В данной статье рассмотрено исследование диспергации фибробетона с полиакрилонитрильной фиброй и была определена равномерность распределения волокон фибры в зависимости от очередности подачи компонентов и номинальной линейной плотности. Для оценки распределения полиакрилонитрильной фибры использовалось три способа: визуальная оценка распределения и наличия комков в бетонной смеси на этапах перемешивания; оценка наличия комков путём вымывания цементного теста из бетонной смеси на сите и оценка образцов бетона после разрушения. На основе полученных выводов были определены оптимальные параметры технологических процессов равномерного диспергирования полиакрилонитрильных волокон, включая параметры фибры, подачу компонентов и предпочитаемая удобоукладываемость бетонной смеси.

Ключевые слова: полиакрилонитрильная фибра, дисперсия, бетонные смеси, свойства, фибробетон.

This article examines the dispersion of fiber-reinforced concrete with polyacrylonitrile fibers and determines the uniformity of the fiber distribution depending on the sequence of component feeding and nominal linear density. Three methods were used to assess the distribution of polyacrylonitrile fibers: visual assessment of the distribution and presence of lumps in the concrete mix at the mixing stages; assessment of the presence of lumps by washing out the cement paste from the concrete mix on a sieve and assessment of concrete samples after destruction. On the basis of the obtained conclusions, the optimal parameters of the technological processes for uniform dispersion of polyacrylonitrile fibers were determined, including fiber parameters, component feeding and preferred workability of the concrete mix.

Keywords: polyacrylonitrile fiber, dispersion, concrete mixtures, properties, fiber-reinforced concrete.

Человечество всегда стремится к улучшению своего уровня жизни, поэтому во всех областях науки наблюдается непрерывный процесс развития. Глубокое изучение в области фибробетона, начавшееся с 1960-х годов, является одной из таких активно развивающихся областей науки [1]. Одним из основных факторов, способствующих этому прогрессу, является создание новых и перспективных волокносодержащих конструкционных материалов. Отличаясь высокими техническими характеристиками, долговечностью и устойчивостью к внешним воздействиям, материалы, армированные фиброй, становятся всё более востребованными в современном строительстве.

Целью данного исследования является изучение факторов, влияющих на равномерное распределение полиакрилонитрильной фибры в бетонной смеси, на основании экспериментальных данных [2]. Также будет дана оптимальная очередность добавления компонентов в фибробетонную смесь и рекомендуемая удобоукладываемость смеси, которая обеспечивает более равномерное распределение фибры.

Использование фибры в бетоне позволяет получить материал, который отличается высокой долговечностью, ремонтропригодностью и стабильностью, что является неотъемлемой частью в современном и будущем строительстве [3].

В работе Рабиновича Ф. Н. говорится, что рабочий диапазон объемного содержания фибры в конструкциях измеряется в пределах 1–1,5 % [4]: при более высоком проценте армирования снижается конкурентоспособность конструкций и повышается трудоемкость их изготовления. В практике же часто возникает необходимость принимать объемное содержание фибры в конструкциях менее 1 %.

Вопрос диспергации фибры в фибробетоне является одним из основных, поскольку только при равномерном распределении можно получить дисперсно-армированный композит с заданными свойствами. Для определения оптимальной технологии диспергации полиакрилонитрильных волокон в данном исследовании в бетонной смеси варьировались очередность подачи компонентов, удобоукладываемость, линейная плотность и горфировка фибры. В качестве сырьевых материалов для изготовления составов тяжелых бетонов применялись: портландцемент М500, щебень гранитный фракции 5–10 мм, песок природный и вода. Основные характеристики фибры приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики ПАН-волокон

Степень диспергации полиакрилонитрильных волокон во всех исследуемых бетонных смесях и бетонах определялась тремя различными способами:

1. Визуальная оценка распределения и наличия комков ПАН-волокон в бетонной смеси на различных этапах перемешивания;
2. Определение распределения и наличия комков ПАН-волокон путем вымывания цементного теста из бетонной смеси на сите с размером ячейки 5 мм;
3. Определение распределения и наличия комков ПАН-волокон в образцах бетона после их разрушения.

