Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Д.т.н., Калашников В.И., к.т.н., Ананьев С.В., аспирант Ерофеева И.В.

ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

Влияние углеродных волокон на прочность порошкового бетона

Эволюционное развитие и совершенствование бетонов нового поколения – это повышение уровня наукоемкости в технологии и увеличения числа компонентов бетонной смеси. Производство бетонов станет наукоемкой химической технологией получения уникальных композиционных бетонных смесей для бетонов широкого функционального назначения.

Для оценки адгезии углеродных волокон к тонкодисперсной матрице и кинетики упрочнения ее от дисперсного армирования мы использовали белый быстротвердеющий датский цемент СЕМ 52,5, домолотый с суперпластификатором (ЦДС) и 7% микрокремнезема. Использование белого цемента было обусловлено получением отделочных фибробетонных плит. В качестве суперпластификатора (СП) использовали Мelflux 5581 F в количестве 1% от массы цемента. Домол осуществляли в течение 15 минут до дисперсности, равной 4900 см²/г. Контрольный состав приготавливали в мешалке с миксером, добавляя постепенно в цементно-микрокремнеземистую смесь воду затворения. Водо-цементное отношение - В/Ц = 0,17. После приготовления цементную суспензию с консистенцией, соответствующей расплыву из конуса Хагерманна (265 мм), разливали в формы и после суточного твердения под полиэтиленовой пленкой образцы хранили в течение 27 суток в двойных полиэтиленовых мешках.

Фибро-цементную бетонную смесь изготавливали при том же значении В/Ц-отношения. Смесь с волокнами была более подвижная с расплывом из конуса Хагерманна – 285 мм. Плотность сырых образцов после суток твердения оказалась практически одинаковой: у цементно-микрокремнеземистого камня – 2317 кг/м³, камня с фиброй – 2327 кг/м³.

Эффективность фибры необходимо оценивать по удельному расходу фибры на единицу прироста прочности на осевое растяжение армированного бетона по сравнению с исходным матричным бетоном. Прочности при сжатии фиброцементного камня в первые 1-7 суток незначительно уступает прочности цементного камня. Прочность на растяжение дисперсно-армированного камня во все сроки твердения на 50-60 % выше чем неармированного.

Таким образом, несмотря на небольшую длину волокон они существенно повышают прочность на растяжение при изгибе, что свидетельствует о достаточном сцеплении инородных по природе углеродных волокон с цементным камнем. Вероятно, такое сцепление связано соизмеримостью диаметра волокон (10-13 мкм) со среднестатистическим размером частиц цемента (10-20 мкм).

При использовании микрофибры Ø 5-10 мкм высокопрочные порошковые бетоны уже при содержании волокон в количестве 0,5-1,0 % по объему становятся высокооднородными объемно-армированными композитами.

Оценка расстояния между поверхностями волокон в бетоне при диаметре волокна 13 мкм дает очень малое значение S_n = 162 мкм. При таком расстоянии частицы тонкого песка диаметром более 162 мкм будут изменять топологическое расположение волокон, сдвигая их в пространство реологической матрицы - матрицы первого рода, увеличивая степень армирования ее. Это будет способствовать блокированию развития микротрещины.

Представляло интерес изготовление порошковых фибробетонов с углеродной микрофиброй и с комбинированным армированием стальной латунированной фиброй (d=0,2мм, L=12мм) и углеродной микрофиброй. Углеродные волокна измельчали кратковременным помолом совместно с цементом и гиперпластификатором. После такой обработки длина волокон по результатам микроскопического анализа находилась в пределах 0,3-2,0мм.

Использовались составы реакционно-порошкового бетона с близкими расходами цемента от 703 до 723 кг цемента на 1 м³ бетона, с МК от 10 до 15%, при В/Ц=0,95-1. Консистенция бетонных смесей была практически одинаковой по расплыву конуса Хагерманна.

Таблица

Прочностные показатели фибробетонов с углеродными волокнами и с комбинированной фиброй

Наименование бетона, расход фибры и цемента	РК Хагерманна	В/Ц, В/Т	ρбетона, кг/м^3	Прочность МПа, Rсж/Rизг, через, сут.			Уд. расход цемента, , кг/МПа	Уд. расход фибры , кг/МПа
				1	7	28
РПБ – 28, Ц = 723кг	330	0,307 0,1	2378	54,0 10,2	124 11,8	144 17,34	5,02	-
РПБ – 27, У.В. 0,5% по V, Ц = 703кг	317мм	0,307 0,1	2354	50,8 8,39	136 −	164 21,1	4,28	2,4
РПБ – 144, C.Ф. 1,5% по V Ц = 712кг	295мм	0,302 0,1	2460	62,4 15,23	138,819,5	180 28,0	3,96	10,9
РПБ – 37, У.В. 0,5% по V, С.Ф 3,0% по V, Ц = 711кг	300мм	0,29 0,095	2491	89,2 19,9	160 34,7	204 52,3	3,56	6,7

Углеродные волокна при степени армирования 0,5% повышают прочность бетона на сжатие на 14%, прочность на растяжение при изгибе на 22%. Фибробетон с 1,5% стальной фибры с d=0,2мм и L=12мм упрочняется по прочности на сжатие на 25%, а по прочности на растяжение при изгибе на 27% (таблица).

Наибольшее упрочнение наблюдается при комбинированном армировании бетона углеродной фиброй (0,5%) и стальной (3%). В этом случае прочность на сжатие повышается на 41,6%, и на растяжение - в 3 раза! Также интенсивно повышается прочность в первые сутки на сжатие на 65%, на растяжение при изгибе на 95%.

Таким образом, комбинированное армирование позволяет получить сверхвысокопрочные бетоны с улучшенными эксплуатационными характеристиками.