ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФИБРОБЕТОНА

Ширинзаде И.Н.¹, Ахмедов Н.М.²

¹ОРСID: 0000-0002-9847-6079, Доктор технических наук, профессор, ²Старший преподаватель, Азербайджанский Архитектурно-Строительный Университет

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФИБРОБЕТОНА

 Аннотация

Обеспечение эффективности при строительстве, реконструкции и ремонте транспортных сооружений может быть достигнуто использованием фибробетона, обладающим высокими деформационными свойствами. В данной статье рассмотрена возможность использования комплексных добавок для оптимизации состава фибробетона с высокими деформационными свойствами. Было установлено, что использование химических и ултрадисперсных добавок в составе фибробетона в значительной степени повышает прочность на сжатие и изгиб. Это связано с тем, что применение стальной фибры позволяет выполнить армирование бетона по всему объему равномерно, что благоприятно влияет на распределение напряжений в бетонном массиве и приводит к уменьшению напряжений в опасных зонах.

Ключевые слова: фибробетон, стальные фибры, трещиностойкость, микродисперсные добавки, химические добавки.

Shirinzade I.N.¹,  Аhmedov N.М.²

¹ОРСID: 0000-0002-9847-6079, PhD in Engineering, professor, ²Senior lecturer, Azerbaijan Architecture and Construction University

 WAYS OF IMPROVING THE EFFICIENCY OF FIBER CONCRETE

Abstract

Ensuring the effectiveness of the construction, reconstruction and repair of transport facilities can be achieved using fiber concrete, having high deformation properties. This article describes the use of complex additives to optimize fiber concrete structure with high deformability properties. It has been found that the use of chemical additives and a fine fiber concrete composition greatly increases the compressive strength and flexural strength. This is related with use of steel fiber which makes available concrete reinforcement on whole volume equally; therefore it positively affects on distribution of voltage in concrete and led to decrease of voltage dangerous places.

Keywords: fiber concrete, steel fibers, crack resistance, microfine additives, chemical additives.

Очень сложные и жесткие эксплуатационные условия, в которых работают дорожные покрытия, предусматривают особые требования, предъявляемые к материалам. Цементобетонные покрытия автомобильных дорог работают в условиях сложного напряженного состояния под действием повторных динамических нагрузок от автомобилей. В то же время для искусственных конгломератов на основе цемента (бетон также является конгломератом) характерно наличие внутреннего напряженного состояние, которое показывает, что он состоит из различных материалов и в течении длительного периода продолжается процесс твердения.

Основным материалом, формирующим свойства дорожных бетонов, является портландцемент. Высокие требования, предъявляемые при изготовлении бетонов для дорожных покрытий, требуют использовать специальные виды цемента. Основным вяжущим материалом в цементобетонных покрытиях автомобильных дорог является пластифицированный и гидрофобный портландцемент.

Для улучшения свойств бетонов при строительстве, реконструкции и ремонте транспортных сооружений используется дисперсное армирование [1 р. 61, 2 р.60,  3]. Для повышения эффективности использования фибробетона требуется их оптимизация на макро (подбор оптимального количества фиброматериала) и микро (применение вяжущих материалов, модифицированных химическими и дисперсными добавками) уровне.

В данной статье рассмотрено применение модифицированных вяжущих материалов для повышения эффективности фибробетона на микроуровня.

Улучшение и регулирование свойств бетона и его основного компонента – портландцемента, невозможно без модификаторов. Использование модификаторов является одним из наиболее важных факторов в реализации возможности получения высококачественного бетона.

Однако известно, что в Азербайджанской Республике  реализовано производство пластифицированных и гидрофобных портландцементов. Цель данной работы изготовление бетона с высокими техническими свойствами на основе обычного портландцемента.

Для этого были рассмотрены следующие вопросы: изучение влияния на свойства фибробетона добавок оксида микросиликата, модификация супер пластифицирующих добавок цемента с добавками оксида микросиликата, а также связь фибры с матрицей бетона.

Одним из основных свойств дорожных бетонов является их деформативность, т.е. способность подвергаться деформациям под воздействием температуры и внешней нагрузки. Деформативность бетона оценивается модулем упругости,  коэффициентом линейного расширения и коэффициентом Пуассона. Деформация бетона уменьшается с уменьшением количества воды, используемой для приготовления бетонной смеси, а также с уменьшением количества пузырьков воздуха в составе песка и бетонной смеси. Это достигается за счет уменьшения количества щебня и ограничение количества воздуха в пределах 4-6%.

В настоящее время, в практике дорожного строительства используются бетоны класса прочности на растяжение и изгиб выше чем В 4.8. Такие бетоны обладают высокими деформационными  свойствами  и в тоже время высокой трещиностойкостью. Основной причиной увеличения прочности бетона, в последние годы, это использование химических добавок в технологии изготовления, в результате чего водно-цементное отношение уменьшилось до значения 0.28-0.38. Класс прочности на сжатие полученных бетонов выше В 35, они устойчивы к износу и обладают повышенной трещиностойкостью. Такие бетоны в соответствии с европейскими стандартами называют НРС (High Perfomanse Concrete) [4 p.6, 5 p.3].

