РАСЧЕТ ПРОЦЕНТА АРМИРОВАНИЯ ФИБРОБЕТОННЫХ КОМПОЗИТОВ

Клюев А.В.

Кандидат технических наук, старший преподаватель, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Работа выполнена в рамках реализации стипендии Президента Российской Федерации СП - 5949.2013.1

РАСЧЕТ ПРОЦЕНТА АРМИРОВАНИЯ ФИБРОБЕТОННЫХ КОМПОЗИТОВ

Аннотация

В статье рассмотрен вопрос влияния процента армирования фибробетонных композитов, а также приведен расчет эффективной объемной доли волокна.

Ключевые слова: фибробетон, ориентация фибр, процент армирования.

Klyuyev A.V.

Candidate of Technical Sciences,

Belgorod State Technological University named after Shukhov

CALCULATION OF PERCENTAGE OF REINFORCEMENT OF FIBER CONCRETES COMPOSITES

Abstract

The paper deals with the influence of percentage of reinforcement fiber concretes composites, as well as a calculation of the effective volume fraction of fibers.

Keywords: fiber-reinforced concrete, orientation of fibers, percentage of reinforcement.

В настоящее время сфера использования железобетонных конструкций в России значительно расширяется. Многие здания и сооружения меняют свое функциональное назначение [1 – 3, 27].

Использование фиброармированных цементных композиций позволяет выпускать облегченные строительные конструкции с повышенной прочностью на изгиб и ударной вязкостью. Выбор волокна обуславливается тем, какими свойствами должна обладать композиция для удовлетворения заданным требованиям [4 – 15].

Существуют многочисленные разновидности изделий из фибробетона, которые находят разнообразное применение. В развитие науки о сталефибробетоне большой вклад внесли ученые Австрии, Австралии, Бельгии, Германии, Голландии, Испании, Канады, Китая, Польши, США, Франции, Чехии, Швейцарии, ЮАР, Японии, и других стран, из них необходимо отметить J.P. Romualdi, B. Gordon, G.B. Batson, M. Jeffrey, I.A. Mandel, I.L. Carson, W.F. Chen, D.I. Hannant, B. Kelly, P.S. Mangat, A.E. Naaman, R.N. Swamy, D. Colin Johnston, D.R. Lankard, V. Ramakrishnan, G. Ruffert, K. Kordina, W.A. Marsden, J. Vodichka и др.

Свойства бетонной матрицы при фибровом армировании зависят от структуры композита. В связи с этим, для того, чтобы проанализировать эти композиты и спрогнозировать их поведение при различных нагрузках, необходимо изучить состав бетонной матрицы и рассмотреть основные составляющие: состав цементной матрицы; форму и распределение фибр; контактную зону «цементный камень – фибра».

Для фиброармированных мелкозернистых бетонов цементная матрица не отличается от матрицы, в других мелкозернистых бетонов, и обычно состоит из: цемента, песка, наполнителя и воды [4 – 16]. В фибробетонах содержание фибры варьируется от 1% до 15%. Она используются для вторичного укрепления, для предотвращения образования трещин. Производство фибробетонов осуществляется обычными способами. Использование большего количества фибр возможно за счет использования простых технологий смешивания, но с использованием усовершенствованных матричных составов, основанных на сложном контроле реологии и микроструктуры смеси. Плотная микроструктура в этих композитах, также как и улучшенная реология, дают  возможность объединить и унифицировать дисперсию в размере от 2 до 6% за счет объема коротких фибр, которые могут обеспечить эффективное упрочнение.

Упрочненная фибрами матрица может принимать различную конфигурацию и при описании их природы необходимо рассмотреть два уровня геометрического описания: концентрацию фибр в растянутой зоне и их распределение по всей цементной матрице [4 – 17].

