Прочность сталефибробетона на растяжение
Фибровое армирование качественно изменяет свойства бетонных материалов. При насыщении бетонов стальными волокнами формируется новый материал – композит – сталефибробетон, свойства которого зависят от параметров фибрового армирования: типа фибры, её объемного содержания, соотношения между параметрами фибровой арматуры и параметрами структуры бетонной матрицы, уровня дисперсного армирования, соотношения формы и размеров сечения и длины фибры.
Свойства сталефибробетона и конструкций на его основе зависят, кроме того, от технологии производства: технологии приготовления сталефибробетонной смеси (либо без приготовления сталефибробетонной смеси), формования конструкций, условий твердения.
 |
| Образцы – кубы (10x10x10 см) после испытаний на раскалывание из сталефибробетона, изготовленного с листовой фиброй (1), mfv = 1%, из бетона (2), фрезерованной, mfv = 2% (3), токарной (4) и проволочной (5) фиброй. |
Разные исследователи при определении физико-механических характеристик сталефибробетона, в зависимости от условий экспериментов, получали различные результаты. Ниже приведены некоторые обобщенные краткие данные.
Прочность
Под прочностью материала понимается тот максимальный уровень напряжений, который может выдержать материал без существенных изменений в своей структуре при ожидаемых условиях работы. Прочностные характеристики сталефибробетона зависят от класса исходного бетона — матрицы, параметров фибрового армирования, характера поверхности фибры, её геометрии и размеров сечения элемента и их соотношения.
Прочность при сжатии. Рост прочности СФБ при сжатии прямо пропорционален классу бетона — матрицы, увеличению содержания фибры, уменьшению относительной длины и практически не зависит от их диаметра. По данным исследований расчетное сопротивление СФБ сжатию – Rfb может превысить призменную прочность исходного бетона – Rb от 40% до 2-х раз. Прочность при сжатии СФБ является контрольной характеристикой при проектировании СФБК и может быть выбрана в соответствии с классом СФБ по прочности на сжатие Bf или определена расчетом.
Прочность при растяжении СФБ растет прямо пропорционально увеличению содержания фибры и их длины, а также при увеличении прочности сцепления фибры с матрицей. Прочность СФБ при растяжении является одной из определяющих характеристик материала. Независимо от длины и объемного содержания фибры прочность СФБ при осевом растяжении ( Rfbt ) иссякает с появлением первой трещины. По данным специалистов Rfbt превышает прочность исходного бетона при растяжении Rbt до 5 – 6 раз. Прочность на растяжение может быть выбрана в соответствии с классом СФБ по прочности на растяжение Bft или определена расчетом.
Прочность на растяжение при изгибе является одним из важных показателей СФБ, который зависит от содержания фибры и её длины, прочности её сцепления с бетонной матрицей, класса бетонной матрицы и превышает прочность исходного бетона в 3,5-5 раз. Как другие характеристики СФБ, прочность СФБ при изгибе может быть выбрана в соответствии с классом СФБ по прочности на растяжение при изгибе Bftb или определена расчетом .
Динамическая прочность СФБ при сжатии (призменная) на 35% выше прочности исходного бетона. Она возрастает с увеличением объемного содержания фибры и уменьшением их относительной длины. Развитие трещин и разрушение в сталефибробетоне наступает медленнее, чем в железобетоне, более чем в 10 раз. Причем вязкость разрушения, характерная для СФБ при воздействии ударной нагрузки, до 40 раз выше аналогичной характеристики бетона.
По литературным данным предел выносливости сталефибробетонных конструкций выше железобетонных на 30% и составляет 0,95 Rbn
Деформативность
Силовые деформации. Показателем деформативности СФБ является модуль деформации – непостоянная величина и существенно зависящая от стадийности работы. Начальный модуль упругости СФБ зависит как от соответствующего показателя исходного бетона, так и от коэффициента фибрового армирования. Значение начального модуля упругости СФБ выше соответствующей характеристики бетона матрицы на 30% … 100%.