Выбор данных способов для оценки степени диспергирования ПАН в бетоне и бетонной смеси обусловлен их простотой и возможностью воспроизведения в производственных условиях.

При визуальной оценке (первый способ) степени распределения ПАН-волокон в бетонных смесях проводилось ручное перемешивание изготовленной фибробетонной смеси и определение наличия скомковавшихся ПАН-волокон (рисунок 1). Равномерность распределения волокон в бетонной смеси на данном этапе оценивалась по наличию характерных «свесов» цементно-песчаного раствора с краев лопатки для отбора проб бетона (рисунок 2).

Рис. 1. Бетонная смесь с ПАН-волокном

Рис. 2. Проба бетонной смеси с ПАН-волокном

Следует отметить, что наличие комков ПАН-волокон данных способом удавалось оценить только на жестких бетонных смесях. При оценке наличия комков ПАН-волокон в подвижных бетонных смесях данный способ неэффективен, т. к. скомковавшиеся волокна практически невозможно отличить от крупного заполнителя, покрытого цементно-песчаным раствором.

Более эффективным способом, позволяющим оценить степень распределения ПАН-волокон в подвижных бетонных смесях, является второй способ, а именно промывание пробы бетона водой на сите с размером ячейки 5 мм. В результате цементно-песчаный раствор вымывается из пробы бетона и на сите остается только крупный заполнитель и волокна полиакрилонитрильной фибры.

Третий способ является самым точным, поскольку отсутствует вероятность образования комкования ПАН-волокон в процессе промывки смеси на сите. Для определения распределения и наличия комков ПАН-волокон в образцах бетона, из исследуемых смесей формовались стандартные образцы кубы с ребром 100 мм. После первых суток твердения образцы полностью разрушались. Распределение и наличие комков ПАН-волокон оценивалось визуально, при осмотре фрагментов разрушенных образцов (рисунок 3).

Рис. 3. Разрушенный образец с ПАН-волокном

На первом этапе разработки оптимальной технологии диспергирования ПАН-волокон в бетонных смесях определялась очередность подачи компонентов в бетоносмеситель, позволяющая достигнуть наиболее равномерного распределения ПАН-волокон в бетонных смесях.

Для определения оптимальной очередности подачи компонентов в бетоносмеситель при изготовлении фибробетонной смеси были рассмотрены следующие варианты:

– фибра, цемент, песок, вода, щебень;

– цемент, фибра, песок, вода, щебень;

– цемент, песок, фибра, вода, щебень;

– цемент, песок, вода, фибра, щебень;

– цемент, песок, вода, щебень, фибра.

В результате данных испытаний оценивалась эффективность распределения ПАН фибры в бетонных смесях и бетонах в зависимости от этапа введения. В качестве контрольного состава использовалась бетонная смесь с осадкой конуса 12 см. плотностью 0,33 и 0,56 текс, длинной 18 мм, с гофрировкой и без. Объем вводимой фибры в данных испытаниях составил 0,1 % по объему бетона. Оценка степени распределения ПАН-волокна в бетонной смеси и бетоне для каждого метода осуществлялась по 5-ти бальной шкале (1 — волокно не распределилось и собралось в несколько крупных комков; 5 — волокно полностью распределилось по смеси). Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты испытаний очередности подачи компонентов

В результате испытаний очередности подачи компонентов установлено:

1. Расщепление ПАН фибры на отдельные волокна при перемешивании с сухими компонентами бетонной смеси способствует ее более равномерному распределению в готовой бетонной смеси;
2. ПАН фибра с гофрировкой при введении в бетонную смесь более склонна к комкованию, чем ПАН фибра без гофрировки.

Результаты, полученные на данном этапе исследования, указывают, что лучше всего диспергация фибры происходит при смешивании сухих компонентов (цемент, песок) с негорфированной фиброй.