Взаимодействие между волокном и цементным камнем, а также структура фиброармированного материала являются существенными свойствами, которые влияют на характеристики фиброармированного композиционного материала. Тем не менее, чтобы понимать эти свойства, необходима оценка влияния волокон и прогнозирование поведения композита. Такому изучению подвергаются:

• Состав матрицы.
• Состояние матрицы с трещинами/без трещин.
• Тип, геометрия и поверхностная характеристика волокон.
• Влияние длины и ориентации волокон в цементной матрице.
• Критическая объемная доля волокон.
• Прогнозирование поведения и свойств армированного бетона.

В этой статье обсуждается механизм взаимодействия волокна и матрицы, где различные модели используются для вычисления сцепления между волокнами и цементной матрицей. Так как связь волокон и матрицы играет важную роль в поведении композита. Механическое поведение фиброармированного материала зависит от структуры композита, который обладает одновременно и свойствами бетона и свойствами волокна, используемого в цементной смеси .

Несущая способность фибробетона зависит от объемной доли волокна в бетонной матрице. Предел прочности волокна, как правило, больше, предел прочности бетона. Что касается предела прочности волокна, то несущая способность волокна должна быть больше, чем нагрузка, приложенная к бетону, при которой начинается трещинообразование. Это обусловлено тем, что бетон после начала трещинообразования не влияет на работу композита, а нагрузка полностью передается на волокна, содержащиеся в бетоне. Кроме того, волокна способны воспринимать большую нагрузку, в результате чего предел прочности фибробетонного композита выше, чем прочность самой матрицы. В связи с этим, было выведено уравнение для определения минимальной доли содержания волокна, чтобы сделать идентичными несущую способность фибробетонного композита и несущую способность волокна.

Минимальная или критическая доля волокна, Vcr, необходимого для добавления в бетон,  для  восприятия им приложенной нагрузки, выглядит следующим образом:

                                                                 (1)

где: Vcr – критическая или минимальная доля волокна; σmu – предел прочности при растяжении бетона; σfu – предел прочности при растяжении волокна; σ'fu – напряжения в волокнах при начале трещинообразования.

Напряжение бетона (конечная бетона деформация) в момент образования первой трещины 0,003. Если предположить, что нагрузка на бетон и волокна одинаковая. Таким образом, напряжение на волокна в момент образования первой трещины может быть принято в качестве предельной деформации бетона и модуля упругости волокна.

Уравнение 1 может быть изменено следующим образом:

                                                                                            (2)

где: Est – модуль упругости волокна; εcu – предельная деформация бетона = 0,003.

Уравнение 2 было использовано для прогнозирования предела прочности бетона, так как предел прочности бетона на растяжение требуется, чтобы получить минимальную долю волокна.

                                                                    (3)

где: f'c – нормативный предел прочности бетона при сжатии; f'ct – нормативный предел прочности бетона при растяжении.

Фибробетон состоит из распределенных коротких волокон в цементной матрице. Влияние таких коротких, наклонных волокон на механические свойства армированного бетона, как правило, меньше, чем длинных волокон, расположенных параллельно нагрузке. Это означает, что эффективность коротких и наклонных волокон меньше. Тем не менее, эффективность волокон в цементной матрице, повышающих механические свойства бетона можно оценить двумя способами:

• Повышение прочности бетона.
• Повышение ударной вязкости бетона.

Это влияет на свойства бетона в зависимости от длины волокна, ориентации волокон, распределенных в бетоне и прочности соединения цементного камня и волокна при сдвиге.

