Определение прочностных и энергетических характеристик фибробетона. Методические указания

Сучетом этого задача проектирования составов фибробетоновсводитсякрациональномувыборудисперснойарматуры,

внаибольшей степени соответствующей назначению и условиям работы конструкции.

Таким образом, при формулировании задания на проекти-

рование состава фибробетона необходимы следующие сведения:размеры и вид изделия (конструкции);пределпрочностифибробетонанарастяжениеприизгибе,

предел прочности при сжатии, трещиностойкость и вязкость

разрушения;вопределенныхслучаях–морозостойкость,истираемость,

водонепроницаемость и другие характеристики композита. При проектировании состава любого бетона необходимо

стремиться к минимизации расхода цементного теста, поэтому определение оптимального состава мелкозернистого фибробетона целесообразно начинать с определения модуля эффективности, который показывает количество цементного теста, необходимое для заполнения пустот песка и создания контактных зон

ввиде тонких пленок на поверхности его зерен.

Сучетом этого процедура проектирования состава мелкозернистого фибробетона выглядит следующим образом:

1. Рассчитывают значение модуля эффективности по формуле

где α – пустотность песка в уплотненном состоянии; ρупл – насыпная плотность песка в уплотненном состоянии, кг/дм3; δ – толщина пленки цементного теста на поверхности зерен песка; S – удельная поверхность песка, дм2/кг.

Для получения численных значений α и ρупл используется стандартная лабораторная виброплощадка.

2. Определяют удельную поверхность мелкого заполнителя по формуле А. С. Ладинского

11

гдеKф –поправочныйкоэффициент(табл.3),учитывающийфор- му зерен заполнителя; а, b, с, d, e, f – частные остатки на ситах с размером отверстий 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,14 и менее 0,14 мм соответственно, %.

где A – коэффициент, равный 0,8 для высококачественных материалов, 0,75 для материалов среднего качества и 0,65 – для цемента низких марок и мелкого песка; Rц – активность цемента, МПа; Rб – заданная прочность мелкозернистого бетона, МПа.

Ориентировочные предельные значения В/Ц приведены в табл. 4.

4.Устанавливают действительную среднюю плотность свежеприготовленной бетонной смеси и коэффициент уплотнения, равный соотношению между значениями действительной и расчетной плотности материала.

5.Определяют соотношение между цементом и песком по формуле, которая учитывает полученное ранее значение Мэф:

12

где ρц.т – плотность цементного теста, кг/дм3; Mэф – модуль эффективности; В/Ц – водоцементное отношение.

6. Рассчитывают расход компонентов на 1 м3 бетонной смеси по формулам (8) – для песка, (9) – для цемента, (10) – для воды:

где ρпи – истинная плотность песка, г/см3;

где n – цементно-песчаное отношение;

7. Рассчитывают объемную долю волокон, необходимую для получения заданной прочности фибробетона на растяжение при изгибе. При прочной связи фибры с бетонной матрицей коэффициент армирования определяется по формуле

При недостаточном сцеплении фибры с матрицей композита коэффициент армирования определяют по формуле

где Rфб, Rф, Rк.з, Rб – прочность фибробетона, фибры, контактной зоны(Rк.з=1,4Rц.к)ибетона,МПа;l,d –длинаидиаметрфибры,мм; τсц – прочность сцепления фибры с матрицей, МПа.

13

8. Рассчитывают объемную долю волокон, обеспечивающую заданную вязкость разрушения фибробетона. Если разрушение композита происходит в результате разрыва волокон (при l > lкр), для расчета применяется формула

В случае разрушения фибробетона в результате нарушения сцепленияивытягиванияволоконизбетоннойматрицы(приl < lкр) используется формула

где Wфб – энергия, затрачиваемая на разрушение фибробетона, Дж; σф – максимальное нормальное напряжение в фибре,

lкр σф 2dτсц .

Дляобеспечениязаданныххарактеристик фибробетонапринимают наибольшее значение μ, полученное в результате выполненных расчетов.

9. Определяют расчетную среднюю плотность фибробетонной смеси

где m и V – масса и объем компонентов фибробетонной смеси, кг и м3.

Путем сравнения расчетной средней плотности с действительной, измеренной после формовании образцов, устанавливают коэффициент уплотнения kупл по формуле

ρдейств

kупл ρфбрасч.с . (16) фб.с

14

10. С учетом полученного коэффициента уплотнения устанавливают окончательный расход материалов на 1 м3 мелкозернистой фибробетонной смеси по формуле

где mц (mп, mв, mф) – действительный расход цемента, песка, воды и фибры, учитывающий коэффициент уплотнения, кг; mцрасч (mпрасч, mврасч, mфрасч) – расчетный расход цемента, песка, воды и фибры, кг; kупл – коэффициент уплотнения.

11. Результаты выполненной лабораторной работы заносят в табл. 5.

