Рабінська О.П., Ротко С.В.

Луцький національний технічний університет, Україна

Фібробетони нового покоління на основі порошково-активованих добавок

Актуальність дослідження. Наприкінці ХХ століття з'явилися модифіковані бетони нового покоління, що мають високі технологічні та експлуатаційні характеристики. Отримання цих бетонів стало можливим після впровадження у виробничу практику добавок суперпластифікаторів і високоактивних кремнеземистих мікронаповнювачів. Це дозволило радикально зменшувати водоцементне відношення і покращувати технологічні властивості бетонних сумішей, їх структуроутворення без збільшення або при суттєвому зменшенні витрати цементу [1].

Основна частина. Фібробетони почали застосовувати ще з 1908 року і з того часу ведуться дослідження можливості підвищення фізико-технічних властивостей бетонів за рахунок дисперсного армування [2]. При цьому використовували довгі волокна сталі з L = 50-150мм із діаметром 0,8-1,0мм. На сьогодні у країнах СНД в основному застосовують волокна діаметром 0,6-0,8мм і довжиною 50-80 мм. За кордоном фібробетони зі сталевими волокнами d = 0,15-0,3мм почали використовувати із середини 90-х років минулого століття.

Найсприятливіші умови для досягнення рівномірного розподiлу як товстої та довгої фібри, так i тонкої та короткої, мають порошкові та реакційно-порошкові бетони. Найгіршою топологією розміщення тонкої і короткої фібри у тілі бетону володіють піщані бетони старого покоління. Чим крупніший у складі бетону пiсок, тим більшою мірою він зрушує сталеві волокна у міжзерновому просторi.

У щебеневих щільноупакованих бетонах старого покоління, особливо при використаннi товстих і довгих волокон, проявляються найгірші умови для однорідного розміщення. Топологічна структура такого бетону характеризується наявністю дискретних пучків волокон, затиснутих зернами щебеню. У зв'язку з тим, що сталеві волокна d = 0,6-0,8 мм і довжиною 60 – 80 мм володіють достатньою жорсткістю, вони здатні заважати розміщенню зерен щебеню меншого розміру в порожнинах більших зерен. Тому короткі та тонкі, більш гнучкi, сталеві волокна кращі як для щебеневих бетонів старого покоління, так і для бетонів перехідного періоду, тобто для бетонів із використанням суперпластифікаторів і гіперпластифікаторів. Ці добавки дозволяють отримати високоміцні бетони з Rс = 100-200 МПа та бетони загальнобудівельного призначення з Rс = 20-60 МПа з витратою цементу, меншою у 1,5-2,0 рази.

Додавання у мінерально-цементні дисперсії активних добавок (мікрокремнезему) дозволило створити додаткові цементуючі речовини зі збільшенням початкової і нормативної 28-добової міцності з кардинальним покращенням усіх фізико-технічних властивостей бетонів. Це відноситься, насамперед, до порошкових бетонів, виготовлених із тонкозернистих порошкових сухих сумішей. У таких сумішах міститься 50-60% порошкового компоненту (цемент, мелена гірська порода, мікрокремнезем) і 40-50% тонкозернистого (кварцевий пісок із фракціями 0,1-0,6 мм).

Основними факторами створення високоміцних фібробетонів є:

1. Створення щiльної та мiцної бетонної матриці з міцністю на стиск до 120-140 МПа і більше, що забезпечує хороше зчеплення із фіброю.

2. Використання сталевої фiбри з оптимальними геометричними параметрами, з анкеруючою поверхнею або з анкерними кінцями.

Однак у практиці активно використовують товсту фібру діаметром d = 0,5-1,0 мм і довжиною 50-70 мм. Нераціональне використання такої фібри доводиться теоретично. Використовуючи формулу В.І. Калашнікова [3], визначимо середню відстань S_ц між геометричними центрами фібр:

S_ц=13,47d ,

де d – діаметр фібри;

μ – коефіцієнт об’ємного армування, %.

Відстань між поверхнями фібр S_п:

S_п=13,47d -d= d (13,47 -1)

При діаметрі фібри 0,8 мм і коефіцієнті армування 0,5%, відстань між повернями фібр буде:

S_п=0,8(13,47 -1)=14,5 мм

Реально фібра в бетоні розташовується хаотично, але розмістимо її по трьох координатах декартової системи на розраховану вiдстань між центрами (рис.1 - поперечний i поздовжній розрізи балки).

Рис.1. Топологія розташування фібри d=0,8мм і варіанти поширення тріщин у можливих перерізах максимального згинального моменту (показані фрагменти розташування волокон із анкерними закінченнями)

Із рис.1 видно, що товста фібра хаотично розташовується у бетоні і тріщина, що виникає від дії згинального моменту, безперешкодно поширюється по матриці, минаючи фібру. Якщо тріщина зароджується у полі розташування фібри, то вона може зупинитися від блокуючої дії фібри, у цьому випадку розвивається тріщина у міжфібровом просторі. Саме з цієї причини у країнах СНД використовується італійська, грецька та німецька товста фібра, що неефективно працює у згинальних конструкціях при малому вмісті її у бетоні.

