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 R_b,n, то есть призменную прочность R_ps матрицы при расчете сталефибробетонных конструкций находят для каждого класса бетона матрицы по таблицам СП 52-104. Взаимосвязь между кубиковой R и призменной R_ps прочностью определяется коэффициентом призменной прочности K_ps=R/R_ps. 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 (R_b) по СП 52-104 линейно связано с нормативным сопротивлением (R_b,n) через коэффициент надежности g_b (R_b=R_b,n/g_b), 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 Sika ViscoCrete 5-800
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 волокна, мм	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.