Согласно Европейским Стандартам [4 p.17, 5 p.12] в бетонах, используемых для транспортных сооружений, для повышения долговечности и устойчивости к воздействию окружающей среды, требуется особое внимание уделять их составу, поскольку они регулярно подвергаются агрессивному воздействию окружающей среды. В соответствии с этими стандартами бетоны, используемые при строительстве дорог и мостов, в зависимости от воздействия окружающей среды должны соответствовать классу ХDЗ (против воздействия солей хлора), ХС4 (морозоустойчивость),  и ХF4 (против воздействия углекислого газа).

При исследовании использовались образцы, изготовленные из портландцемента класса KLASS A CEM II/A-P 42,5R компании «NORM»; с добавкой Master Air 200B (BASF), а также с добавкой оксида микросиликата (MSO); щебеня, полученные при дроблении речного камня и речного песка с модулем крупности IM=2.

Для определений марки бетона были изготовлены образцы кубической формы с размерами 150x150x150 мм, для определения прочности на растяжение образцы с размерами 100x100x400 мм.

Добавки, используемые для привлечения пузырьков воздуха при изготовлении фибробетона, способствуют увеличению пластичности бетонной смеси, что приводит к уменьшению количества воды в составе смеси и получения более плотной текстуры бетонного массива.

Для получения более плотной структуры на микроуровне, ультрадисперсные добавки играют очень важную роль при производстве цемента и бетона. Для получения более плотной структуры на микроуровне при производстве цемента и бетона ультрадисперсные добавки играют очень важную роль. Одной из таких добавок, которую успешно применяют в технологии бетона, это микросилика. Микросилика - продукт отхода в процессе производства ферросилиция и содержит более 90% аморфного SiO₂ сферической формы (таблица 1).

 

Таблица 1 - Механические свойства бетона, модифицированные комплексными добавками

№	Показатели	Результат испытаний
1	Разрушение конуса бетонной смеси, см	21
2	Плотность бетонной смеси, кг/м3	2500
3	Предел прочности на сжатие после 7 суток твердения бетона, МПа	39
4	Предел прочности на сжатие после 28 суток твердения бетона, МПа	56
5	Предел прочности на растяжение после 28 суток твердения бетона, МПа	20

 

Дисперсность микросилики, которая использована при исследовании, была определена методом лазерной гранулометрии при помощи прибора MASTERSIZER 3000 (Германия), в лаборатории цементного завода «NORM» (рисунок 1).

Рис. 1 - Дисперсность добавки микросилика

 

Результаты анализа показали, что размеры частиц микросилики находятся в диапазоне 10-100 мкм. Количество частиц размером менее 10 мкм составляет около 10%. Эти ультра дисперсные частицы играют важную роль в формировании микроструктуры бетона.

Микросиликатные добавки способствуют получению бетонной смеси более плотной структуры, заполняя пустоты в бетонной смеси. Размер частиц оксида микросиликата до 50 раз меньше чем размер частиц цемента. Эти мелкие частицы  SiO₂  вступают в реакцию с Ca(OH)₂ и тем самым образуют гидросиликат кальция. Сформированные кристаллы гидросиликата кальция еще более усиливают структуру цементного камня, предотвращают  проникновение влаги и других агрессивных веществ в состав цементного камня, препятствуют реакциям между агрессивной средой и гидратными соединениями.

Следует отметить, что из-за высокой дисперсности микросилики потребность бетонной смеси в воде увеличивается с увеличением ее количества. Поэтому лучший результат, может быть достигнут при использовании их вместе с пластификаторами, уменьшающие потребление воды и другими добавками.

В тоже время, как уже напоминалось выше, добавки Master Air 200B  оказывают положительное влияние на формировании плотной структуры цементного камня. Эти добавки снижая водно-цементное соотношение еще более уплотняют структуру бетона, а также увеличивают адгезию цемента и заполнителя в контактной зоне. Известно, что уменьшение пористости является одним из наиболее эффективных методом предотвращения коррозии цементного камня и бетона. В результате значительно возрастают деформативные свойства бетона.

При эксплуатации автомобильных дорог цементобетонные покрытия подвергаются воздействию изгибающих напряжений. Поэтому состав бетона, используемый в цементобетонных покрытиях, должен быть подобран таким образом, чтобы полученный бетон отвечал требованиям по пределу прочности на изгиб.

Отличительной особенностью фибробетона является его анизотропность и дискретность, который делает его особым конструктивным материалом. Благодаря таким важным преимуществам как трещиностойкость  и стойкость к истиранию, фибробетон становиться все более экономически выгодным и конкурентно-способным строительным материалом. Фибробетон отличается от традиционного бетона более высокими показателями прочности на растяжение, изгиб, срез, ударной и усталостной прочностью, трещиностойкостью, водонепраницаемостью, морозостойкостью, жаропрочностью и пожаростойкостью.

