Определение прочностных и энергетических характеристик фибробетона. Методические указания

Министерство образования и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Строительный факультет

Кафедра технологии строительных материалов и метрологии

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ФИБРОБЕТОНА

Методические указания

Санкт-Петербург

2017

УДК 693.554-486; 691.328

Рецензент канд. техн. наук, доцент В. Д. Староверов (СПбГАСУ)

Определение прочностных и энергетических характе-

ристик фибробетона: метод. указания / сост. Ю. В. Пухаренко, Д.А.Пантелеев,М.И.Жаворонков;СПбГАСУ.–СПб.,2017.–28c.

Представлены общие сведения о фибробетонах. Описана последовательность проектирования состава фибробетонов с заданными свойствами расчетно-экспериментальным методом. Приведены методики определения основных характеристик фибробетона: прочности, трещиностойкости и вязкости разрушения.

Предназначены для выполнения лабораторных учебно-исследователь- ских работ по курсу «Современные строительные композиты» для студентов строительных специальностей.

Табл. 12. Ил. 5. Библиогр.: 8 назв.

© Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2017

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания разработаны с целью углубления профессиональной подготовки студентов в области современного строительного материаловедения, формирования у будущих специалистов полного представления об основных видах композиционных материалов для современного строительства, о сложных процессах, обусловливающих формирование их структуры, а также прочностных и энергетических характеристик, о взаимосвязи их с состоянием исходных материалов, составами и технологическим процессом получения изделий и конструкций, о критериях выбора и эффективного использования различных композитов в зависимости от конкретных условий их эксплуатации. Наиболее яркими представителями в ряду строительных композитов являются фибробетоны, в которых собраны воедино лучшие качества исходных составляющих – армирующих волокон и бетона.

Фибробетон представляет собой композиционный материал, состоящий из цементной матрицы (плотной или поризованной, с заполнителем или без него) с равномерным или заданным распределением по ее объему ориентированных или хаотично расположенных дискретных волокон (фибр) различного происхождения, размеров и формы.

Волокна могут быть высокомодульными (модуль упругости волокна выше модуля упругости тяжелого бетона) и низкомодульными (модуль упругости волокна ниже модуля упругости тяжелого бетона).

Путем дисперсного армирования можно добиться улучшения физико-механических и деформативных характеристик бетона, таких как прочность, трещиностойкость, ударная вязкость, износостойкость и др.

Область применения фибробетонов достаточно обширна:

несущие и ограждающие конструкции общестроительного назначения (забивные сваи; плиты покрытий и перекрытий, кровельные панели; колонны и балки с зонным дисперсным армированием; дорожные и аэродромные покрытия, полы; тонкостенные плоские, профилированные и пространственные конструкции ограждений; стеновые и облицовочные панели; про-

3

странственные конструкции; лотки и каналы; формы и несъемная опалубка для бетонирования традиционных конструкций);инженерные сооружения (очистные сооружения; резер-

вуары для воды, нефти и нефтепродуктов; подпорные стены);сооружения специального назначения (гидротехниче-

ские сооружения, тоннели; контейнеры для радиоактивных отходов; банковские хранилища).

4

ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Композиционными материалами (композитами) называют гетерогенные тела, образованные объемным сочетанием разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. Композит характеризуется свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности.

Матрица – структурная составляющая материала, которая объединяет многочисленные волокна в единый композит, придает изделию из него форму и обеспечивает восприятие усилий, действующих перпендикулярно волокнам.

Фибра – рыхлый материал в виде совокупности дискретных волокон разного происхождения и типоразмеров, который предназначен для дисперсного армирования бетонов и служит в качестве упрочнителя и модификатора структуры композита.

Условный критический коэффициент интенсивности на-

пряжений – показатель трещиностойкости, характеризующий способность бетона сопротивляться возникновению трещины при механических и других воздействиях. Условное критическое состояние материала при динамическом начале движения магистральной трещины.

Критерий хрупкости – показатель вязкости разрушения, ха-

рактеризующий способность бетона сопротивляться развитию движения магистральной трещины при механических и других воздействиях.

Модуль упругости (модуль Юнга) – характеристика сопротивления материала растяжению/сжатию при упругой деформации, или свойство объекта деформироваться вдоль оси при воздействии силы вдоль этой оси; определяется как отношение напряжения к деформации.

Трещина – полость, образованная без удаления материала двумя соединенными внутри тела поверхностями, которые при отсутствии в нем напряжений удалены друг от друга на расстояния во много раз меньше протяженности самой полости.

Магистральная трещина – трещина, протяженность которой превосходит размеры структурных составляющих материалов и областей самоуравновешенных напряжений и по поверхностям которой произойдет деление образца на части.

5

Равновесные испытания на стадии локального деформирования образца характеризуются обеспечением адекватности изменения внешних сил внутренним усилиям сопротивляемости материала с соответствующим статическим развитием магистральной трещины.

