ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ФИБРЫ В БЕТОНАХ

Соловьёв В.Г.¹, Шувалова Е.А.²

¹Кандидат технических наук, доцент, ²аспирант, Национальный исследовательский Московский государственный инженерно-строительный университет

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ФИБРЫ В БЕТОНАХ

Аннотация

Рассмотрено влияние различных типов неметаллической фибры (полипропиленовая микрофибра, полимерная макрофибра, стеклопластиковая композитная фибра) на трещиностойкость бетонов. В результате проведённых испытаний установлено, что наибольшую эффективность имеет композитная стеклопластиковая фибра. Её применение при оптимальных дозировках позволяет получать фибробетоны с фактическим классом по остаточной прочности в пределах 50 % от фактического класса по прочности на растяжение при изгибе по сравнению с полипропиленовой микрофиброй и полимерной макрофиброй, чьи показатели составляют 30 %.

Ключевые слова: трещиностойкость, фибробетон, неметаллическая фибра, деформативность.

Soloviev V.G.¹, Shuvalova E.A.²

¹PhD in Engineering, Associate Professor, National Research Moscow State University of Civil Engineering, ²Postgraduate Student, National Research Moscow State University of Civil Engineering

EFFICIENCY OF VARIOUS FIBER TYPES APPLICATION IN CONCRETE

Abstract

The article considers the influence of various types of non-metallic fiber (polypropylene microfiber, polymer macro-fiber, fiberglass composite fiber) on the crack resistance of concrete. As a result of the tests, it was found that composite fiberglass fiber is the most efficient. Its application at the most effective dosages enables obtaining fiber concrete with an actual class of residual strength within 50% of the actual class of tensile strength in bending compared to a polypropylene microfiber and a polymeric macro-fiber, the values of which comprise 30%.

Keywords: crack resistance, fiber-reinforced concrete, non-metallic fiber, deformability.

Рассматривая особенности применения стальной фибры в бетонах, можно отметить, что одним из основных эффектов, обеспечивающих преимущество сталефибробетона по сравнению с другими материалами, является его повышенная трещиностойкость, которая обеспечивает высокую эксплуатационную надежность зданий и сооружений [1], [2], [3].

Изменение предела трещиностойкости сталефибробетона характеризуется уравнением потенциальной энергии деформации, аналогичным уравнению, составленному Гриффитсом, с добавлением слагаемого, учитывающего энергию, накапливаемую в процессе деформации отдельных фибр, пересекающих трещину [4]. По мере увеличения количества фибры на единицу площади расчетного сечения (за счет повышения ее объемного содержания или уменьшении диаметра фибры) в момент возникновения трещины в бетоне их податливость существенно снижается, но при этом приводит к повышению уровня трещиностойкости, который зависит также от размера критических трещин [5]. Чем более однородна бетонная матрица и чем выше уровень дисперсности армирования, тем выше, при прочих равных условиях, предел трещиностойкости сталефибробетона, который до двадцати раз может превышать трещиностойкость бетона и железобетона [6], [7]. Данные положения справедливы для стальной фибры различных геометрических размеров, модуль упругости которой значительно превышает модуль упругости бетонной матрицы. Для неметаллической фибры, указанные зависимости,  в большинстве случаев, не соответствуют действительности в связи с ее низким модулем упругости (по сравнению с бетонной матрицей) и низкой адгезией к бетону [8]. При этом, неметаллической фибре  часто приписывают свойства, характерные для металлической, несмотря на ключевые отличия между ними, как по свойствам, так и по эффективности работы в бетонных матрицах [9], [10].

Целью проведенного исследования являлось определение влияния различных типов неметаллической фибры на трещиностойкость бетонов.

