Исследование характеристик сталефибробетона при сжатии
Лама Рафаэль, студент магистратуры
Научный руководитель: Хегай Алексей Олегович, кандидат технических наук, доцент
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
В статье автор исследует целесообразность введения стальных волокон в бетонную матрицу. В данной работе автор демонстрирует, как введение стальных волокон в бетонную матрицу может повысить ее механические характеристики, в частности характеристики сжатия.
Ключевые слова : бетон, стальная фибра, фибробетон, сжатие.
1 Краткое содержание
Сталефибробетон (СФБ) появился как инновационный материал в сфере строительства, сочетающий в себе преимущества традиционного бетона с армирующими свойствами стальных волокон. В настоящем исследовании основное внимание уделяется анализу характеристик сталефибробетона (СФБ) при сжатии, изучению его механических свойств, факторов, влияющих на его прочность, а также его практическому применению. Экспериментальные результаты показывают, что СФБ демонстрирует более высокую прочность на сжатие, чем обычный бетон даже при наличии трещин, благодаря положительному влиянию стальных волокон. В данной статье рассматриваются характеристики СФБ B30 и B60 при сжатии, дается обзор механизмов улучшения механических свойств, результатов экспериментальных исследований и практических приложений. Мы расскажем о преимуществах добавления стальной фибры в бетон, а также о проблемах, связанных с ее использованием.
1.1 Введение
Бетон является одним из наиболее широко используемых материалов в строительной отрасли, известным своей прочностью на сжатие. Однако его порой сложная область применения, его хрупкость, склонность к трещинам, пластичность, разбухание, изгиб и растяжение ограничивают его эффективность во многих строительных применениях. Для преодоления этих ограничений были проведены исследования по интеграции стальных волокон в бетонную матрицу с целью создания бетона, армированного сталефиброй. СФБ не только повышает прочность на растяжение, но и характеристики сжатия, что имеет важное значение для многих конструкций, включая плиты, балки и сборные элементы.
Целью данного исследования является углубленное изучение характеристик СФБ при сжатии, анализ механизмов улучшения механических свойств, результатов экспериментальных испытаний и практических последствий.
2 Использованные материалы
Материалы, используемые для приготовления высокопрочного фибробетона: портландцемент КПЖ ЦЕМ II42,5 (ГОСТ 31108-2020 и ГОСТ 30515-2013), универсальный кварцевый песок (0-2,5 мм) с сухой фракцией 0-2,5 мм, определяемой по ГОСТ 8736-2014, а также добавка (Микросилика-МКУ-85) по ГОСТ Р 58894-2020, суперпластификатор (MS-POWERFLOW 6955) и стальная фибра диаметром 0,3 и длиной 30 мм, определяемая по ГОСТ Р 57407-2017.
|
|
|
|
Рис. 1. Стальная фибра 30/0,3 мм |
Рис. 2. Микрокремнезем MKY-85 |
|
|
|
|
Рис. 3. Пластификатор МС-ПАУЭРФЛОУ 6955 |
Рис. 4. Песок (0–2,5 мм) |
|
| |
|
Рис. 5. Цемент М500 Д0 ЦЕМ I 42,5 | |
2.1 Подбор составов бетонных смесей
Для его изготовления использована стальная фибролитовая плита. нормативные документы (ГОТ 27006–2019).
Следует отметить, что для получения требуемого класса бетона ( Rb ) в среднем необходимо водоцементное отношение (В/Ц) и содержание (активного) используемого цемента:
А — коэффициент для низкокачественных материалов;
R ц — активность цемента МПа;
R б — средняя прочностью бетона класса В60- 60 Мпа;
Для бетона класса В80, М(500) цемент Potland Composit CM I-(42,5 МПа); ГОСТ 26633–91.
В зависимости от зернистости песка его количество может увеличиваться до 1500 кг/м3.
