Исследование характеристик сталефибробетона при растяжении

В статье автор исследует целесообразность введения стальных волокон в бетонную матрицу. В данной работе автор демонстрирует, как введение стальных волокон в бетонную матрицу может повысить ее механические характеристики, в частности характеристики растяжения.

Ключевые слова : бетон, стальная фибра, фибробетон, растяжение.

1 Краткое содержание

Сталефибробетон (СФБ) стал инновационным материалом в строительной отрасли, сочетающим в себе преимущества традиционного бетона с армирующими свойствами стальных волокон. В настоящем исследовании основное внимание уделяется анализу характеристик сжатия и растяжения СФБ, его механических свойств, факторов, влияющих на его прочность, и его практического применения. Экспериментальные результаты показывают, что СФБ демонстрирует более высокую прочность на сжатие и растяжение, чем обычный бетон, даже при наличии трещин, благодаря положительному влиянию стальных волокон. В данной статье рассматриваются характеристики растяжения B30 и B60, дается обзор механизмов улучшения механических свойств, экспериментальных результатов и практических приложений. Мы обсудим преимущества добавления стальной фибры в бетон, а также проблемы, связанные с ее использованием.

1.1 Введение

Бетон является одним из наиболее широко используемых материалов в строительной отрасли, известным своей прочностью на сжатие и растяжение. Однако его порой сложная область применения обуславливает его хрупкость, склонность к растрескиванию, пластичность, разбухание, изгиб и растяжение, что ограничивает его эффективность во многих строительных применениях. Для преодоления этих ограничений были проведены исследования по интеграции стальных волокон в бетонную матрицу для создания бетона, армированного стальной фиброй. СФБ улучшает не только прочность на растяжение, но и сжатие, что важно для многих конструкций, включая плиты, балки и сборные элементы.

Целью данного исследования является тщательное изучение характеристик растяжения СФБ, анализ механизмов улучшения механических свойств, результатов экспериментальных испытаний и практических последствий.

2 Использованные материалы

Материалы, используемые для приготовления высокопрочного фибробетона: портландцемент КПЖ ЦЕМ II42,5 (ГОСТ 31108-2020 и ГОСТ 30515-2013), универсальный кварцевый песок (0-2,5 мм) с сухой фракцией 0-2,5 мм, определяемой по ГОСТ 8736-2014, а также добавка (Микросилика-МКУ-85) по ГОСТ Р 58894-2020, суперпластификатор (MS-POWERFLOW 6955) и стальная фибра диаметром 0,3 и длиной 30 мм, определяемая по ГОСТ Р 57407-2017.

2.1 Подбор составов бетонных смесей

Следует отметить, что для получения требуемого класса бетона (Rb) в среднем необходимо водоцементное отношение (В/Ц) и содержание (активного) используемого цемента.

где В/Ц — водоцементное отношение;

А — коэффициент для низкокачественных материалов;

R _ц — активность цемента МПа;

R _б - средняя прочностью бетона класса В80–80 Мпа;

Для бетона класса В80, М(500) цемент Potland Composit CM I-(42,5 МПа); ГОСТ 26633–91.

В зависимости от зернистости песка, его количество может увеличиваться до 1500 кг/м3.

Таблица 1

2.2 Поведение при растяжении

СФБ ведет себя при растяжении иначе, чем традиционный бетон. Испытания на растяжение показали, что СФБ обладает большей способностью выдерживать нагрузки даже в случае образования трещин. Это связано с наличием стальных волокон, которые, образуя сетку в бетоне, ограничивают и замедляют распространение трещин. Таким образом, даже когда бетон начинает трескаться, волокна могут продолжать поглощать и перераспределять нагрузку, позволяя материалу сохранять часть своей прочности.

3 Экспериментальные исследования

3.1 Методология

Образцы готовились путем добавления в смесь стальных волокон в различных пропорциях. Затем образцы были выдержаны в условиях естественного окружающего воздуха, после чего были подвергнуты испытаниям на растяжение, см. рис. 6, 7.

