ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ БАЗАЛЬТОФИБРОБЕТОНА ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДЕЙСТВИИ СЖИМАЮЩЕЙ НАГРУЗКИ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных для определения параметрических уровней трещинообразования и характера разрушения базальтофибробетона, технология которого основана на предварительном перемешивании базальтовых волокон с крупным заполнителем. Использование данной технологии показала положительные результаты для обеспечения равномерного распределения базальтовых волокон по всему объему бетона, о чем свидетельствуют данные по прочностным и деформативным характеристикам по отношению к обычному бетону без добавки. Установлено положительное влияние дисперсного армирования бетона базальтовыми волокнами на его параметрические уровни трещинообразования и характер разрушения.

На основе обработки данных предложена корреляционная зависимость для расчетной оценки параметрических уровней трещинообразования базальтофибробетона, от которых во многом зависят его другие характеристики - длительная прочность, деформации ползучести, выносливость, сопротивляемость динамическим и циклическим воздействиям и др.

ABSTRACT

This article presents the results of experimental studies conducted to determine the parametric levels of cracking and the nature of destruction of basalt fiber concrete, the technology of which is based on the preliminary mixing of basalt fibers with coarse aggregate. The use of this technology has shown positive results in ensuring a uniform distribution of basalt fibers throughout the volume of concrete, as evidenced by the data on strength and deformation characteristics in relation to ordinary concrete without additives. A positive effect of dispersed reinforcement of concrete with basalt fibers on its parametric levels of cracking and the nature of destruction has been established.

Based on data processing, a correlation dependence is proposed for the calculated assessment of the parametric levels of cracking of basalt fiber concrete, on which its other characteristics largely depend - long-term strength, creep deformation, endurance, resistance to dynamic and cyclic effects, etc.

Ключевые слова: базальтофибробетон, прочность, деформативность, трещинообразование, состав, нагружение, характер разрушения, результат.

Keywords: basalt fiber concrete, strength, deformability, cracking, composition, loading, nature of destruction, result.

Введение. В области современного строительства в последние годы наметилась тенденция использования дисперсно армированных бетонов с различными волокнами, из которых можно выделить базальтовых волокон на основе местных сырьевых материалов.

Применение базальтофибробетонов затруднено в связи с отсутствием доступной и надежной технологии получения таких бетонов со стабильными свойствами, а также не достаточной изученностью вопросов трещинообразования и характера их разрушения при действии кратковременной осевой сжимающей нагрузки.

Применение базальтовых волокон при дисперсном армировании бетонов позволяет не только увеличить прочностные показатели, но и значительно улучшить его деформативные характеристики (предельные деформации при сжатии и растяжении, начальный модуль упругости и др.).

По данным [1] диаграммы "напряжение- деформация" для базальтофибробетона имеет общий характер с обычным бетоном и вследствие развития дефектов структуры являются нелинейными, содержащими ярко выраженные нелинейные восходящий и нисходящий участки.

Трещиностойкость - комплексное свойство бетона, которая определяется микротрещинообразованием его структуры под действием внешней нагрузки и параметров внешней среды, зависит от многих факторов, в том числе и от вида бетона. В связи с этим есть все основания полагать, что для базальтофибробетона, определяющим его трещиностойкость, является прочность на растяжение и предельная растяжимость.

Материалы и методика исследований. В качестве крупного заполнителя использовали гранитный щебень Куйлюкского карьера с максимальной крупностью 20 мм. Мелким заполнителем служил речной песок с модулем крупности 2,39. Крупный и мелкий заполнители по своим свойствам удовлетворяют требованиям соответствующих стандартов.

Бетонные смеси с подвижностью 5-6 см укладывали в металлические формы и уплотняли на лабораторном вибростоле с частотой колебаний 3000 об/мин и амплитудой 0,5мм.

Для изготовления опытных образцов кубов и призм использовали две серии бетонных и базальтофибробетонных смесей с расходом портландцемента марки 400 соответственно 425 и 530 кг/м³. Расход базальтовых волокон местного производства был принят 1% от расхода вяжущего на один м³ бетонной смеси.