Деформативность СФБ характеризуется, помимо указанного выше, предельными деформациями сжатия
efc,u и растяжения eft,u. Предельная сжимаемость СФБ efc,u превышает сжимаемость бетона до 3-х раз и составляет в среднем 12 x 10-3 , предельная растяжимость СФБ eft,u существенно выше аналогичной характеристики бетона, по имеющимся данным она составляет 6 … 8 x 10-4.
Деформации ползучести СФБ ниже ползучести исходного бетона при сжатии на
10 … 21%, при растяжении — на 40 … 50%.
Объемные деформации усадки. Можно отметить, что фибра сдерживает деформации усадки бетона в СФБ и способствует их более равномерному протеканию. Снижение деформаций усадки СФБ по отношению к неармированному бетону, по оценкам специалистов, составляет 30 … 60%. При повышенных температурах усадка СФБ ниже усадки исходного бетона на 10 … 23%.
Трещиностойкость
Для СФБ характерна высокая трещиностойкость, которая зависит не только от объемного содержания фибры, но и от дисперсности армирования. Чем более однородна бетонная матрица и, чем выше уровень дисперсности армирования, тем выше, при прочих равных условиях, предел трещиностойкости СФБ, который до 20-ти раз может превышать трещиностойкость исходного бетона.
Долговечность
Долговечность материала определяются такими его свойствами как, морозостойкость, коррозионная стойкость, водонепроницаемость и, косвенно, трещиностойкость. По оценкам специалистов СФБ характеризуется высокими показателями долговечности.
По экспериментальным данным, морозостойкость СФБ при объемном коэффициенты армирования ( mfv ) 0,01 в 7 раз выше по сравнению с исходным бетоном.
Водонепроницаемость СФБ, как другие его гидрофизические свойства, зависит от структуры материала, прямо пропорциональна дисперсности фибрового армирования и содержанию фибры в объеме материала конструкции. По оценкам специалистов, водонепроницаемость СФБ превышает эту характеристику бетона почти в 2 раза.
Коррозионная и фильтрационная стойкость СФБ определяются количеством фибровой арматуры и структурой порового пространства СФБ. Матрица СФБ обладает повышенными защитными свойствами по отношению к волокнам. Экспериментально доказано, что в СФБ образуются капилляры с размером не более
0,01 мм, а это делает его влагонепроницаемым, а значит и обладающим высокой коррозионной стойкостью, превышающей почти в 2 раза коррозионную стойкость исходного бетона.
Теплофизические свойства
Теплофизические свойства СФБ – теплопроводность lf , температуропроводность af , теплоемкость Сf , в общем случае зависят от объемного содержания фибры и влажности материала. Температуропроводность СФБ выше этого показателя исходного бетона до 16%; теплопроводность СФБ lf превышает теплопроводность исходного бетона l0 до 30%, теплоемкость СФБ практически равна теплоемкости бетона.
Огнестойкость. Пожаробезопасность. Огнеупорность
Сталефибробетон является более огнестойким материалом, чем сталь и железобетон, так как при температурах пожара он практически сохраняет на нормативный срок свои прочностные и деформативные свойства. Исследования СФБ, подвергнутого высокотемпературному нагреву при пожаре (до t = 500°С), проведенные с целью оценки его работоспособности, показали, что энергия разрушения СФБ до 200 раз превышает этот показатель обычного бетона, а коэффициент интенсивности напряжений – в 12 раз. При этом СФБ с фибрами из низкоуглеродистой стали выдерживает нагрев, без снижения прочности, до температуры 450 – 537°С; с фибрами из нержавеющей стали до температуры 1590 – 1595°С.
Истираемость
Исследования СФБ на истираемость свидетельствуют о структурном улучшении этого материала в сравнении с неармированным бетоном. Показатель истираемости улучшается, в среднем, в 2 раза сравнении с неармированным бетоном и фибры истираются совместно с бетонной матрицей.
Кавитационная стойкость
Кавитационная стойкость – это специфическое свойство СФБ, которое выделяет его из всех известных материалов. Эта характеристика в 2.5 раза выше, чем у неармированного или армированного другими способами бетона. Особенно она повышается при армировании стальными фибрами полимербетона. Для невысоких скоростей потока достаточной кавитационной стойкостью обладает СФБ и без полимерных добавок.