У роботі [4] наведена залежність міцності бетону на розтяг від коефіцієнта об’ємного армування при використанні фібри діаметром 0,8 мм (рис.2).

Рис.2. Залежність міцності бетону на розтяг при згині залежно від коефіцієнта армування

Із аналізу цієї залежності видно, що армування даною фіброю до коефіцієнта об'ємного армування 0,6; 0,9 і 1,3 % різних цементних композицій не дає збільшення приросту міцності на розтяг при згині. Це підтверджується дослідженнями Ю.В. Пухаренка [4]. Цю зону він називає «зоною розсіяного армування». Отже, 1,3% фібри, тобто приблизно 100 кг на 1м³ бетону вводиться марно тільки для того, щоб додана кількість фібри понад 1,3% сприяла підвищенню міцності, що призводить до значних матеріальних витрат.

Можна зробити висновок, що бетони необхідно армувати тонкою фіброю, щоб перетворити їх на композити, у яких тонкі волокна розташовані дуже часто й шляхи поширення тріщин перекриті. Оцінимо, яку кількість фібри меншого діаметру можна виготовити з товстої фібри d = 0,8 мм за одинакової довжини, щоб зробити бетон дисперснo-армованим композитом [5]. Якщо сталеву фібру d = 0,8 мм замінити фіброю 0,2 і 0,15 мм, то кількість таких фібр, рівних за обсягом фібри діаметром 0,8 мм, відповідно, складе 16 і 28 шт. У м. Пензі здійснюється освоєння фібри d = 10 мкм, покритої скляною оболонкою товщиною 1,5-2 мкм. Кількість таких фібр в обсязі фібри d = 0,8 мм рівної довжини складе 3265 шт. Якщо використовується базальтова або вуглецева фібра діаметром 0,008 мм, то кількість фібр зростає до 10000 шт. Природньо, що за такої кількості фібр щільність розташування їх у бетоні буде настільки високою, що виникаючі тріщини не знайдуть вільного простору в бетоні і поширення тріщин буде гальмуватися. Якщо прийняти коефіцієнт об’ємного армування 0,5 %, то можна прослідкувати зміну відстані між фібрами залежно від діаметру останньої (табл.1).

Таблиця 1

Вид фібри	Діаметр фібри, мм	К-ть фібр при рівному суммарному об’ємі, шт	Відстань між поверхнями фібри, мм
Сталева	0,8	1	14,5
	0,2	16	3,6
	0,15	28	2,55
	0,014	3265	0,252
Базальтова, вуглецева	0,008	10000	0,144

Раціональність армування бетону тонкими фібрами пов'язана також зі збільшенням площі зчеплення бетонної матриці з бічною поверхнею фібр.

Таким чином, використання тонкої фібри, що навіть не має анкерних елементів, за високої міцності матриці дозволяє отримувати високоефективні фібробетони нового покоління. На жаль, країни СНД не випускають фібру діаметром менше 0,2-0,25 мм, тому у фібробетонах здійснюється перевитрата сталі. Важливим техніко-економічним показником для фібробетонів є витрата фiбри на одиницю приросту міцності на розтяг при згині у порівнянні з бетоном аналогічного складу, але без фібри. Це дозволить здійснювати порiвняння як економічності витрати фібри, так і переваг її геометричних параметрів і технічних властивостей фібробетонів.

Висновок. Проведені дослідження дозволяють стверджувати, що з цементів, мікрокварців, тонких пісків, фібр і гіперпластифікаторів можна отримувати бетони з питомою витратою цементу 3,5-4,2 кг/МПа. Використання таких бетонів визначає глобальну економіку у будівництві будівель і споруд із високоміцного бетону за рахунок зниження обсягів усіх компонентів бетону в 3-4 рази. І це відноситься, насамперед, до фібробетонів із міцністю на стиск 180-200 МПа та міцністю на розтяг при згині 50 МПа. За допомогою фібробетонів нового покоління можна створювати проекти з архітектурною виразністю для надтонких колон, стійок, балок.

Література:

1. Дворкин Л.И. Основы бетоноведения / Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. – М., С-Пб.: Стройбетон, 2006. – 692 с.

2. Баженов Ю.М., Мохов В.Н., Бабков В.В. Количественная характеристика ударной выносливости цементных бетонов. «Бетон и железобетон». 2006. – №1. – С.2-5.

3. Полак А.Ф., Бабков В.В., Андреева Е.П. Твердение минеральных вяжущих веществ. Уфа: Башк. кн. изд-во, 1990. – 216 с.

4. Попов Н.А., Ориентлихер Л.П. Трещиностойкость легкого бетона // Бетон и железобетон. – 1962. – №5. – С.224-226.

5. Хвастунов А.В. Порошково-активированный высокопрочный бетон и фибробетон с низким удельным расходом цемента на единицу прочности: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.23.05 / Хвастунов А.В.; Пенз. гос. ун-т архитектуры и стр-ва. – Пенза, 2011. – 198 с.