ВЛИЯНИЕ БАЗАЛЬТОВОЙ ФИБРЫ НА ПРОЧНОСТЬ ВЫСОПРОЧНОГО БЕТОНА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.97+691.32

doi: 10.55287/22275398_2023_2_43

ВЛИЯНИЕ БАЗАЛЬТОВОЙ фибры на прочность высопрочного бетона

Соному Нема Харун Махмуд

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва

Аннотация

В ходе исследования изучались физико-механические свойства высокопрочного бетона (ВПБ), армированного базальтовой фиброй, а также влияние базальтовой фибры с объемной долей 0%; 0,6%; 0,9%; 1,2%; 1,5% и 1,8% на сопротивление сжатию и изгибу. Результаты этого исследования показали снижение прочности на сжатие при определенном процентном содержании базальтовых волокон и обнаружили, что базальтовые волокна препятствуют распространению трещин. Короче говоря, влияние базальтового волокна на прочность на изгиб было положительным, и мы можем понять, что базальтовое волокно повлияло на физические и механические свойства высокоэффективного бетона в этом исследовании.

Ключевые слова

высокопрочный бетон, базальтовое волокно, прочность бетона

Дата поступления в редакцию

15.03.2023

Дата принятия к печати

11.04.2023

и

Z м

О

-I

м

D CD

Введение л

Базальтовые (БВ) волокна в последнее время приобрели популярность в армировании бето- q на благодаря своей химической стойкости, экологичности, термостойкости и хорошим механиче- If ским характеристикам. Высокопрочный бетон (ВПБ) в настоящее время используется при строительстве высотных зданий, мостов, взлетно-посадочных полос аэропортов и дорожного покрытия. го Наиболее популярными высокопрочными волокнами являются углеродное волокно, стеклово- ^ j

локно и базальтовое волокно. По сравнению с другими волокнами, базальтовое волокно обладает ^ vq

Е s

превосходными характеристиками, то есть высоким соотношением прочности к весу, отличной ^ ф

пластичностью и долговечностью, высокой термостойкостью, хорошей коррозионной стойкостью 'j^

и экономичностью, и это было исследовано в течение десятилетий рядом исследователей [1 - 7]. >< ®

С момента его изобретения до наших дней некоторые исследования проводели о механических (( ¡5

и физических свойствах высокопрочного бетона. По данным N. N. Lam и L. V. Hung [8], использо- ^ $

_ го

вание базальтового волокна с разумным содержанием не влияет на удобоукладываемость смеси, 1 Ю

но увеличивает прочность на сжатие, изгиб, а также модуль упругости высокопрочного бетона. 2 s

° £

£ * О ц

и со

Далее они говорят что добавление 1,5% базальтового волокна в качестве объемной доли к высокопрочному бетону повышает значения прочности на сжатие и изгиб примерно на 8,5% по сравнению с образцом, не содержащим базальтового волокна. Согласно D. Wang, Y. Ju, H. Shen и L. Xu [9], прочность высокопрочного бетона, армированного базальтовыми волокнами с одним легированием, увеличивается с увеличением объемной доли волокна. Тем не менее, прочность на сжатие немного увеличивается, в то время как прочность на изгиб и растяжение значительно улучшается. T. M. Borhan [10] исследовал прочность на сжатие и растяжение при раскалывании ВПБ с небольшой объемной долей волокна в диапазоне от 0,1% до 0,5%. Результаты испытаний показали, что увеличение содержания базальтового волокна увеличивает прочность бетона на растяжение при раскалывании без существенного влияния на прочность бетона на сжатие. В этом исследовании сообщается также об уменьшении осадки бетона по мере увеличения объемного содержания базальтового волокна. Кроме того, Y. X. Yang и J. Lian [11] протестировали 480 образцов, чтобы определить механические свойства ВПБ и исследовать оптимальный объемной доли содержания базальтового волокна. Это исследование пришло к выводу, что добавление базальтовых волокон в бетон может увеличить прочность высокопрочного беона на сжатие, растяжение и изгиб. Кроме того, это исследование показало, что бетон с объемными долями базальтового волокна от 0,3% до 0,5% приводит к самому высокому измеренному увеличению прочности. H. A. A. Alaraza, M. Kharun и P.C. Chiadighikaobi провели исследование [12], в ходе которого они смешали разные образцы без базальтовых волокон и с ними в разном процентном соотношении, и обнаружили, что добавление базальтового волокна в бетон на основе модификатора привело к снижению прочность на сжатие, но значительно улучшилось его поведение при изгибе. D. Pickel, J. S. West и A. Alaskar [13] в своем эксперименте обнаружили, что базальтовые волокна обычно увеличивают прочность на растяжение и изгиб (модуль разрыва), но очень мало влияют на прочность на сжатие. и поведение после растрескивания, они также заметили, что волокна ломались во время макрорастрескивания. G. P. Jaysing и D. A. Joshi [14] впоследствии показали, что добавление базальтового волокна в бетон улучшает его механические свойства. S. V. Biradar, M. S. Dileep и T. V. Gowri [15] после смешивания бетона с базальтовым волокном в пропорции 0%; 0,1%; 0,3% и 0,5% обнаружили, что бетон с 0,3% базальтвого волокна имело высокий показатель прочности. P. L. Meyyappan и M. J. Carmichael [16] провели эксперимент на кубических и цилиндрических образцах путем добавления в бетонную смесь базальтовой фибры в разных фракциях 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; и 3% и смогли сделать вывод, что 1% объемной доли базальтовых волокон в бетоне оказывается оптимальным для улучшения прочностных свойств и что дальнейшее увеличение объемной доли базальтовых волокон имеет тенденцию к резкому снижению.