Источник
Влияние характеристик фибры на кубиковую и призменную прочность сталефибробетона с цементно-песчаной матрицей
Дорф В.А., к.т.н., Красновский Р.О., к.т.н., с.н.с., Капустин Д.Е., вед. инж., АО «Институт «Оргэнергострой», Горбунов И.А. к.т.н., проф. МГСУ
В практике строительства все шире стала применяться несъемная опалубка, в т.ч. сталефибробетонная [1], имеющая значительные преимущества перед железобетонной, цементно-стружечной, гипсокартонной, полиуретановой и стальной.
Хотя при укладке бетона в конструкцию листы несъемной сталефибробетонной опалубки работают на растяжение при изгибе, тем не менее, ее высокие прочностные и эксплуатационные характеристики (прочность при растяжении, ударная вязкость, трещино-, морозо- и пожаростойкость) позволяют рассматривать их и как несущие элементы железобетонных конструкций, частично или полностью заменяющие стальную арматуру, в том числе сжатую.
Прочностные характеристики матрицы сталефибробетона по прочности на сжатие по СП 52-104 [6] определяются ее классом, связанным с кубиковой прочностью, поскольку при подборе состава матрицы, испытывают образцы кубы. Затем, исходя из полученных данных об однородности бетона, по ГОСТ 18105 [7] проверяют, соответствует ли полученная кубиковая прочность заданному классу.
Нормативное сопротивление Rb,n, то есть призменную прочность Rps матрицы при расчете сталефибробетонных конструкций находят для каждого класса бетона матрицы по таблицам СП 52-104. Взаимосвязь между кубиковой R и призменной Rps прочностью определяется коэффициентом призменной прочности Kps=R/Rps. Его физический смысл связан с различием характера напряженного состояния в образцах в форме куба и призмы, а также принятой достоверностью результатов испытаний. Коэффициент имеет разные значения для каждого из классов от В10 до В60, уменьшаясь от 0.75 до 0.717. При этом обеспеченность кубиковой прочности принята равной 0.95, а призменной — 0.99.
Расчетное сопротивление матрицы (Rb) по СП 52-104 линейно связано с нормативным сопротивлением (Rb,n) через коэффициент надежности gb (Rb=Rb,n/gb), который зависит от группы предельного состояния.
Для сталефибробетона в СП 52-104 не дано определения понятиям «класс» и «нормативная прочность», и не приведены их значения, а расчетное сопротивление сжатию определяется по линейной зависимости ( — расчетное сопротивление волокон фибры, — процент фибрового армирования, — коэффициент ориентации волокон фибры в сечении, — коэффициент эффективности косвенного армирования).
ЗАО «Институт» Оргэнергострой» совместно с МГСУ в последние несколько лет проводит комплексные работы, связанные с вопросами изготовления, конструирования, расчета и применения несъемной сталефибробетонной опалубкой [2]. Поскольку прочностные характеристики сталефибробетона на сжатие помимо прочностных характеристик матрицы определяются также и прочностными, геометрическими и конструктивными характеристиками волокон фибры и процентом фибрового армирования, то их влияние было рассмотрено в наших исследованиях.
В СП 52-104 наибольший класс матрицы сталефибробетона по прочности на сжатие принят В60. Однако для обеспечения заделки в матрице волокон стальной фибры класс матрицы должен быть более высоким. Поэтому в наших исследованиях была принята цементно-песчаная матрица из самоуплотняющейся смеси (Таблица 1) с классом B 80. Водоцементное отношение находилось в пределах 0,25-0,26.