Литература

1. Адамян И.Р. Напряженно-деформированное состояние сталебетонных брусьев прямоугольного поперечного сечения с составной обоймой при сжатии и изгибе: автореф. дис. канд. техн. наук. Белгород. – 2000. – 19 с.
2. Адамян И.Р. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния сталебетонных коротких колонн // Сооружения, конструкции, технологии и строит. мат. XXI века: Сб. докл. II Межд. конф.-шк.-сем. молодых ученых, аспирантов и докторантов. Белгород: Изд. БелГТАСМ. – 1999. – ч.2. – С.3 – 6.
3. Адамян И.Р. Экспериментальные исследования сталебетонных стержней при поперечном изгибе // Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в пром.-ти строит. мат. и строительстве на пороге XXI века: Сб. докл. Межд. научно-практической конф. Белгород: Изд-во БелГТАСМ. – 2000. – С.3 – 6.
4. Клюев С.В. Фибробетон и изделия на его основе // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 3 – 1 (34). – С. 70 – 73.
5. Клюев С.В. Экспериментальные исследования фибробетонных конструкций с различными видами фибр // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. – № 2 – 1 (33). – С. 39 – 44.
6. Клюев С.В. Разработка дисперсно-армированного мелкозернистого бетона на основе техногенного песка и композиционного вяжущего // Международный научно-исследовательский журнал. – 2014. – № 11 – 2 (30). – С. 27 – 29.
7. Клюев С.В. Высококачественный фибробетон для монолитного строительства // Международный научно-исследовательский журнал. – 2014. – № 11 – 2 (30). – С. 29 – 32.
8. Клюев С.В. Высокопрочный мелкозернистый фибробетон на техногенном сырье и композиционных вяжущих с использованием нанодисперсного порошка // Бетон и железобетон. – 2014. – №4. – С. 14 – 16.
9. Клюев А.В., Клюев С.В., Нетребенко А.В., Дураченко А.В. Мелкозернистый фибробетон армированный полипропиленовым волокном // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2014. – № 4. – С. 67 – 72.
10. Клюев С.В., Нетребенко А.В., Дураченко А.В., Пикалова Е.К. Монолитный фибробетон для полов промышленных зданий // Сборник научных трудов Sworld. – 2014. – Т. 19. – №1. – С. 29 – 32.
11. Клюев С.В., Нетребенко А.В., Дураченко А.В., Пикалова Е.К. Фиброармированные композиты на техногенном сырье // Сборник научных трудов Sworld. – 2014. – Т. 19. – №1. – С. 34 – 36.
12. Клюев С.В. Высокопрочный сталефибробетон на техногенных песках КМА // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века. – 2013. – № 11. – С. 38 – 39.
13. Клюев С.В., Авилова Е.Н. Мелкозернистый фибробетон с использованием полипропиленового волокна для покрытия автомобильных дорог // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – №1.– С. 37 – 40.
14. Клюев С.В. Высокопрочный сталефибробетон на техногенных песках КМА // Технологии бетонов. – 2012. – №. 5 – 6. – С. 33 – 35.
15. Клюев С.В. Применение композиционных вяжущих для производства фибробетонов // Технологии бетонов. – 2012. – №1 – 2. – С. 56 – 58.
16. Клюев С.В. Фибробетон для каркасного строительства // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: материалы научн.-практ. конф. Белгород: Изд-во БГТУ. – 2011. – Ч.3. – С. 37 – 38.
17. Клюев С.В. Мелкозернистый сталефибробетон на основе отсева кварцитопесчанника // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: материалы научн.-практ. конф. – Белгород: Изд-во БГТУ. – 2011. – Ч.3. – С. 27 – 31.
18. Клюев С.В. Сталефибробетон на основе композиционного вяжущего // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: материалы научн.-практ. конф. Белгород: Изд-во БГТУ. – 2011. – Ч.3. – С. 32 – 36.
19. Клюев С.В. Основы конструктивной организации природных и искусственных материалов // Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии: сб. студ. докл. Международного конгресса: В 2 ч. Ч. 1. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2003. – С. 161 – 163.
20. Клюев С.В. Высокопрочный фибробетон для промышленного и гражданского строительства // Инженерно-строительный журнал. – 2012. – №8(34). – С. 61 – 66.
21. Клюев С.В. Экспериментальные исследования фибробетонных конструкций // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. – 2011. – №.4 – С. 71 – 74.
22. Клюев С.В., Хархардин А.Н. Расчет высокоплотной упаковки зерен мелкозернистого бетона // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 1. – С. 34 – 37.
23. Клюев С.В. Ползучесть и деформативность дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2010. – № 4. – С. 85 – 87.
24. Клюев С.В., Авилова Е.Н. Бетон для строительства оснований автомобильных дорог на основе сланцевого щебня // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 2. – С. 38 – 41.
25. Клюев С.В. Усиление и восстановление конструкций с использованием композитов на основе углеволокна // Бетон и железобетон. – 2012. – №3. – С. 23 – 26.
26. Клюев С.В., Гурьянов Ю.В. Внешнее армирование изгибаемых фибробетонных изделий углеволокном // Инженерно-строительный журнал. – 2013. – №1(36). – С. 21 – 26.
27. Серых И.Р. Прочность сталебетонного элемента с составной обоймой при внецентренном сжатии и изгибе // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2005. – № 10. – С. 442 – 445.