В настоящее время в Российской Федерации действует ГОСТ 29167-91 «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении», в котором определен порядок проведения испытаний и формулы по расчету основных характеристик трещиностойкости. Однако, характеристики трещиностойкости, полученные при проведении данных испытаний, сложны для восприятия и не позволяют быстро и объективно оценить полученные результаты. В качестве альтернативы  ГОСТ 29167-91 в последние годы получает все большее распространение методика определения деформативности по EN 14651, которая указана в качестве основной для определения характеристик фибробетонов в СТО НОСТРОЙ 2.27.125-2013 «Освоение подземного пространства. Конструкции транспортных тоннелей из фибробетона. Правила проектирования и производства работ», подготовленного к опубликованию и утверждению свода правил «Конструкции фибробетонные с неметаллической фиброй. Правила проектирования» и разрабатываемого свода правил «Конструкции бетонные с неметаллической фиброй и полимерной арматурой. Правила проектирования». Отличительной особенностью данной методики является определение ширины раскрытия внутренних граней предварительно пропиленной трещины в образце (СМОD по EN 14651), в процессе нагружения которого по трехточечной схеме фиксируется остаточная прочность. Данная методика была выбрана для проведения исследования, так как она в наибольшей степени подходит для определения трещиностойкости фибробетонов, в связи с ожидаемой низкой эффективностью отдельных видов неметаллической фибры.

Для проведения испытаний было выбрано три основных типа неметаллической фибры, используемой при производстве бетонных конструкций и широко представленной на рынке:

1. Полипропиленовая микрофибра длиной 6 мм, диаметром 40 мкм с геометрическим фактором 150, плотностью 0,9 г/см³, модулем упругости порядка 1,2…1,6 ГПа.
2. Полимерная макрофибра длиной 50 мм, диаметром 0,5 мм с геометрическим фактором 100, плотностью 0,9 г/см³, модулем упругости более 10 ГПа.
3. Стеклопластиковая композитная фибра длиной 40…45 мм, диаметром 0,7…0,9 мм с геометрическим фактором 45…60, плотностью 1,54 г/см³, модулем упругости порядка 50 ГПа.

Для изготовления образцов применялся бетон класса по прочности при сжатии В25, состав которого, включая общие характеристики сырьевых материалов, приведен в таблице 1.

 

Таблица 1 – Состав бетона

Сырьевые материалы	Расход на  1 куб. м бетона,  кг
Вода по ГОСТ  23732-2011	210
Цемент ЦЕМ II/ А-К 42,5 Н по ГОСТ 31108-2003	330
Щебень гранитный фракции 5-20 мм по ГОСТ 8269.0-97	1060
Песок карьерный, Мкр=2,1 по ГОСТ 8736-2014	740
Пластификатор Sika T-34	4,35

 

Для проведения испытаний были изготовлены три серии образцов фибробетона размером 150×150×600 мм, по 6 образцов в каждой серии. Содержание неметаллической фибры, принималось на основании рекомендаций производителя и результатов уже проведенных испытаний, при которых обеспечивались оптимальные прочностные характеристики фибробетонов, и составило:

- полипропиленовая микрофибра 1 кг на 1 м³ бетона;

- полимерная макрофибра 4 кг на 1 м³ бетона;

- стеклопластиковая композитная фибра 35 кг на 1 м³ бетона.

Испытания выполнялись на универсальной электромеханической машине Instron 3382, обеспечивающей максимальную испытательную нагрузку 100 кН с погрешностью измерения ±0,5% (рис. 1). Контроль раскрытия граней пропила осуществлялся навесным распорным датчиком точностью 0,005 мм.

Результаты испытаний по определению деформативности фибробетонов с неметаллической фиброй (усредненные значения по результатам испытаний трех серий из шести образцов) приведены в таблице 2 и на рисунке 2.