Таблица 5

Состав фибробетонной смеси

Лабораторная работа № 3

Проектирование состава тяжелого фибробетона

Для определения состава тяжелого бетона существует ряд расчетно-экспериментальных методов, наиболее распространенным из которых является метод абсолютных объемов, согласнокоторомусуммаобъемоввсехкомпонентоврационально подобранной, хорошо перемешанной и тщательно уплотненной бетонной смеси (без пор и пустот) составляет 1 м3 (1000 л):

где mц, mп, mщ, mв – расход цемента, песка, щебня и воды на 1 м3

бетонной смеси, кг; ρиц , ρип , ρищ – истинная плотность цемента, песка и щебня, кг/м3.

15

Рассчитываютсоставбетонапометодуабсолютныхобъемов

вследующей последовательности:

1.Определяют водоцементное отношение (В/Ц) исходя из

требуемой прочности бетона (Rб) по формулам (19) и (20), после чего применяют выполненное неравенство:

взависимостиотпринятойподвижностиилижесткостибетонной смеси и наибольшего размера зерен крупного заполнителя.

16

Окончание табл. 7

Примечания: 1. Расход воды приведен для смеси на портландцементе с нор-

к= 2.

2.При изменении нормальной густоты цементного теста на каждый процент

вменьшую сторону расход воды уменьшается на 3–5 л, в большую сторону – увеличивается на 3–5 л/м3.

3.При изменении модуля крупности песка на каждые 0,5 в меньшую сторону расход воды увеличивается на 3–5 л, в большую сторону – уменьшается на 3–5 л/м3.

3. Вычисляют расход цемента на 1 м3 бетонной смеси по формуле

где mв – расход воды на 1 м3 бетонной смеси, л; В/Ц – водоцементное отношение, доли.

4. Расход щебня и песка на 1 м3 бетонной смеси вычисляют по формулам (22) и (23):

ρиц – истинная плотность щебня, песка и цемента, кг/м3; ρнщ – насыпная плотность щебня, кг/м3.

17

Значение коэффициента раздвижки зерен kр для умеренно жестких бетонных смесей принимают 1,15–1,2, а для жестких бетонных смесей – 1,0–1,1. Для подвижных бетонных смесей значения зависят от расхода цемента и принимают их согласно данным табл. 8.

Таблица 8

Значение коэффициента раздвижки зерен kр заполнителя для подвижных смесей

Примечания: 1. При других значениях Ц и В/Ц коэффициент α находят интерполяцией.

2. При использовании мелкого песка с водопотребностью более 7 % коэффициент α уменьшают на 0,03 на каждый процент увеличения водопотребности песка. Если применить крупный песок с водопотребностью менее 7 %, коэффициент α увеличивают на 0,03 на каждый процент уменьшения водопотребности песка.

5.По формулам (11) и (12) рассчитывают объемную долю волокон, необходимую для обеспечения заданной прочности на растяжение при изгибе.

6.По формулам (13) и (14) рассчитывают объемную долю волокон, обеспечивающую получение фибробетона заданной вязкости разрушения.

Для обеспечения заданных характеристик фибробетона выбирают наибольшее значение μ, полученное в ходе вышеизложенных расчетов.

7.Определяютрасчетнуюплотностьуплотненнойбетонной смеси ρб.с по формуле

18

8.Сравнивают расчетную среднюю плотность с действительной, измеренной при проведении формования, и при надобности проводят корректировку состава.

9.Поокончаниилабораторнойработывтабл.9студентызаписывают спроектированный ими состав фибробетонной смеси.

Таблица 9

Состав фибробетонной смеси

Лабораторная работа № 4

Определение прочностных и энергетических характеристик фибробетона

Прочностные и энергетические характеристики используют для сравнения различных вариантов составов, технологических процессов, изготовления и контроля качества бетонов, сопоставлениябетоновприобоснованииихвыборадляконструкций,расчетов конструкций с учетом их дефектности и условий эксплуатации и анализа причин разрушений конструкций.

Определение прочностных и энергетических характеристик бетона при равновесных и неравновесных механических испытаниях производят в соответствии с требованиями ГОСТ 29167 «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении», в котором приводится методика испытаний и обработки результатов эксперимента.

В данной лабораторной работе испытания фибробетонных образцов производят по неравновесной схеме. По результатам испытаний определяют следующие основные характеристики: Rизг – прочность на растяжение при трехточечном изгибе, МПа; K*c – условный критический коэффициент интенсивности напря-

19

жений (показатель трещиностойкости), МПа·м0,5; χcF – критерий хрупкости (показатель вязкости разрушения), м.

Лабораторная работа выполняется следующим образом:

1.Изготавливают образцы для испытаний в соответствии

сГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» сериями не менее чем из четырех штук каждая. Перед проведением испытаний при помощи режущего инструмента выполняют начальные надрезы, ширина которых

должна не превышать 0,5dзап и быть не более 2 мм. Размеры образцов и начальных надрезов следует подбирать исходя из максимальной крупности применяемого заполнителя (табл. 10).

2. Определяют энергетические характеристики материала, для чего образцы подвергают испытаниям на прочность при трехточечном изгибе (рис. 5).

Рис. 5. Схема проведения испытаний и размеры образца

20