References

1. Adamjan I.R. Naprjazhenno-deformirovannoe sostojanie stalebetonnyh brus'ev prjamougol'nogo poperechnogo sechenija s sostavnoj obojmoj pri szhatii i izgibe: avtoref. dis. kand. tehn. nauk. Belgorod. – 2000. – 19 s.
2. Adamjan I.R. Jeksperimental'nye issledovanija naprjazhenno-deformirovannogo sostojanija stalebetonnyh korotkih kolonn // Sooruzhenija, konstrukcii, tehnologii i stroit. mat. XXI veka: Sb. dokl. II Mezhd. konf.-shk.-sem. molodyh uchenyh, aspirantov i doktorantov. Belgorod: Izd. BelGTASM. – 1999. – Ch.2. – S.3 – 6.
3. Adamjan I.R. Jeksperimental'nye issledovanija stalebetonnyh sterzhnej pri poperechnom izgibe // Kachestvo, bezopasnost', jenergo- i resursosberezhenie v prom.-ti stroit. mat. i stroitel'stve na poroge XXI veka: Sb. dokl. Mezhd. nauchno-prakticheskoj konf. Belgorod: Izd-vo BelGTASM. – 2000. – S.3 – 6.
4. Kljuev S.V. Fibrobeton i izdelija na ego osnove // Mezhdunarodnyj na-uchno-issledovatel'skij zhurnal. – 2015. – № 3 – 1 (34). – S. 70 – 73.
5. Kljuev S.V. Jeksperimental'nye issledovanija fibrobetonnyh konst-rukcij s razlichnymi vidami fibr // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. 2015. – № 2 – 1 (33). – S. 39 – 44.
6. Kljuev S.V. Razrabotka dispersno-armirovannogo melkozernistogo be-tona na osnove tehnogennogo peska i kompozicionnogo vjazhushhego // Mezhduna-rodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. – 2014. – № 11 – 2 (30). – S. 27 – 29.
7. Kljuev S.V. Vysokokachestvennyj fibrobeton dlja monolitnogo stroi-tel'stva // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. – 2014. – № 11 – 2 (30). – S. 29 – 32.
8. Kljuev S.V. Vysokoprochnyj melkozernistyj fibrobeton na tehnogen-nom syr'e i kompozicionnyh vjazhushhih s ispol'zovaniem nanodispersnogo po-roshka // Beton i zhelezobeton. – 2014. – №4. – S. 14 – 16.
9. Kljuev A.V., Kljuev S.V., Netrebenko A.V., Durachenko A.V. Melkozerni-styj fibrobeton armirovannyj polipropilenovym voloknom // Vestnik Bel-gorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. – 2014. – № 4. – S. 67 – 72.
10. Kljuev S.V., Netrebenko A.V., Durachenko A.V., Pikalova E.K. Mono-litnyj fibrobeton dlja polov promyshlennyh zdanij // Sbornik nauchnyh tru-dov Sworld. – 2014. – T. 19. – №1. – S. 29 – 32.
11. Kljuev S.V., Netrebenko A.V., Durachenko A.V., Pikalova E.K. Fibro-armirovannye kompozity na tehnogennom syr'e // Sbornik nauchnyh trudov Sworld. – 2014. – T. 19. – №1. – S. 34 – 36.
12. Kljuev S.V. Vysokoprochnyj stalefibrobeton na tehnogennyh peskah KMA // Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tehnologii HHI veka. – 2013. – № 11. – S. 38 – 39.
13. Kljuev S.V., Avilova E.N. Melkozernistyj fibrobeton s ispol'zova-niem polipropilenovogo volokna dlja pokrytija avtomobil'nyh dorog // Vest-nik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. – 2013. – № 1. – S. 37 – 40.