Таблица 1
Расход компонентов на 1 м3 (кг)
|
Расход компонентов на 1 м3, кг | |||||||
|
Вид и класс бетона |
Цемент ПЦ500- д0 ОАО «Новоросцемент» |
Песок М <=2,35 ОАО«Рудас Северо Запад» |
Пластификатор МС-АУЭРФ ЛОУ-6955 (0,4 %) |
Добавка Мекрокремнезен МКУ85 10 %Ц |
В/Ц |
Фибра |
Вода |
|
Высокопрочный сталефибробетон с фиброй «Челябинка»В60 |
588 |
1500 |
10,6 |
58,8 |
0,27 |
150,48 |
160 |
|
Высокопрочный бетон В60 |
450 |
1500 |
10,6 |
58,8 |
0,27 |
0 |
160 |
|
Сталефибробетон с фиброй «Челябинка»В30 |
513 |
1500 |
— |
— |
0,45 |
145 |
230 |
|
Бетон В30 |
400 |
1500 |
— |
— |
0,45 |
145 |
230 |
2.2 Поведение при сжатии
СФБ демонстрирует поведение при сжатии, которое отличается от поведения традиционного бетона. В ходе испытаний на сжатие было отмечено, что СФБ демонстрирует повышенную способность противостоять приложенным нагрузкам даже в случае образования трещин. Это связано с наличием стальных волокон, которые, образуя сетку в бетоне, ограничивают и замедляют распространение трещин. Таким образом, даже когда бетон начинает трескаться, волокна могут продолжать поглощать и перераспределять нагрузку, позволяя материалу сохранять часть своей прочности.
3 Экспериментальные исследования
3.1 Методология
Образцы готовились путем добавления в смесь стальных волокон в различных пропорциях. Затем образцы были выдержаны в условиях естественного окружающего воздуха, после чего были подвергнуты испытаниям на сжатие, см. рис. 6–9.
|
|
|
|
Рис. 6. Общий вид разрушенных образцов серии В30.1,85 % |
Рис. 7. Общий вид разрушенных образцов серии В30.1,85 % |
|
|
|
|
Рис. 8. Общий вид разрушенных образцов серии В30.0 % |
Рис. 9. Общий вид разрушенных образцов серии В30.0 % |
Испытания на сжатие образцов СФБ проводятся на ньютоновской пресс-машине усилием 600 кН и 1000 кН в соответствии со стандартом ASTM C39 для определения прочности бетона на сжатие. Метод заключался во взвешивании каждого образца перед его установкой на компьютеризированную пресс-машину.
3.2 Результаты теста
Таблица 2
Результаты испытаний бетонных образцов-кубов и призм при сжатии
|
Серия |
Кубиковая прочность R B (МПа) |
Призменная прочность R b (МПа) |
|
B30.0 % |
30,98 |
22,72 |
|
B60.0 % |
65,67 |
48,132 |
|
B30.1,85 % |
38,20 |
33,558 |
|
B60.1,91 % |
74,15 |
65,627 |
Результаты испытаний показывают, что прочность на сжатие у СФБ значительно выше, чем у бетона. Так, образцы, содержащие 1,85 % стальной фибры, показали увеличение кубической прочности на сжатие на 25 % и призматической прочности на 40 % по сравнению с образцами бетона В30. Аналогично, 1,91 % стальной фибры в образцах также позволило увеличить кубическую прочность на сжатие на 10 % и призматическую прочность на 35 % по сравнению с образцами бетона В60, состоящими из добавки (Микрокременезем MKY-85) и Пластификатора (МС-ПАУЙРФЛОУ 6955). Кроме того, испытания показывают, что СФБ сохраняет значительную прочность даже после растрескивания, что подчеркивает его эффективность как экологически чистого строительного материала.
3.3 Анализ данных
Экспериментальные результаты анализируются с использованием статистических методов для определения корреляции между содержанием волокон и прочностью на сжатие. Для оценки значимых различий между группами выборок можно использовать дисперсионный анализ.