В связи с выше указанным анализом, целью нанного исследования является изучение влияния базальтовой фибры на механические и физические свойства с целью определения ее оптимальной объемной доли, которая может быть использована для улучшения характеристик высокопрочных бетонов.

Материалы

В ходе исследования для определения прочности высокопрочного бетона на сжатие и растяжение было изготовлено 48 призматических образцов с базальтовой фиброй и без нее размерами 100*100*400 мм для испытаний на изгиб и 54 кубических образца размерами 100*100*100 мм с базальтовой фиброй и без, для испытания на сжатие. В качестве вяжущего для изготовления

образцов использовали портландцемент (Ех^асеш М500 Б0) производства Уральской компании в России. Для уменьшения пористости и увеличения плотности бетона использовали микрокремнезем. В таблицах 1 и 2 представлены свойства и компоненты портландцемента и микрокремнезема соответственно.

Таблица 1

Свойства портландцемента (Ех1гасеш 500 Б0)

Оксид(%) Тонкость Плотность

ЭЮ2 Бе203 МдО Б03 А1203 СаО К2О Ю1 (ш2/кд)

19,52 4,04 4,36 2,89 4,81 62,18 0,6 1,62 387 3,14

Таблица 2

Свойства микрокремнезема МК-85

Индекс Значение, %

Внешний вид серый

Массовая доля микрокремнезема в кросс. сухой продукции, % не менее 99,6

Массовая доля воды, % не более 0,36

Массовая доля потерь при прокаливании,% не более 0,80

Насыпная плотность, кг/м3 152,2

Химический состав Значение, %

Массовая доля диоксида кремния (8Ю2) 90 - 92

Массовая доля глинозема (А1203) 0,68

Массовая доля оксида железа (Бе203) 0,69

Массовая доля оксида кальция (СаО) 1.58

Массовая доля оксида магния (М§0) 1.01

Массовая доля оксида натрия (№20) 0.61

Массовая доля оксида калия (К20) 1.23

Массовая доля углерода (С) 0.98

Массовая доля серы (8) 0.26

Использовали кварцевый песок, суперпластификатор и кварцевую муку. Базальтовое волокно, вносимое в разном процентном соотношении, гранитный щебень и водопроводная вода. В следующей таблице приведены свойства базальтового волокна, используемого для этой цели.

Таблица 3

Свойства рубленого базальтового волокна

Длина (мм) Диаметр (цм) Растяжение прочности (МПа) Модуль Юнга (ГПа) Удлинение (%) Удельный вес

18 18 4100 - 4840 93,1 - 110 3,1 2,63 - 2,8

03

г

м О

-I

м

Э СО

.о н

и

0

1

т о а

I ?

X -о

¡1

1 в

* >5

а о

2 ¡5

£ *

2 ¡8 ш и

■т ге I ю

> Щ

§1 и со

Рис. 1. 18 мм рубленое базальтовое волокно Оборудование и методика испытаний

В ходе данного исследования были проведены испытания трех кубических образцов при каждом испытании на сопротивление сжатию и двух призматических образцов на сопротивление изгибу в течение 7-х, 14-х и 28-х суток для каждого процента базальтовых волокон с объемными долями 0%; 0,9%; 1,2%; 1,5% и 1,8%. Отношение вода/цемент составляло 0,375. За исключением базальтового волокна, все образцы были смешаны с одинаковой пропорцией материалов. Для испытаний на сжатие и изгиб использовалась машина для сжатия бетона марки Ма1е81 (С025А). В таблице 4 показано количество материалов, использованных для смеси.