14. Kljuev S.V. Vysokoprochnyj stalefibrobeton na tehnogennyh peskah KMA // Tehnologii betonov. – 2012. – №. 5 – 6. – S. 33 – 35.
15. Kljuev S.V. Primenenie kompozicionnyh vjazhushhih dlja proizvodstva fibrobetonov // Tehnologii betonov. – 2012. – №1 – 2. – S. 56 – 58.
16. Kljuev S.V. Fibrobeton dlja karkasnogo stroitel'stva // Belgorodskaja oblast': proshloe, nastojashhee i budushhee: materialy nauchn.-prakt. konf. Belgo-rod: Izd-vo BGTU. – 2011. – Ch.3. – S. 37 – 38.
17. Kljuev S.V. Melkozernistyj stalefibrobeton na osnove otseva kvar-citopeschannika // Belgorodskaja oblast': proshloe, nastojashhee i budushhee: mate-rialy nauchn.-prakt. konf. – Belgorod: Izd-vo BGTU. – 2011. – Ch.3. – S. 27 – 31.
18. Kljuev S.V. Stalefibrobeton na osnove kompozicionnogo vjazhushhego // Belgorodskaja oblast': proshloe, nastojashhee i budushhee: materialy nauchn.-prakt. konf. Belgorod: Izd-vo BGTU. – 2011. – Ch.3. – S. 32 – 36.
19. Kljuev S.V. Osnovy konstruktivnoj organizacii prirodnyh i iskus-stvennyh materialov // Sovremennye tehnologii v promyshlennosti stroi-tel'nyh materialov i strojindustrii: sb. stud. dokl. Mezhdunarodnogo kon-gressa: V 2 ch. Ch. 1. Belgorod: Izd-vo BGTU im. V.G. Shuhova. – 2003. – S. 161 – 163.
20. Kljuev S.V. Vysokoprochnyj fibrobeton dlja promyshlennogo i grazh-danskogo stroitel'stva // Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal. – 2012. – №8(34). – S. 61 – 66.
21. Kljuev S.V. Jeksperimental'nye issledovanija fibrobetonnyh konst-rukcij // Stroitel'naja mehanika inzhenernyh konstrukcij i sooruzhenij. – 2011. – №.4 – S. 71 – 74.
22. Kljuev S.V., Harhardin A.N. Raschet vysokoplotnoj upakovki zeren melkozernistogo betona // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnolo-gicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. – 2011. – № 1. – S. 34 – 37.
23. Kljuev S.V. Polzuchest' i deformativnost' dispersno-armirovannyh melkozernistyh betonov // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnolo-gicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. – 2010. – № 4. – S. 85 – 87.
24. Kljuev S.V., Avilova E.N. Beton dlja stroitel'stva osnovanij avtomo-bil'nyh dorog na osnove slancevogo shhebnja // Vestnik Belgorodskogo gosudar-stvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. – 2013. – № 2. – S. 38 – 41.
25. Kljuev S.V. Usilenie i vosstanovlenie konstrukcij s ispol'zovaniem kompozitov na osnove uglevolokna // Beton i zhelezobeton. – 2012. – №3. – S. 23 – 26.
26. Kljuev S.V., Gur'janov Ju.V. Vneshnee armirovanie izgibaemyh fibro-betonnyh izdelij uglevoloknom // Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal. – 2013. – №1(36). – S. 21 – 26.
27. Seryh I.R. Prochnost' stalebetonnogo jelementa s sostavnoj obojmoj pri vnecentrennom szhatii i izgibe // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvenno-go tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. – 2005. – № 10. – S. 442 – 445.