Поскольку введение воды на раннем этапе введения компонентов влияет на равномерность распределения фибры было решено провести дополнительные исследования, в которых варьировалась удобоукладываемость бетонной смеси. В качестве контрольных составов были использованы бетонные смеси с маркой по удобоукладываемости Ж3, Ж2, Ж1, П1, П2 и П3. Фибру вводили в бетоносмеситель совместно с цементом и песком, после чего осуществляли перемешивание и добавляли воду и крупный заполнитель. Результаты дополнительных испытаний приведены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты испытаний удобоукладываемости бетонной смеси

В результате проведённых испытаний по удобоукладываемости было установлено, что наилучшая диспергация полиакрилонитрильного волокна наблюдается при введении фибры без горфировки в бетонные смеси марок по удобоукладываемости Ж3...Ж2. Данный эффект связан с количеством воды, присутствующим в бетонной смеси. В жестких бетонных смесях избыточное количество воды незначительно, что приводит к частичному «налипанию» ПАН-волокон на цементно-песчаный раствор и их равномерному разделению из комков и распределению. При значительном количестве избыточной воды в бетонных смесях (марки по удобоукладываемости Ж1...П3 и выше) наблюдается эффект комкования волокон, вызванный их смачиванием и прилипанием друг к другу. Установлено, что при возникновении комков ПАН-волокон в готовой бетонной смеси разделить их в бетоносмесителе при стандартных режимах работы практически невозможно.

На основании изучения результатов экспериментального исследования предлагается следующая очередность введения компонентов в бетоносмеситель при изготовлении фибробетонных смесей, позволяющая избежать комкования полиакрилонитрильной фибры:

1. Цемент, песок, ПАН фибра;
2. Вода из расчёта 150–160 л/м ³ фибробетонной смеси;
3. Крупный заполнитель;
4. Вода в количестве необходимом для получения марки по удобоукладываемости.

Данная очередность введения компонентов позволяет достигнуть равномерного разделения и распределения полиакрилонитрильных волокон в жестком цементно-песчаном растворе на первом этапе перемешивания (при введении цемента, песка, волокон и воды в количестве 150–160 л/м ³ фибробетонной смеси) и достигнуть требуемой марки по удобоукладываемости на втором этапе перемешивания (после добавления крупного заполнителя и оставшегося количества воды) без образования комков полиакрилонитрильных волокон.

В результате изучения проведённых испытаний бетонной смеси и бетона с полиакрилонитрильной фиброй установлено:

1. Предложенная технология изготовления фибробетонных смесей и фибробетонов с применением полиакрилонитрильного волокна позволяет достигнуть наилучшего распределения волокон.
2. При применении полиакрилонитрильной фибры без гофрировки возможно её равномерное распределение в фибробетонной смеси без дополнительных технологических операций.
3. При применении полиакрилонитрильной фибры с гофрировкой её равномерное распределение в фибробетонной смеси без дополнительных технологических операций невозможно.
4. Наилучшая диспергация полиакрилонитрильных волокон наблюдается при их введении в бетонные смеси марок по удобоукладываемости Ж3 и Ж2 в связи с наличием в таких смесях незначительного количества избыточной воды.

Литература:

1. Ведищев, К. А. Фибробетон — строительный материал XXI Века / К. А. Ведищев. — Текст: непосредственный // Аллея науки. — 2017. — № 15. — С. 52–66.
2. Бердичевский, Г. И. Об эффективности дисперсного армирования бетонов / Г. И. Бердичевский, В. П. Трамбовецкий. — Текст: непосредственный // Бетон и железобетон. — 1978. — № 5. — С. 45–46.
3. О выполненной работе по опытному внедрению фибробетона на основе ПАН и УВ волокон для устройства бетонной подготовки под фундаменты объектов ЛАЭС-2 в г. Сосновый бор: научно-технический отчет (заключ.) / Научно-проектно-строительная фирма «Ост-Сейсм»; № НЦК-Р27/06/2013 ОС от 07.05.2013г — СПб., 2014. — 399 с.
4. Рабинович, Ф. Н. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции / Ф. Н. Рабинович. — Москва: Издательство АСВ, 2011. — 642 c. — Текст: непосредственный.