Рис. 1 – Общий вид проведения испытаний

 

Таблица 2 – Результаты испытаний

Вид фибры	FL, кН	ƒƒct,L, МПа	F0,5, кН	R0.5, МПа	F1,5, кН	R1.5, МПа	F2,5, кН	R2.5, МПа	F3,5, кН	R3.5, МПа
Полипро-пиленовая	11,4	4,0	3,27	1,2	2,9	1,0	3,02	1,1	3,09	1,1
Полимер-ная	14	4,9	4,05	1,4	3,3	1,2	3,81	1,3	3,89	1,4
Композит-ная	12,2	4,3	5,81	2,0	5,6	2,0	5,87	2,1	6,38	2,2

 

Рис. 2 – Графики «нагрузка-CMOD» испытаний фибробетона

 

Обработка полученных результатов в соответствии со сводом правил «Конструкции фибробетонные с неметаллической фиброй. Правила проектирования» позволила определить, что фактический класс бетона по остаточной прочности с полипропиленовой микрофиброй – В_fbt1,0 с, полимерной макрофиброй - В_fbt1,2 с, композитной стеклопластиковой фиброй В_fbt1,8 с.

На основании проведенных исследований установлено, что из неметаллической фибры, используемой при производстве бетонных конструкций и широко представленной на рынке, наибольшую эффективность имеет композитная стеклопластиковая фибра.  Ее применение при оптимальных дозировках позволяет получать фибробетоны с фактическим классом по остаточной прочности в пределах 50 % от фактического класса по прочности на растяжение при изгибе, а применение полимерной микро и макрофибры - только 30 %.

Очевидно, что дальнейшее развитие технологии фибробетонов в настоящее время возможно за счет расширения номенклатуры доступной композитной фибры с различными свойствами, которая имеет меньшую эффективность по сравнению со стальной, но и обладает рядом значительных преимуществ, позволяющих найти ей принципиально новые применения при производстве изделий и конструкций.