Таблица 4

Материалы для смешивания ВПБ (кг/м3)

Цемент Микро кремнезём Щебень Фракции 10 - 20 мм Песок Кварцевая мука Пластификатор Вода

500 125 1005 585 100 12,5 187,5

Результаты и обсуждения

Прочность на сжатие

Согласно результатам испытаний, объемная доля базальтового волокна 1,2% была бы идеальной для повышения прочности на сжатие бетона с высокими эксплуатационными характеристиками. Результаты показывают нам, что объемная доля больше, чем это, приведет к снижению прочности. После введения 1,2% базальтового волокна полученная прочность на сжатие составила 102,5 Мпа на 28-й день. Результаты испытаний на сжатие после 7-х и 28-х суток составили соответственно 85 МПа и 101,4 МПа для смеси, содержащей 0 % базальтовых волокон, и 88 МПа и 102,5 МПа для смеси, содержащей 1,2 % % базальтовых волокон. Для других объемных долей 0%; 0,6%; 0,9%; 1,5% и 1,8% базальтового волокна, результаты, полученные на 28-й день, составили 94,03 МПа, 92,6 МПа, 97,12 МПа и 95,7 МПа соответственно. Рисунки 2 и 3 иллюстрируют влияние базальтового волокна на прочность на сжатие в зависимости от объемной доли и времени.

Рис. 2. Прочность на сжатие при различном процентном содержании базальтового волокна

03

г

м О

-I

м

Э СО

Рис. 3. Прочность на сжатие через 7, 14 и 28 дней для различных смесей

Прочность на растяжение

Результаты испытаний на изгиб были получены в соответствии с номером теста А8ТМ С293/ С293М [17], который основан на трехточечном испытании на изгиб. Для каждой комбинации на рис. 4 показано влияние процентного содержания базальтового волокна на прочность на растяжение, а на рис. 5 показано влияние продолжительности отверждения на прочность на растяжение. Результаты показывают, что увеличение объемной доли БВ с 14,1 МПа для эталонной смеси до 18,81 МПа для фракции БВ 1,2% увеличивает прочность на растяжение ВПБ. Фундаментальной причиной более высокой прочности базальтового волокна на растяжение является большее спутывание волокон и цементирующей матрицы.

Рис. 4 и 5 см. на следующей странице

Л н

и

0

1

т о а

I ?

X -о

¡1

1 в

* >5

а о

2 ¡5

£ *

2 ¡8 ш и

■т ге I ю

> Щ

§1 и со

Рис. 4. Прочность на изгиб с различным процентным содержанием базальтового волокна

Рис. 5.Прочность на изгиб через 7 и 28 дней

Заключение

После этого экспериментального исследования, основанного на влиянии базальтового волокна на прочность высокопрочного бетона, результаты показывают, что базальтовое волокно оказывает хорошее влияние на прочность на изгиб высокопрочного бетона, но отрицательно влияет на прочность на сжатие при определенной объемной доле. Прочность на сжатие через 7 суток составила 85 МПа, 82,5 МПа, 83,9 МПа, 88 МПа, 81 Мпа и 89 Мпа для 0; 0,6 ; 0,9; 1,2; 1,5 и 1,8 % базальтовых волокон. Все эти значения увеличились через 28 дней до 101,4 ; 94,03; 92,6; 102,5; 97,12 и 95,7МПа для тех же процентов базальтовых волокон соответственно. На прочность при изгибе 13,1; 14,25; 16,33; 17,1; 17 и 16,95 МПа после семидневной выдержки с 0; 0,6; 0,9; 1,2; 1,5 и 1,8 % базальтового волокна. Результаты показали 14,1; 15,1; 17,1; 18,81; 18 и 18,15 МПа для 28-дневного периода твердения.

Библиографический список

1. J. Sim, C. Park and D. Y. Moon, "Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures", Composites Part B: Engineering, 36(6), pp. 504 - 12, 2005.

2. J. M. Park, W. G. Shin and D. J. Yoon, "A study of interfacial aspects of epoxy-based composites reinforced with dual basalt and SiC fibres by means of the fragmentation and acoustic emission techniques", Composites Science and Technology, 59(3), pp. 355 - 70, 1999.

