Анализ поведения фибробетона, армированного синтетической макрофиброй, под нагрузкой при изгибе

Статья публикуется по результатам проведения научно-исследовательской работы, проводимой в рамках конкурса грантов на выполнение научноисследовательских работ научнопедагогическими работниками СПбГАСУ (ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет») в 2024 году.

В настоящее время коллективом преподавателей кафедры технологии строительных материалов и метрологии Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета продолжается исследование свойств дисперсно-армированных бетонов, изготовленных с применением различных видов фибры [1-3]. Серьезным ограничением на пути расширения использования дисперсно-армированных бетонов в практике современного строительства остается недостаточная степень их изученности. При этом, представляются очевидными такие преимущества фибробетонов как повышенная прочность и трещиностойкость. В рамках настоящего исследования анализи- руется поведение под нагрузкой фибробетона, изготовленного с применением синтетической макрофибры Durus S500 [4, 5].

Для проведения испытаний трещино-стойкости была изготовлена серия образцов-призм размерами 7×7×28 см. А для оценки напряженно-деформированного состояния была изготовлена серия образцов-призм размерами 15×15×60 см. Перед началом испытаний, как того требует ГОСТ 29167-2021, в образцах делались начальные надрезы, в растянутой и сжатой гранях образцов в серединах пролетов: глубиной, соответственно, 2,5 и 0,5 см в образцах длиной 28 см и 5 и 1 см в образцах длиной 60 см [6-8].

В качестве матрицы был выбран мелкозернистый бетон. Состав бетона подбирался в соответствии с положениями РТМ 505-2009 «Руководящие технические материалы по проектированию, изготовлению и применению сталефибробетонных конструкций на фибре из тонкой стальной проволоки». В ходе расчета состава было получено цементно-песчаное соотношение 1:3,52 и водоцементное отношение 0,61.

Для приготовления фибробетонной смеси был использован кварцевый песок с модулем крупности 2,34 и бездобавочный портландцемент класса ЦЕМ I 42,5 Н. Перемешивание фибробетонной смеси производилось в лабораторном двухвальном смесителе. Уплотнение смеси осуществлялось на лабораторной виброплощадке. Твердение образцов происходило в шкафу нормально твердения, при температуре 20±2°C и влажности >98% в течение 28 суток.

Испытания трещиностойкости образцов производилось в соответствии с положениями ГОСТ 29167-2021. Указанный ГОСТ регламентирует порядок построения диаграмм деформирования образцов под нагрузкой при изгибе и методику обработки таких диаграмм до получения численных значений характеристик трещино-стойкости.

Некоторые из диаграмм, полученных в ходе настоящего исследования представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Диаграммы деформирования образцов бетона и фибробетона размерами 7×7×28 см под нагрузкой при изгибе

На рисунке 1, б показаны полные диаграммы деформирования фибробетона под нагрузкой, а на рисунке 1, а – начала диаграмм, для более детального рассморения зоны упругих деформаций. На рисунке 1, а, б видна диаграмма разрушения неармированного образца. В начале, при действии нагрузки развивается упругая деформация, характеризующаяся линейно возрастающим участком диаграммы, затем следует упругопластическая деформация, которая характеризуется нелинейно восходящим участком, после чего происходит образование магистральной трещины, разделяющей образец на части, это описывается резко нисходящей ветвью диаграммы деформирования.

Фибробетонные образцы разрушаются по иному механизму. Следует отметить, что полипропиленовая фибра Durus S500 представляет собой разновидность низкомодульных волокон, которые вытягиваются из матрицы при разрушении фибробетона, и сами при этом не разрываются. В началах диаграмм наблюдается линейно возрастающий участок (зона упругих деформаций), после которого следует нелинейно возрастаюзий участок упругопластических деформаций, а после образвания магистральной трещины происходит перераспределение напряжений, преимущественно на волокна, и они начинают вытягиваться, продолжая воспринимать при этом нагрузку. Этот процесс вытягивания волокон описывается сложной зависимостью, которая на графике имеет резко нисходящий участок, затем нелинейно возрастающий и делее – плавно нисходящий. Резко нисходящий участок характеризует процесс перераспределения напряжений, плавно возрастающий – собственное удлинение волокон и их проскальзывание в матрице, а нелинейно нисходящий – выскальзывание волокон с постепенным выключением их из работы материала под нагрузкой. Таким образом на диаграммах формируется два пика: первый – характеризует работу, в основном, матрицы, а второй – работу преимущественно волокон.

Численные выражения указанных эффектов представлены в таблице 1 в виде силовых и энергетических характеристик трещиностойкости.