Таблица 3
Определение фактического коэффициента перехода от кубиковой прочности к призменной для фибробетонных образцов
|
Серия |
Кубиковая прочность R B (МПа) |
Призменная прочность R b (МПа) |
К ПП |
|
B30.0 % |
30,98 |
22,72 |
0,733 |
|
B30.1,85 % |
65,67 |
48,132 |
0,733 |
|
B60.0 % |
38,20 |
33,558 |
0,846 |
|
B60.1,91 % |
74,15 |
65,627 |
0,885 |
Таблица 4
Отклонение теоретических значений начального модуля упругости от экспериментальных для образцов серий В60
|
По формуле |
Модуль упругости (Мпа) | |
|
B30 |
B60 | |
|
Начальный модуль (данные испытания) |
64273 |
67357 |
|
По модели Фойгта |
63688,969 |
70500,46 |
|
По СП 52.104.2006* (соответствует модели Фойхта) |
67008,905 |
67210,466 |
|
Д. А. Смирнова |
64736,980 |
67833,028 |
Таблица 5
Отклонение теоретических значений призматической прочности от экспериментальных значений для образцов бетона В30 и В60
|
По формуле |
Призменная прочность (Мпа) | |
|
B30 |
B60 | |
|
Призменная прочность (данные испытания) |
22,72 |
48,132 |
|
По СП 52.104.2006* |
39,618 |
65,58 |
|
По СП 52.104.2006* с изменениями Ф. М. Рабиновича |
26,365 |
51,32 |
|
По способу Л. Г. Курбатова |
23,35 |
64,52 |
Рис. 10. Зависимость «напряжение-деформации» В30.(0 %)
Рис. 12. Зависимость «напряжение-деформации» В60-.0%
Рис. 13. Зависимость «напряжение-деформации» В60.1,91%
4 Заключение
Изучение характеристик сталефибробетона при сжатии показывает, что он является перспективным материалом для будущего строительства. Благодаря значительному улучшению прочности на сжатие и способности противостоять трещинам СФБ обеспечивает значительные преимущества по сравнению с традиционным бетоном. По мере продолжения исследований и совершенствования методов внедрения СФБ может стать предпочтительным выбором в области гражданского строительства и архитектуры, способствуя созданию более устойчивых и надежных конструкций в условиях глубокого подземного строительства и с более сложными формами.
Литература:
- Лакасс, К. (2011). Экспериментальное и аналитическое исследование поведения при сжатии и изгибе композитных колонн, частично покрытых высокопрочным бетоном и бетоном, армированным металлическими волокнами [Докторская диссертация, Политехническая школа Монреаля]. ПолиПубликация.(https://publications.polymtl.ca/567/)
- Вестник Череповецкого государственного университета 2012, № 4, Т. 2
- Голубев, В. Ю. Высокопрочный бетон повышенной вязкости разрушения;
- ACI Committee 544. (2008). *Guide for Specifying, Proportioning, and Production of Steel Fiber Reinforced Concrete*. American Concrete Institute.
- Banthia, N., & Gupta, R. (2006). «Flexural Behavior of Steel Fiber Reinforced Concrete Beams». *Journal of Materials in Civil Engineering*, 18(3), 397–404.
- Межгосударственный Стандартгост 7473–2010 ( https://meganorm.ru/Data2/1/4293801/4293801374.pdf )
- ГОСТ 27006— 86 Бетоны. Правила подбора состава
- ГОСТ 30108— 94 Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов
- Хегай, О. Н. Прочность элементов сталефибробтеонных конструкций при растяжении и изгибе с учетом неоднородности распределения фибр: дис…канд. техн. наук / О. Н. Хегай; ЛенЗНИИЭП. — Л., 1986.
- Bentur, A., Mindess, S., 2007, Fibre Reinforced Cementitious. Composites, 2nd edition, Taylor & Francis, Abingdon, UK — 2007–601 p.
- Хегай А. О. Внецентренно сжатые элементы из фибробетона, армированные высокопрочной арматурой: Дис.... канд. техн. наук /.СПбГАСУ. — СПб., 2011
- Курбатов, Л. Г. Изгибная прочность сталефибробетона при неравномерном распределении фибр по высоте сечения / Л. Г. Курбатов, Г. В. Копанский, О. Н. Хегай // Пространственные конструкции в гражданском строительстве. — Л., 1982. — С. 43–50