Испытания на растяжение образцов СФБ проводятся на ньютоновской пресс-машине усилием 600 кН и 1000 кН в соответствии со стандартом для определения прочности бетона на сжатие. Метод заключался во взвешивании каждого образца перед его установкой на компьютеризированную пресс-машину.

3.2 Результаты теста

Таблица 2

Результаты испытаний бетонных образцов-кубов и призм при растяжении

Результаты испытаний показывают, что прочность на растяжение у СФБ значительно выше, чем у бетона. Так, образцы, содержащие 1,85 % стальной фибры, показали увеличение прочности на растяжение почти вдвое по сравнению с прочностью обычного бетона. Аналогичным образом, добавление 1,91 % стальных волокон в образцы бетонной матрицы также увеличило прочность на растяжение образцов бетона B60, содержащих добавку (Microsilica MKY-85) и пластификатор (MS-POWERFLOW 6955), в два раза. Кроме того, испытания показывают, что СФБ сохраняет значительную прочность даже после растрескивания, что подчеркивает его эффективность как экологически чистого строительного материала.

Экспериментальные результаты анализируются с использованием статистических методов для определения корреляции между содержанием волокон и прочностью на растяжение. Для оценки значимых различий между группами выборок можно использовать дисперсионный анализ.

Таблица 3

Отклонение теоретических значений начального модуля упругости от экспериментальных для образцов серий В30 и В60

Таблица 4

Отклонение теоретических значений призматической прочности от экспериментальных значений для образцов бетона В30 и В60

4 Заключение

Исследование прочностных свойств сталефибробетона показывает, что он является перспективным материалом для будущего строительства. Благодаря значительному улучшению прочности на растяжение и трещиностойкости СФБ обладает существенными преимуществами по сравнению с традиционным бетоном. По мере продолжения исследований и совершенствования методов внедрения СФБ может стать предпочтительным выбором в гражданском строительстве и архитектуре, помогая создавать более устойчивые и надежные конструкции для глубокого подземного применения и с более сложными формами.

Литература:

1. Лакасс, К. (2011). Экспериментальное и аналитическое исследование поведения при сжатии и изгибе композитных колонн, частично покрытых высокопрочным бетоном и бетоном, армированным металлическими волокнами [Докторская диссертация, Политехническая школа Монреаля]. ПолиПубликация.(https://publications.polymtl.ca/567/)
2. Вестник Череповецкого государственного университета 2012, № 4, Т. 2
3. Голубев, В. Ю. Высокопрочный бетон повышенной вязкости разрушения;
4. ACI Committee 544. (2008). *Guide for Specifying, Proportioning, and Production of Steel Fiber Reinforced Concrete*. American Concrete Institute.
5. Banthia, N., & Gupta, R. (2006). «Flexural Behavior of Steel Fiber Reinforced Concrete Beams». *Journal of Materials in Civil Engineering*, 18(3), 397–404.
6. Межгосударственный Стандартгост 7473–2010 ( https://meganorm.ru/Data2/1/4293801/4293801374.pdf )
7. ГОСТ 27006— 86 Бетоны. Правила подбора состава
8. ГОСТ 30108— 94 Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов
9. Хегай, О. Н. Прочность элементов сталефибробтеонных конструкций при растяжении и изгибе с учетом неоднородности распределения фибр: дис…канд. техн. наук / О. Н. Хегай; ЛенЗНИИЭП. — Л., 1986.
10. Bentur, A., Mindess, S., 2007, Fibre Reinforced Cementitious. Composites, 2nd edition, Taylor & Francis, Abingdon, UK — 2007–601 p.
11. Хегай А. О. Внецентренно сжатые элементы из фибробетона, армированные высокопрочной арматурой: Дис.... канд. техн. наук /.СПбГАСУ. — СПб., 2011
12. Malier, Y. «les bétons à hautes performances -caractérisation, durabilité, applications». Presse de l’école nationale des ponts et chaussées, France, 1992.