В тоже время, в последние годы наблюдается тенденция к уменьшению расхода материалов, что делает использование фибробетона, как дисперсно-армированный материал, актуальным. Бетоны, армированные дисперсными волокнами (фиброй), обладает более высокими показателями прочности и трещиностойкостью, что позволяет их использовать в тонких плитах перекрытия.

Применение тонких плит перекрытия на упругом основании в нормальных условиях теоретически и научно обосновано. Однако, в этой теории не предусмотрено агрессивной воздействия окружающей среды на плиты в процессе эксплуатации.

Стальные волокна воспринимает растягивающие напряжения, которые возникают в фибробетоне от действия внешних нагрузок и тем самым препятствует образованию трещин. Фибробетон армирован стальной фиброй обладает повышенной трещиностойкостью, что также значительно повышает его морозоустойчивость, что увеличивает долговечность дорожного покрытия.

 

Таблица 2 - Механические свойства бетона, модифицированные фиброматериалом

№	Показатели	Результат испытаний
1	Разрушение конуса бетонной смеси, см	9
2	Плотность бетонной смеси, кг/м3	2500
3	Предел прочности на сжатие после 7 суток твердения бетона, МПа	39
4	Предел прочности на сжатие после 28 суток твердения бетона, МПа	60
5	Предел прочности на растяжение после 28 суток твердения бетона, МПа	20

 

Из полученных результатов (таблица 2) видно, что оптимизация фибробетона на макро и микро уровне значительно увеличивает его прочность на сжатие и изгиб. Таким образом, применение микродисперсной арматуры (стальной фибры) для бетонирования конструкции, подтверженных воздействию динамической нагрузки, целесообразно, так как это приводит к повышению трещиностойкости и морозостойкости конструкции. Это связано с тем, что применение стальной фибры позволяет выполнить армирование бетона по всему объему равномерно, что благоприятно влияет на распределение напряжений в бетонном массиве и приводит к уменьшению напряжений в опасных зонах. Кроме того использование микродисперсных добавок при приготовлении бетонной смеси еще более усиливают структурную прочность фибробетона, увеличивая такие показатели как прочность на сжатие и изгиб, водопроницаемость, трещиностойкость и морозостойкость. В транспортном строительстве фибробетон рекомендуется использовать при строительстве мостов, тоннелей, дорог с цементобетонным покрытием, аэродромов, конструкций специального назначения.

 

Список литературы / References

1. Клюев С.В. Высокопрочный фибробетон для промышленного и гражданского строительства. / С.В.Клюев // Инженерно-Строительный журнал. – 2012. - №8. - С.61-68.
2. Брагов А.М., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А. Ломинов А.К., Филиппов А.Р. Динамическое деформирование и разрушение хрупких структурно-неоднородных сред. / А.М. Брагов, А.Ю.Константинов, Д.А. Ламзин, А.К. Ломинов, А.Р. Филиппов // Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского. -2012. - №4. -  С.59-66.
3. Фибробетон: технико-экономическая эффективность применения. vekha.ru/fibrobeton-tehniko-ekonomicheskaya.
4. İS EN 206-1:2000. Specification, performance, production and conformity. The İrishConcrete Sosiety. Dublin. 2004. 22 p.
5. Ущеров-Марщак А., Кабусь А. Современный бетон. / А.Ущеров-Марщак, А. Кабусь // Информационное обозрение. Харков, Госпром. - 42 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Klyuyev S.V. Visokoprochniy fibrobeton dlya promishlennoqo i qrajdanskoqo stroitelstva. [High strength fiber concrete for industrial and civil constrution] / S.V.Klyuyev // Injenerno-stroitelniy jurnal. [Magazine of Civil Engineering] - 2012.- №8. P.61-68. [in Russian]
2. Bragov A.M.,. Konstantinov A.Yu, Lamzin D.A., Lomunov A.K., Filippov A.R.. Dinamicheskoqo deformirovanie i razrushenie xrupkix i neodnorodnix sred. [Dinamic deformation and fracture of heterogeneous brittle media] / A.M. Bragov, A.Yu. Konstantinov, D.A. Lamzin, A.K. Lomunov, A.R. Filippov// Jurnal Problemi prochnosti i plastichnosti. [Journal Problems of strength and ductility]. - 2012. - №74.  P.59-66. [in Russian]
3. Fibrobeton: tehniko-ekonomicheskaja effektivnost primenenija. vekha.ru/fibrobeton-tehniko-ekonomicheskaya. [Fibrous concrete: technical and economic efficiency of application]. vekha.ru/fibrobeton-tehniko-ekonomicheskaya. [in Russian]
4. İS EN 206-1:2000.Concrete. Specification, performance, production and conformity. The İrish Concrete Sosiety. Dublin. 2004. 22 p.
5. Ushherov-Marshhak A., Kabus A. Sovremennyj beton [Modern concrete. News Review] / A.Uscherov-Marschak, A. Kabus // Informacionnoe obozrenie .[Infomation Review]. - 2010. P.42. [in Russian]