Таблица 1. Результаты испытаний силовых и энергетических характеристик трещино-стойкости

Характеристика трещиностойкости	Содержание фибры, % об.
	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1	1,2	1,4
Удельные энергозатраты на статическое разрушение до момента начала движения магистральной трещины, G i , Дж/м2	6,29	11,20	10,29	7,96	10,99	12,40	13,18	9,42
Удельные эффективные энергозатраты на статическое разрушение, G f , Дж/м2	13	29	6046	7983	8252	10838	10244	8681
Критический коэффициент интенсивности напряжений, К с , МПа·м0,5	0,35	0,49	0,56	0,50	0,51	0,49	0,48	0,42
J – интеграл, Дж/м2	4,12	7,27	7,65	5,81	7,43	8,70	8,46	6,33
Прочность на растяжение при изгибе, R изг , МПа	2,6	3,7	4,7	5,2	6,1	8,2	6,8	7,5

По представленным в таблице 1 данным видно, что, пусть и с некоторым разбросом, но численные значения удельных энергозатрат на статическое разрушение до момента начала движения магистральной трещины, Gi, критического коэффициента интенсивности напряжений, Кс и J – интеграла, изменяются незначительно. Это объясняется тем, что перечисленные характеристики определяются по координатам первых пиков диаграмм деформирования. Как было сказано выше первые пики характеризуют работу в основном матрицы, а низкомодульные волокна, которыми является фибра Durus S500, не могут существенно влиять на координаты этих пиков [9]. При этом удельные эффективные энергозатраты на статическое разрушение, Gf и прочность на растяжение при изгибе, Rизг, возрастают пропорционально расходу волокон. Это объясняется расположением вторых пиков в осях диаграмм деформирования и площадями под участками этих диаграмм, характеризующих пластическое деформирование образцов и вытягивание волокон из матрицы. Полученные результаты хорошо согласуются и с полученными ранее данными [6, 7].

В рамках настоящего исследования была предпринята попытка оценить характер напряженно-деформированного состояния фибробетона другим способом. Для этого была разработана специальная установка, включающая нагружающее устройство и систему измерительных приборов. Нагружающий механизм обеспечивает трехточечный изгиб образцов, а система датчиков включает датчики для контроля прогибов образцов, прилагаемой нагрузки и шестнадцать тензорезисторов, которые можно приклеивать в произвольных местах образца. Все измерительные приборы опрашиваются попеременно и полученные данные отправляются в компьютер и отображаются в виде соответствующих диаграмм. Установка была разработана специально для проведения испытаний образцов размерами 15×15×60 см. Разработанная установка показана на рисунке 2.

Рис. 2. Общий вид разработанной установки

На рисунке 2 видно, что испытание производится по схеме трехточечного изгиба. Верхней грани образца касаются 4 датчика контроля прогибов, а в точке приложения нагрузки предусмотрен датчик контроля ее величины, также видно, что к поверхности образца приклеено 10 фольговых тензорезисторов.

(в показанном на рисунке 2 испытании 6 каналов тензостанции задействовано не было).

На рисунке 3 показано раскрытие трещины в образце фиброебетона и пересечение ее волокнами, фоторгафия сделана в конце испытания.

Рис. 3. Раскрытие трещины в фибробетонном образце в конце испытания

Испытание на описанной установке выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ 29167-2021, то есть строится диаграмма деформирования образца под нагрузкой при изгибе, при этом применение тензорезисторов позволяет дополнить картину их показаниями.

Одна из диаграмм деформирования, полученных в ходе испытания образца фибробетона размерами 15×15×60 см, проведенного с применением разработанной установки показана на рисунке 4.

Рис. 4. Диаграмма деформирования образца фибробетона размерами 15×15×60 см под нагрузкой при изгибе: а – начало диаграммы деформирования, б – полная диаграмма деформирования

По рисунке 4 видно, что диаграмма деформирования имеет те же характерные особенности, которые были показаны на рисунке 1. На рисунке 4 нанесена пунктирная прямая, совпадающая с упругой зоной диаграммы деформирования образца. Видно, что возрастающий участок пе- рестает быть линейным при нагрузке в 6,59 кН.

На рисунке 5 показаны зависимости показаний тензорезисторов и силоизмерите-ля от условного времени, то есть в порядке их получения в ходе испытания фибробетонного образца, армированного 1% об. фибры Durus S500.

Рис. 5. Зависимости показаний тензорезисторов и силоизмерителя от условного времени, при испытании фибробетонного образца

На рисунке 5 видна пунктирная вертикаль, которая показывает нагрузку, соответствующую моменту окончания действия упругих деформаций, определенную по диаграмме на рисунке 4. Также на рисунке 5 отражены показания только двух тензорезисторов, самого растянутого и самого сжатого, поскольку при добавлении остальных восьми картина оказывается перегруженной и трудноанализируемой.

По графикам на рисунке 5 видно, что сжатый тензорезистор при увеличении действующей нагрузки закономерно увеличивает свои показания, а растянутый – закономерно уменьшает.

На рис. 6 показаны зависимости показаний тензорезисторов и силоизмерителя от условного времени, то есть в порядке их получения в ходе испытания неармиро-ванного образца.

Рис. 6. Зависимости показаний тензорезисторов и силоизмерителя от условного времени, при испытании неармированного образца

По графикам на рисунке 5 и 6 видно, что напряженно-деформированное состояние фибробетонного и неармированного бетонного образца практически не отли- чаются, что подтверждает такой вывод что низкомодульная фибра не может выступать в качестве упрочнителя.