Неравновесные испытания характеризуются потерей устойчивости процесса деформирования образца в момент локализации деформации по достижении максимальной нагрузки с соответствующим динамическим развитием магистральной трещины.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Лабораторная работа № 1

Определение механических характеристик фибры

Сущность методики заключается в нахождении опытным путем такого минимального содержания фибры, до которого вводимые волокна практически не проявляют армирующего эффекта, но после которого наблюдается устойчивый рост прочности композита. Согласно предлагаемой методике для проведения эксперимента в качестве исходной смеси используется цементное тесто нормальной густоты, определяемое в соответствии с ГОСТ 310.3 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема».

В соответствии с методикой лабораторная работа выполняется следующим образом:

1. Подготовленную навеску портландцемента засыпают

впредварительно протертую влажной тканью сферическую чашу. В цементе делают углубление и вливают заранее определенноеколичествоводы,необходимоедляполученияцементного теста нормальной густоты. После затворения водой углубление засыпают цементом и через 30 секунд начинают перемешивание компонентов металлическим мастерком, которое продолжают

втечение 5 минут.

2.Изготавливают три образца-балочки контрольного состава (неармированные)размером40×40×160мм.Дляэтогоиспользуют трехгнезднуюстальнуюформу(рис.1),предварительносмазанную машинным маслом. Форму устанавливают на виброплощадке

6

и заполняют приготовленной смесью приблизительно на 1 см, после чего включают виброплощадку, и в течение двух минут все три гнезда формы равномерно небольшими порциями заполняются цементным тестом. По истечении трех минут от начала вибрации отключают виброплощадку, срезают излишки, выравниваютповерхностьобразцовипроизводятихмаркировку.

Рис. 1. Форма для образцов-балочек

3.Подобным образом изготавливают фибробетонные образцы

сразличным содержанием волокон. При этом в процессе перемешивания в цементное тесто добавляют фибру и обеспечивают ее равномерное распределение по всему объему замеса.

4.Образцы хранятся в ванне с гидравлическим затвором на протяжении 24 часов (рис. 2), после чего их освобождают от форм и помещают в шкаф нормального твердения со стандартными условиямисреды:температура20±2°C,относительнаявлажность95±5%.

Рис. 2. Ванна с гидравлическим затвором: 1 – ванна; 2 – герметичная крышка; 3 – столик

7

5. Через 28 суток нормального твердения контрольные (неармированные) и фиброцементные образцы взвешивают иподвергаютиспытаниямвсоответствиисГОСТ10180«Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». По формуле (1) вычисляют предел прочности при трехточечном изгибе:

где P – разрушающая нагрузка, МН; l – расстояние между опорами, мм; b – ширина образца, мм; h – высота образца, мм.

Схема испытания фиброцементных образцов приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема испытания образца на растяжение при трехточечном изгибе: b, h, L – ширина, высота и длина образца; P – нагрузка; l – расстояние между опорами

6. Результаты определения прочности заносят в табл. 1.

Таблица 1

Результаты испытаний фиброцементных образцов

Объемное содержание волокон μ, %

Прочность на растя-

жение при изгибе Rизг, МПа

7. По полученным данным строят график зависимости «прочность на растяжение при изгибе – объемное содержание

8

волокон» (рис. 4), по которому определяют положение точки, характеризующей минимальный процент армирования, после которого наблюдается устойчивый рост прочности.

Рис. 4. Зависимость прочности фиброцемента от концентрации волокон

8.Визуально определяют характер разрушения образцов

ирассчитывают прочностную характеристику фибры.

В случае разрушения композита за счет разрыва волокон вычисляют прочность фибры по формуле (2). Если разрушение фиброцемента происходит в результате вытягивания волокон из матрицы,тоопределяютхарактеристикусцепленияпоформуле(3):

где Rф, Rфц, Rц.к и Rк.з = 1,4Rц.к – прочность фибры, фиброцемента, цементного камня и контактной зоны, МПа; min – коэффициент армирования (содержание волокон в объемных долях); l и d – длина и диаметр фибры, мм.

9. По результатам выполненных исследований оформляют отчет, итогом которого является определение значений механических характеристик волокон, которые записывают в табл. 2.

9

Лабораторная работа № 2

Проектирование состава мелкозернистого фибробетона

Отличительной особенностью дисперсно армированных бетонов является наличие в их составе дискретных волокон, влияние которых на изменения, происходящие в структуре и свойствах материала, необходимо учитывать при назначении его состава. При этом структурообразующая роль армирующих волокон (фибры) заключается в следующем:

фибра является наиболее активной частью заполнителя, которая, взаимодействуя с цементной матрицей, служит в качестве подложки для формирования контактных зон на границе раздела фаз;

за счет своей развитой поверхности дисперсная арматура создает поверхностный потенциал и оказывает определенное влияние на величину адгезии цементных зерен;

дисперсная арматура при определенном объемном армировании образует пространственный каркас, тем самым формирует минимальную пустотность и сокращает расход вяжущего;

за счет высокой степени дисперсности и создания непрерывного пространственного каркаса дисперсная арматура создает препятствия для возникновения и распространения трещин;

тесное взаимодействие дисперсной арматуры с матрицей на границе раздела фаз обеспечивает высокое сцепление между компонентами.

10