Таблица 1 — Состав цементно-песчаной матрицы (в кг/м3)
Цемент ЦЕМ I класса 42,5 | Песок | Вода | Микрокремнезем | Гиперпластификатор |
800 | 1250 | 260 | 45 | 8 |
Обычно в мировой практике применяют сталефибробетон с процентом армирования по объему не более 1,5 (как правило, 0,5 …1 %) [3]. Из такого материала изготавливают относительно массивные конструкции, такие как фундаментные плиты, сваи, тоннельные обделки. Однако в случае несъемной опалубки, как показывают наши расчеты и анализ литературных данных [4], процент армирования должен быть не менее трех. Поэтому содержание фибры в наших экспериментах варьировалось от 0,5 до 6 % по объему.
В настоящее время на рынке имеется ряд видов стальной фибры (Рисунок 1, Рисунок 2), различающейся способом изготовления (рубленная из проволоки, резаная из листа, фрезерованная из слябов), прочностью стали, формой волокон и их геометрическими характеристиками (диаметр, длина), а также способом обеспечением сцепление волокон фибры с матрицей. Последнее достигается либо за счет создания на концах волокон того или иного типа анкеров, либо за счет придания волокну переменного или волнистого профиля (по аналогии со стержневой арматурой периодического профиля).
а) 
б)
Рисунок 1 — Волокна фибры с анкерами по концам
а) строганная из слябов типа Harex 32´1.2, б) проволочная ФСП-А 30´0.3
а)
б) в)
Рисунок 2 — Волокна фибры переменного профиля:
а) строганная из листа ФСЛ 40´0.8, б) проволочная волнистая ФСП-Люкс 15´0.3,
в) проволочная волнистая ФСП-В 30´0.8
Учитывая малую толщину листов фибробетонной опалубки и то, что в качестве матрицы нами был принят цементно-песчаный раствор, были введены ограничения по длине и диаметру волокон фибры, соответственно, не более 40 мм и не более 1 мм. Исходя из этих предпосылок, были рассмотрены следующие виды фибры (Таблица 2).
Таблица 2 — Характеристики фибры
Вид фибры | Характеристика фибры | Длина волокна, мм | Диаметр волокна, мм | Нормативное сопротивление растяжению, МПа | Модуль упругости, МПа |
Harex 32´1.2 | Фрезерованная из слябов с анкерами | 32 | 1,2 | 600 | 200000 |
ФСП-В 30´0.8 | Волнистая рубленная из проволоки | 30 | 0,8 | 860 | 190000 |
ФСП-Люкс 15´0.3 | 15 | 0,3 | 2450 | 190000 | |
ФСЛ 40´0.8 | Переменного профиля резанная из стального листа | 40 | 0,8 | 580 | 210000 |
ФСП-А 30´0.3 | Рубленная из проволоки с анкерами | 30 | 0,3 | 2650 | 190000 |
Кубиковую прочность матрицы () и сталефибробетона () определяли по ГОСТ 10180 [8] на кубах с ребром 70 мм.
Характер разрушения кубов зависел от процента армирования. При содержании фибры менее 1 % образцы после разрушения имели форму в виде двух пирамид (Рисунок 3а), характерную для обычного бетона. При большем же содержании фибры при разрушении форма куба сохранялась (Рисунок 3б) и при этом образовывались трещины, примыкающие к боковым граням образца.
a)
б)
Рисунок 3 — Характер разрушения образцов кубов а) матрица, б) сталефибробетон
Из полученных результатов (Таблица 3 и Рисунок 4) видно, что увеличение процента армирования даже до шести позволяет повысить кубиковую прочность, как правило, не более, чем на 10…20 % и только в отдельных случаях — на 30…40 %. Аналогичные результаты были получены при более высоких классах матрицы при увеличении процента фибрового армирования до 2.5 [5]. Такое повышение можно получить и без применения фибры при соответствующем подборе состава матрицы.
Таблица 3 — Результаты испытания образцов-кубов из сталефибробетона
Тип фибры | Диаметр | Нормативное сопротивление волокон фибры , МПа | Экспериментальное сопротивление сжатию фибробетона, МПа |
ФСП 30´0.8 | 0,8 | 860 | 56,7 |
Harex 32´1.2 | 1,2 | 600 | 60,3 |
ФСЛ 40´0.8 | 0,8 | 580 | 47,5 |
ФСЛ-Люкс 15´0.3 | 0,3 | 2450 | 47,7 |
Полученный результат можно объяснить тем, что цементно-песчаный раствор матрицы разрушается с образованием трещин, расположенных параллельно сжимающим напряжениям. После их образования волокна фибры начинают работать как центрально сжатые стержни и теряют устойчивость до достижения предела упругости стали. Поэтому ни увеличение диаметра волокон, ни увеличение сопротивления стали не приводит к закономерному увеличению сопротивления сжатию сталефибробетона.
