшает энергетические характеристики, такие как вязкость разрушения.
При помощи разработанных моделей (1), (2) и (3) можно рассчитывать значения модуля упругости, прочности и вязкости разрушения полиармированного фибробетона, которые обладают высокой сходимостью с экспериментальными данными.
Литература
1. Пухаренко, Ю.В. Принципы формирования структуры и прогнозирование прочности фибробетонов / Ю.В. Пухаренко // Строительные материалы. - 2004. - №10. - С. 47 - 50.
2. Пантелеев, Д.А. Оценка эффективности полиармирования фибробетона / Д.А. Пантелеев // Вестник гражданских инженеров. - 2013. - № 6 (41). - С. 102-108.
3. Пантелеев, Д.А. Деформативные и прочностные характеристики полиармированного фибробетона / Д.А. Пантелеев // Известия КГАСУ. - 2015. - № 3 (33). - С. 133-139.
4. Ледовской, И.В. Метод определения упругих характеристик неоднородных сред / И.В. Ледовской, Т.С. Русаков // Вестник гражданских инженеров. - 2012. - № 6 (35). - С. 39-46.
5. Рабинович, Ф.Н. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. / Ф.Н. Рабинович // Вопросы теории и
110
1 2016
проектирования, технологии, конструкции. - М.: Издательство АСВ, 2004. - 176 с.
6. Пухаренко, Ю.В. Высокопрочный сталефибробетон / Ю.В. Пухаренко, В.Ю. Голубев // Промышленное и гражданское строительство. - 2007. - №9. - С. 40-41.
7. Пухаренко, Ю.В. О вязкости разрушения фибробетона / Ю.В. Пухаренко, В.Ю. Голубев // Вестник гражданских инженеров. - 2008. - №3. - С. 80-83.
Literatura
1. Puharenko Yu.V. Principy formirovaniya struktury i prognozirovanie prochnosti fibrobetonov / Yu.V. Puharenko // Stroitel'nye materialy. - 2004. - №10. - S. 47-50.
2. Panteleev D.A. Ocenka effektivnosti poliarmirovaniya fibrobetona / D.A. Panteleev // Vestnik grazhdanskih inzhenerov. - 2013. - № 6 (41). - S. 102-108.
3. Panteleev D.A. Deformativnye i prochnostnye harakteristiki poliarmirovannogo fibrobetona / D.A. Panteleev // Izvestiya KGASU. - 2015. - № 3 (33). - S. 133-139.
4. LedovskojI.V. Metod opredeleniya uprugih harakteristik neodnorodnyh sred / I.V. Ledovskoj, T.S. Rusakov // Vestnik grazhdanskih inzhenerov. - 2012. - № 6 (35). - S. 39-46.
5. Rabinovich F.N. Kompozity na osnove dispersno armirovannyh betonov. / F.N. Rabinovich // Voprosy teorii i proektirovaniya, tehnologii, konstrukcii. - M.: Izdatel'stvo ASV, 2004. - 176 s.
6. Puharenko Yu.V. Vysokoprochnyj stalefibrobeton / Yu.V. Puharenko, V.YU. Golubev // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. - 2007. - №9. - S. 40-41.
7. Puharenko Yu.V. O vyazkosti razrusheniya fibrobetona / Yu.V. Puharenko, V.YU. Golubev // Vestnik grazhdanskih inzhenerov. - 2008. - №3. - S. 80-83.
1 2016
111