Список литературы / References

1. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов / Ф.Н. Рабинович - М. : Издательство АСВ. - 2011. - 642 с. : ил.
2. Соловьев В. Г., Бурьянов А. Ф., Елсуфьева М. С. Особенности производства сталефибробетонных изделий и конструкций / В. Г. Соловьев, А. Ф. Бурьянов, М. С. Елсуфьева // Строительные материалы. - 2014. - №3. - С. 18-21.
3. Елсуфьева М. С. и др. Оценка досрочного изменения свойств стале-фибробетонов с расширяющими добавками / М. С. Елсуфьева // Строительные материалы. - 2015. - № 7. - С. 21-23.
4. Gaber, R. Vorgespannte Fasern im Beton / R. Gaber, Th. Klink // Betonwerk Fertigteil - Tehnik. - 1995. - № 11. - P. 90 - 96.
5. Зива, А. Г. Деформативность, трещиностойкость и раскрытие трещин в изгибаемых предварительно напряженных элементах с применением сталефибробетона / А. Г. Зива, Б. В. Соловьев // Исследования по строительной механике и строительным конструкциям: тем. сб. науч. тр. - Челябинск, 1978. - С. 111 - 113.
6. Dehousse, N. M. Considérations relatives au comportement à la fissuration et à la rupture de béton renforcé de fibres. «Matériaux et constructions» / N. M. Dehousse, M. Sahloul // ACI Journal, Proceedings. - 1985. - Vol. 18. - № 104. - P. 83 - 92.
7. Johnston, Colin D. Concreto reforzado con fibras / Johnston, D.  Colin  // Revista JMCYC. – 1981. – Vol. 19, - № 127. – P. 35 - 40, 43 - 48, 50 - 56, 58 - 63.
8. Nurtdinov M., Solov'ev V., Panchenko A. Influence of composite fibers on the properties of heavy concrete / M. Nurtdinov, V. Solov'ev, A. Panchenko // 6th International Scientific Conference “Reliability and Durability of Railway Transport Engineering Structures and Buildings” (Transbud-2017). – 2017. - Vol. 86, Article number 04026. doi: 10.1051/matecconf/20168604026
9. Нуртдинов М. Р., Бурьянов А. Ф., Соловьёв В. Г. Повышение эффективности применения композитной стеклопластиковой фибры в бетонах / М. Р. Нуртдинов, А. Ф. Бурьянов, В. Г. Соловьев // Строительные материалы. - 2017. - № 4. - С. 68–71.
10. Соловьев В. Г., Бурьянов А. Ф., Фишер Х. Б. Особенности формирования структуры сталефибробетонов, на при тепловой обработке / В. Г. Соловьев, А. Ф. Бурьянов, Х. Б. Фишер // Строительные материалы. - 2015. - № 9. - С. 43-46.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Rabinovich F. N. Kompozity na osnove dispersno-armirovannykh betonov [Composites based on fiber reinforced concrete] / F. N. Rabinovich. - M.: Publisher ASV. - 2011. - 642 p.: il. [in Russian]
2. Solov'ev V. G., Bur'yanov A. F., Elsuf'eva M. S. Osobennosti proizvodstva stalefibrobetonnyh izdelij i konstrukcij [Features of production of steel fiber concrete products and structures] / V. G. Solov'ev, A. F. Bur'yanov, M. S. Elsuf'eva // Stroitel'nye materialy [Building materials]. - 2014. - №3. - P. 18-21. [in Russian]
3. Elsuf'eva M. S. and others Ocenka dosrochnogo izmenenija svojstv stale-fibrobetonov s rasshirjajushhimi dobavkami [Evaluation of early changes in the properties of steel fiber reinforced concrete with expanding additives] / M. S. Elsuf'eva and others // Stroitel'nye materialy [Building materials]. - 2015. - № 7. - P. 21-23. [in Russian]
4. Gaber, R. Vorgespannte Fasern im Beton / R. Gaber, Th. Klink // Betonwerk Fertigteil - Tehnik. - 1995. - № 11. - P. 90 - 96.
5. Ziva, A. G., Deformativnost', treshhinostojkost' i raskrytie treshhin v izgibaemyh predvaritel'no naprjazhennyh jelementah s primeneniem stalefibrobetona [Deformability, cracking resistance and crack opening in the prestressed flexible elements with the use of steelfiber concrete] / A. G. Ziva, B. V. Solovyov// Issledovanija po stroitel'noj mehanike i stroitel'nym konstrukcijam [Studies in construction mechanics and building structures] : tem. sb. nauch. tr. [thematic collection of scientific works]. - Chelyabinsk, 1978. - P. 111 - 113.[in Russian]
6. Dehousse, N. M. Considérations relatives au comportement à la fissuration et à la rupture de béton renforcé de fibres. «Matériaux et constructions» / N. M. Dehousse, M. Sahloul // ACI Journal, Proceedings. - 1985. - Vol. 18, - № 104. - P. 83 - 92.
7. Johnston, Colin D. Concreto reforzado con fibras / Johnston, D.  Colin // Revista JMCYC. - 1981. - Vol. 19, - № 127. - P. 35 - 40, 43 - 48, 50- 56, 58 - 63.
8. Nurtdinov M., Solov'ev V., Panchenko A. Influence of composite fibers on the properties of heavy concrete / M. Nurtdinov, V. Solov'ev, A. Panchenko // 6th International Scientific Conference “Reliability and Durability of Railway Transport Engineering Structures and Buildings” (Transbud-2017). – 2017. - Vol. 86, Article number 04026. doi: 10.1051/matecconf/20168604026
9. Nurtdinov M. R., Buryanov, A. F., Solov'ev V. G. Povyshenie jeffektivnosti primenenija kompozitnoj stekloplastikovoj fibry v betonah [Increase of efficiency of use of composite fiberglass fiber in concrete] / M. R. Nurtdinov, A. F. Buryanov, V. G. Solov'ev // Stroitel'nye materialy [Building materials]. - 2017. - № 4. - P. 68-71. [in Russian]
10. Solov'ev V. G., Bur'yanov A. F., Fisher Kh. B. Osobennosti formirovanija struktury stalefibrobetonov, na pri teplovoj obrabotke [Features of the formation of the structure of steel fiber concrete during heat treatment] / V. G. Solov'ev, A. F. Bur'yanov, Kh. B. Fisher // Stroitel'nye materialy [Building materials]. - 2015. - № 9. - P. 43-46. [in Russian]