Рисунок 4- Зависимость кубиковой прочности от процента армирования по объему
Из графиков (Рисунок 4) также видно, что изменение кубиковой прочности при росте процента армирования имеет нелинейный неоднозначный характер, особенно в пределах от 0 до 1,5 %. По-видимому, нелинейность обусловлена различным характером распределения волокон фибры в матрице. При £(0,5…1) % волокна фибры расположены друг от друга на расстояниях, исключающих их взаимодействие и образование каркаса. Каждое волокно препятствует развитию микротрещин и тем самым повышает кубиковую прочность.
При боле 1 % число волокон фибры становится таким, что они, вращаясь при ее перемешивании и укладке, препятствуют уплотнению матрицы (Рисунок 5), что приводит к снижению прочности. При более 1,5 % волокна образуют армокаркас, препятствующий вращению отдельных волокон и не оказывающий при этом влияния на степень уплотнения матрицы. В результате кубиковая прочность сталефибробетона линейно растет с ростом процента армирования.
Рисунок 5 — Зависимость объемной массы сталефибробетона от процента армирования
Призменную прочность матрицы и сталефибробетона определяли на призмах 40×40×160 мм по аналогии с ГОСТ 24452 [9] с учетом рекомендаций МИ 11-87 [10].
Разрушение призм проходило с образованием трещин, расположенных вдоль оси действия сжимающих напряжений (Рисунок 6).
а) 
б) 
Рисунок 6 — Характер разрушения призм из сталефибробетона с разным содержанием фибры: а) £1,5 % б) ³1,5%)
При малом содержании фибры образцы разрушались хрупко, разделяясь на части (Рисунок 6 а), которые разлетались на значительное расстояние. При большом содержании фибры (Рисунок 6 б) образцы сохраняли свою форму, и разрушение не носило хрупкого характера.
Из результатов испытания (Рисунок 9) следует, что увеличение процента армирования до шести не позволяет, в отличие от кубиковой прочности, повысить призменную прочность, за исключением сталефибробетона с фиброй ФСЛ 40×0.8.
Рисунок 7 — Зависимость призменной прочности сталефибробетона от процента армирования
Полученный результат можно объяснить, исходя из тех же предпосылок, что и в случае кубиковой прочности, добавив влияние отношения длины волокон фибры к длине образца, приводящее к более ранней потере устойчивости волокнами фибры. Последнее, по-видимому, в меньшей степени относится к сталефибробетону фиброй ФСЛ 40×0.8, имеющей наиболее длинные и достаточно жесткие волокна.
Анализ значений коэффициента призменной прочности показал, что для матрицы он был достаточно близок к классу B60 (=0,76). Однако для сталефибробетона за счет снижения с ростом процента армирования призменной прочности коэффициент призменной прочности () тоже снижается, в среднем, до 0,6 (Рисунок 8).
В первом приближении изменение коэффициента призменной прочности сталефибробетона от процента фибрового армирования можно описать линейной зависимостью .
Рисунок 8 — Зависимость коэффициента призменной прочности от процента армирования
Выводы
Кубиковая и призменная прочность зависят от вида применяемой фибры.
Увеличение процента армирования маллоэффективно для повышения кубиковой прочности сталефибробетона.
Увеличение процента армирования практически не повышает призменную прочность сталефибробетона.
Коэффициент призменной прочности сталефибробетона снижается с ростом процента армирования за счет снижения призменной прочности.
Увеличение процента армирования снижает вероятность хрупкого разрушения сталефибробетона при сжатии, что имеет немаловажное значение для высокопрочных бетонов.
Источник