Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Аспирант Гринцов Д.М., д.т.н., Калашников В.И.

ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (ПГУАС), Россия

Критерии экономической оценки фибробетонов

Высокопрочные и сверхвысокопрочные фибробетоны, вследствие своей экономической эффективности, широко внедряются в практику строительства, особенно, за рубежом. Они становятся экономически высокоэффективными лишь при выполнении четырех основных требований:

─ прочность бетона на сжатие должна быть не менее 80-120 МПа для обеспечения высокого сопротивления фибры выдергиванию из бетонной матрицы;

─ фибра должна быть тонкой с диаметром 0,15-0,25 мм, чтобы при заданном объемном содержании получить достаточно насыщенный дисперсно-армированный композит по сравнению с дискретно-армированным материалом с использованием толстой фибры диаметром 0,6-0,8 мм;

─ фибра должна иметь специальный анкерующий профиль поверхности или анкерующие концы (волнистая, зигзагообразная форма, периодического профиля, с загнутыми концами и т.п.);

─ фибра должна обладать высокой прочностью на разрыв (не менее 1000 МПа).

Первое условие обеспечивается использованием порошково-активированных бетонов нового поколения, разработанных нами на кафедре «ТСМиД» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства. В этих бетонах содержание компонентов отличается от четырехкомпонентных бетонов старого поколения «цемент + песок + щебень + вода» и от пятикомпонентных бетонов переходного периода «цемент + песок + щебень + суперпластификатор + вода». В порошково-активированных бетонах содержание компонентов достигает 7-8. Такое содержание компонентов диктуется получением особо плотной структуры, достигнутой снижением расхода воды за счет увеличения объема реологической матрицы с усилением реологического действия супер- и гиперпластификаторов (СП и ГП). Прочность порошково-активированных песчаных бетонов достигает 100-130 МПа, а порошково-активированных щебеночных бетонов ─ 120-150 МПа.

В особую группу входят порошковые и реакционно-порошковые бетоны прочностью 150-200 МПа, отличающиеся отсутствием частиц зернистых наполнителей, размер которых не превышает 0,4-0,6 мм. Исходя из положений механики разрушения композиционных материалов, наибольшие напряжения при действии разрушающих нагрузок, возникают на границе раздела фаз. С увеличением размера зернистых включений качество адгезионных контактов снижается, что приводит к концентрации напряжений на границе раздела «матрица-заполнитель». Порошковые бетоны лишены этих недостатков. Кроме этого достоинства сцепление тонкодисперсной матрицы таких бетонов увеличивает долю контактов с тонкой фиброй диаметром 0,15-0,25 мм по сравнению с грубыми контактами в песчаных бетонах, в которых отношение поперечного размера фибры к размерам частиц песка достигает 1:5÷1:20. Преимущества тонкой фибры было нами показано ранее. Основной вывод, полученный в этой работе, состоит в том, что при одинаковой степени армирования бетонов фиброй D и d счетное количество волокон в них соотносится как D²/d², а расстояния между поверхностями соседних фибр соотносятся как D/d. Таким образом, если вместо фибры диаметром 0,8 мм использовать фибру 0,15 мм, то D²/d² равно 28,4. Одна фибра D = 0,8 мм заменяется 28 волокнами диаметром 0,15 мм.

Определим средние расстояния между поверхностями волокон при гексагональном расположении их: (1)

где - объемная степень армирования в долях единицы.

При D = 0,8 мм и d = 0,15 мм при степени армирования 1% расстояния будут равны, соответственно, 97 мм и 18,2 мм. Следовательно, при использовании тонкой фибры ограничиваются возможности образования микротрещин и создаются условия, препятствующие раскрытию трещин.

Эффективность стальной фибры различных диаметров и разной геометрической конфигурации необходимо оценивать по удельному расхода фибры на единицу прироста прочности на осевое растяжение фибробетона по сравнению с исходным матричным бетоном

(2)

где - расход фибры на один метр кубический бетона, кг; и - прочность фибробетона и бетона на осевое растяжение, МПа.

Аналогично может быть оценен удельный расход фибры на прирост прочности при сжатии, при растяжении при изгибе, при срезе, при ударе. Прямая и гладкая высокопрочная фибра при разрушении бетона преимущественно не разрывается, а выдергивается из бетона. Для увеличения степени использования механических свойств фибры на разрыв она изготавливается плоского или овального сечения, или с анкерующей поверхностью (периодического профиля, зигзагообразной, волнообразной), или с полузагнутыми анкерующими концами (Wirand, Dramix). Для фибры зигзагообразного, волнообразного профиля и фибры с полузагнутыми Z – образными концами сопротивление выдергиванию возрастает за счет дополнительного сопротивления при периодических изгибах обратного знака и усилий, затраченных на распрямление загнутых концов. Для жесткой фибры диаметром 0,5-0,8 мм это дополнительное сопротивление выдергиванию может быть достаточно большим и превышает усилие, обусловленное сцеплением фибры с бетоном. В результате фибра может разрываться, реализуя свою прочность на разрыв (фибра Wirand, Dramix). Для тонкой легко изгибающейся фибры диаметром 0,15-0,25 мм аналогичного их профиля дополнительное сопротивление вносит не столь существенный вклад в общее сопротивление выдергиванию. Поэтому, наибольшее сопротивление обеспечивает фибра любого диаметра с анкерными головками, в том числе с плавной сферической или каплеобразной формой. Она, как указывалось ранее, должна быть самой совершенной. Но производство ее, вследствие сложности изготовления, исходя из существующей номенклатуре фибры на рынке, не освоено.