Результаты испытаний модуля упругости фибробетона

Фибробетон – композиционный материал, представляющий собой бетонную матрицу, чаще всего изготовленную на основе цементного вяжущего, по всему объему которой равномерно распределены дискретные волокна.

Композиционный материал или композит – природный или искусственный материал, изготовленный из двух и более разнородных компонентов с четкой границей раздела, свойства которого не являются простой суперпозицией свойств исходных компонентов.

Для дисперсного армирования бетона в настоящее время могут применяться различные виды металлических, минеральных и синтетических волокон, которые можно классифицировать на низкомодульные и высокомодульные. Такая классификация связана с модулем упругости этих волокон: если он ниже модуля упругости бетона, то волокна считаются низкомодульны- ми, а если выше, то высокомодульными [12].

В соответствии с данными выше определениями фибробетона и композита получается, что дисперсное армирование бетона высокомодульными волокнами должно способствовать повышению модуля упругости получаемого фибробетона.

В ходе литературного обзора было найдено несколько работ, посвященных оценке степени влияния параметров дисперсного армирования на модуль упругости фибробетона.

И.А. Леонович и А.А. Леонович в своей научной статье описывают результаты определения модуля упругости фибробетона расчетным путем, и показывают, что он повышается пропорционально расходу стальных и стеклянных волокон и снижается при введении полипропиленовых волокон [3]. Похожие результаты приведены и в другой работе И.А. Леонович, А.С. Игнатенкова и А.А. Савостеенко [4].

Е.М. Щербань, С.А. Стельмах, М.Г. Холодняк и др. в своей научной работе результаты испытаний модуля упругости фибробетонных образцов и делают вывод, что модуль упругости фибробетонных образцов увеличивается по сравнению с бетонными образцами, а характер разрушения при этом переходит из хрупкого в вязкопластичный [5].

В.И. Клещевникова, А.С. Логвинова и С.В. Беляева в своей работе также приводят данные о повышении модуля упругости фибробетона при введении высокомодульных волокон [6].

Панин А.Н. в своей научной работе приводит уравнение, в соответствии с которым модуль упругости сталефибробето-на связан прямой зависимостью с расходом стальных волокон [7]. В.Д. Харлаб и Д.А. Смирнов в своей работе также приводят такие уравнения [8].

Е.Е. Ибе и А. В. Шугурова в своей работе также приводят данные о повышенном модуле упругости фибробетона [9].

Из приведенного литературного обзора видно, что существует достаточно много научных работ, посвященных оценке степени влияния параметров дисперсного армирования на модуль упругости, однако результаты его экспериментального определения немногочисленны, чем и объясняется актуальность данного направления.

Авторами данного исследования была предпринята попытка произвести испытания модуля упругости бетона и фибробетона. В качестве матрицы был выбран мелкозернистый бетон, класса по прочности В20. Расход цемента составил 450 кг/м3 , расход песка составил 1670 кг/м3 , расход воды составил 315 л/м3 . Для приготовления фибробетонной смеси был использован кварцевый песок с модулем крупности Мкр=2,34 и бездобавочный портландцемент класса ЦЕМ I 42,5 Н по ГОСТ 31108. Для дисперсного армирования применялась базальтовая фибра длиной 12 мм диаметром 18 мкм, синтетическая полипропиленовая фибра «Fibrin XT» длиной 12 мм и диаметром 0,025 мм, стальная проволочная фибра круглого се- чения волнового профиля диаметром 0,3 мм и длиной 22 мм. Перемешивание фибробетонной смеси производилось в лабораторном двухвальном смесителе. Уплотнение смеси осуществлялось на лабораторной виброплощадке. Твердение образцов происходило в шкафу нормального твердения в течении 28 суток при температуре 18±2°С и влажности более 95%. Испытания проводились в соответствии с положениями ГОСТ 24452-80 «Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона».

В результате проведения испытаний было установлено, что модуль упругости сталефибробетона повышается при введении 1% стальной фибры на 5,2%, с 43120 МПа до 45371 Мпа [10]. Модуль упругости базальтофибробетона понижается при введении 1% базальтовой фибры на 12%, с 32353 МПа до 28344 Мпа [10]. Модуль упругости такого фибробетона понижается при введении 1% полипропиленовой фибры «Fibrin XT» на 21%, с 34174 МПа до 27019 Мпа [10]. В результате выполнения работы было отмечено снижение средней плотности фибробетона при введении любого вида фибры из перечисленных, по сравнению с неармирован-ным бетоном, чем и объяснялось снижение модуля упругости.

С целью минимизации данного фактора было принято решение повторить описанный эксперимент. Были применены различные режимы уплотнения фибробетонных смесей, увеличивалось время вибрирования и применялся пригруз, однако, принятые меры не позволили увеличить среднюю плотность фибробетона до уровня неармированного бетона. При повторении эксперимента было отмечено, что основное влияние на среднюю плотность фибробетона оказывает вовлеченный при перемешивании смесей воздух. Было принято решение исключить его вовлечение путем перемешивания фибробетонной смеси в вакууме.

Специально для этого был разработан вакуумный бетоносмеситель, представленный на рисунке 1.

Рис. 1. Вакуумный бетоносмеситель: слева – смеситель со снятой емкостью для перемешивания; справа – готовый к работе смеситель

Разработанный смеситель представляет собой герметичную емкость, внутри которой закреплен электродвигатель с понижающим редуктором и лопастью. Нижнюю часть емкости можно снять для загрузки компонентов смеси, после чего установить снова установить ее на смеситель. Затем начинается перемешивание смеси и, с помощью вакуумного насоса, в смесителе создается разрежение до – 0,7 атм. После окончания перемешивания следует повысить давление в смесителе до атмосферного, а затем снять емкость для перемешивания. Из полученной фибробетонной смеси можно изготовить фибробетонные образцы для дальнейших испытаний модуля упругости.

Описанный выше эксперимент был повторен, при этом, в процесс изготовления образцов было включено перемешивание смеси при пониженном давлении. Изготовленные фибробетонные образцы также были испытаны в соответствии с положениями ГОСТ 24452-80.

В результате проведенных испытаний было установлено, что средняя плотность сталефибробетона, без учета собственного веса стальной фибры, отличается от плотности неармированного бетона примерно на 1%. При этом, введение 1% стальной фибры по объему приводит к повышению модуля упругости фибробетона на 17%, с 27429 МПа до 32073 МПа. При введении базальтовой фибры средняя плотность фибробетона отличается от неармирован-ного бетона примерно на 0,3%. При этом, введение 1% по объему базальтовой фибры приводит к повышению модуля упругости на 2%: с 27429 МПа до 27979 МПа. Средняя плотность фибробетона, армированного 1% по объему фибры «Fibrin XT», снижается приблизительно на 3%. При этом, модуль упругости такого фибробетона снижается на 2,8%: с 27429 МПа до 26652 МПа.