3. S. Matko, et al., "Use of reactive surfactants in basalt fiber reinforced polypropylene composites", Macromolecular Symposia, 202, pp. 255 - 68, 2003.

4. T. Czigany, "Basalt fiber reinforced hybrid polymer composites", Materials Science Forum, 473, pp. 59 - 66,2005.

5. P. I. Bashtannik, V. G. Ovcharenko and Y. A. Boot, "Effect of combined extrusion parameters on mechanical properties of basalt fiber-reinforced plastics based on polypropylene", Mechanics of Composite Materials, 33(6), pp. 600 - 603, 1997.

6. S. Ozttirk, "The effect of fibre content on the mechanical properties of hemp and basalt fibre reinforced phenol formaldehyde composites", Journal of Materials Science, 40(17), pp. 4585 - 4592, 2005.

7. S. E. Artemenko, "Polymer composite materials made from carbon, basalt, and glass fibres. Structure and properties", Fibre Chemistry, 35(3), pp. 226 - 229, 2003.

8. N. N. Lam and L. V. Hung, "Mechanical And Shrinkage Behavior of Basalt Fiber Reinforced Ultra-High-Performance Concrete", International Journal of GEOMATE, 20(78), pp. 28 - 35, 2021.

9. D. Wang, Y. Ju, H. Shen and L. Xu, "Mechanical properties of high performance concrete reinforced with basalt fiber and polypropylene fiber", Construction and Building Materials, 197, pp. 464 - 473, 2019.

10. T. M. Borhan, "Thermal and mechanical properties of basalt fibre reinforced concrete", International Journal of Civil, Environmental, Structural, Construction and Architectural Engineering, 7(4), 2013.

11. Y. X. Yang and J. Lian, "Basalt Fibre Reinforced Concrete", Journal of Advanced Materials Research, pp. 194-196 (2011).

12. H. A. A. Alaraza, M. Kharun and P. C. Chiadighikaobi, "The effect of minibars basalt fiber fraction on mechanical properties of high-performance concrete", Cogent Engineering, 9(1), 2136603, 2022.

13. D. Pickel, J. S. West and A. Alaskar, "Use of Basalt Fibers in Fiber-Reinforced Concrete", American Concrete Institute, 115(6), pp. 867 - 876, 2018.

14. G. Pravin, D. Joshi and D. Y. Patil, "Performance of Basalt Fiber in Concrete", International Journal of Science and Research, 3(5), pp. 1372 - 1373, 2014.

15. S. V. Biradar, M. S. Dileep and T. V. Gowri, "Studies of Concrete Mechanical Properties with Basalt Fibers", IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 1006 012031, 2020.

16. P. L. Meyyappan and M. Carmichael, "A comparative Investigation on the Utilization of Marble Dust and Granite Dust in the Cement Mortar Against the Sulphate Resistance", Lecture Notes in Civil Engineering, 97, pp. 523 - 532, 2021.

17. ASTM C293/C293M-16 "Standard Test Method for Flexural Strength of Concrete (Using Simple Beam With Center-Point Loading)", ASTM International, 2016.

и z

м О

-I

м

D CD

I-

и

0

1 J

о a

si s

s f

U

1 e

* >s О. о

2 ¡5

i $

s is

mi и

■т re

I VO > Щ

Si

Zl

(J to

THE EFFECT OF BASALT FIBER ON THE STRENGTH OF HIGH-STRENGTH CONCRETE

Sonomu Nema Harun Mahmud

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow

Abstract

The study studied the physical and mechanical properties of high-strength concrete (HSC) reinforced with basalt fiber, as well as the influence of basalt fiber with a volume fraction 0%; 0,6%; 0,9%; 1,2%; 1,5% and 1.8% on compression and bending resistance. The results of this study showed a decrease in compres-sive strength at a certain percentage of basalt fibers and found that basalt fibers prevent the propagation of cracks. In short, the effect of basalt fiber on flexural strength was positive, and we can understand that basalt fiber affected the physical and mechanical properties of high-performance concrete in this study.

The Keywords

high-strength concrete, basalt fiber, concrete strength

Date of receipt in edition

15.03.2023

Date of acceptance for printing

11.04.2023

Ссылка для цитирования:

Соному Нема, Харун Махмуд. Влияние базальтовой фибры на прочность высопрочного бетона. — Системные технологии. — 2023. — № 2 (47). — С. 43 - 50.