Образцы в течение суток твердели в формах, после распалубки хранились в лабораторных условиях, где температура составляла 20±2 С, влажность 70±5%.

Для приготовления базальтофибробетонной смеси использовали способ предварительного перемешивания в гравитационном бетоносмесителе 50% ного количества щебня с базальтовым волокном, вводимого 3-4 порциями [2].

Для изучения и сравнения прочностных и деформационных характеристик базальтофибробетона и обычного бетона под кратковременной нагрузкой были изготовлены образцы-кубы с размером ребра 10 см и образцы-призмы размерами 10×10×40 см. Испытания образцов под кратковременной нагрузкой проводились в возрасте 28-40 суток.

По результатам испытаний кубов назначался режим нагрузки для проведения кратковременных испытаний призматических образцов. Нагрузка на призмы прикладывалась ступенями, равными примерно 10 % ожидаемой призменной прочности вплоть до разрушения. Образцы центрировались в прессе по физическому центру при нагрузке, соответствующей двум ступеням нагружения. Выдержка нагрузки на каждой ступени составляла 5 минут.

Измерения продольных и поперечных деформаций призм проводились с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,001 мм, установленных на специальных съемных металлических рамках (рис.1).

Рисунок 1. Бетонная призма перед испытанием

Методика обработки опытных результатов. Исследованиями [3,4] установлено, что с ростом нагрузки сжатия отклонение диаграммы “σ−ε” от прямолинейной обусловлено преимущественно нарушением сплошности бетона (при превышении границы микроразрушений ) и последующим развитием микротрещин в бетоне.

Определение величин напряжений, соответствующих нижней границе микроразрушений  и условной верхней границе микротрещин  при сжатии, осуществлялось по результатам измерений продольных и поперечных деформаций образца.

Дифференциальный коэффициент поперечной деформации вычислялся по величинам приращения поперечных (Δε₂​) и продольных (Δε₁​) деформаций:

                                                    (1)

Уровень напряжений, соответствующий началу отклонения величины  от постоянного значения, принимался как параметрический уровень
​, а достижение значения  соответствовало условной верхней границе микротрещин ​. Подробный анализ параметрических уровней ​ и ​ был сделан также по кривым изменения полного объема образца  и его приращения Δ. Изменение полного относительного объема  на каждой ступени нагружения вычисляли по формуле:

                                           (2)

где и ​ — суммарные относительные продольные и поперечные деформации. Приращения относительного объема образца вычисляли по формуле:

                                   (3)

В настоящих исследованиях указанные методы были впервые использованы для изучения структурных характеристик базальтофибробетона и их изменения под нагрузкой.

Результаты и обсуждение. На рис.2 показаны характерные зависимости дифференциального коэффициента поперечной деформации (а), объема образца (б), и его приращений (в). Эти зависимости дают возможность установить параметрические точки процесса разрушения и на этой основе выявить особенности процесса микроразрушения в бетонах.

Рисунок 2. Графики изменения объема бетонных призм(а), рост объемных деформаций(б) и изменение дифференциального коэффициента поперечной деформации(в)

°- для базальтофибробетона; •- для тяжелого бетона

При рассмотрении рис. 2 обращает на себя внимание наличие во всех случаях достаточно четких параметрических точек. Такую особенность можно объяснить условиями формирования исходной структуры базальтофибробетона, отличающейся от обычных бетонов, т.е. существованием в его структуре базальтовых волокон.

Результаты обработки полученных данных, представленные на рис. 3, свидетельствуют о том, что границы базальтофибробетона систематически выше, чем у обычного бетона без добавки.

Рисунок 3. Зависимость параметров трещинообразования в базальтфибробетоне от его призменной прочности

_______ - зависимость для тяжелого бетона по [4]; - - - -    зависимость по результатам экспериментов для базальтфибробетона.

Это обстоятельство следует отнести за счет повышенной плотности исходной структуры базальтофибробетона, что, как отмечалось, в свою очередь, приводит к увеличению прочности на растяжение и предела растяжимости данного бетона. Подтверждает это и результаты измерения поперечной деформации базальтофиробетона, которая при достижении границы ​ ​, как правило, составила 15×10⁻⁵ и выше.

Важной особенностью, вытекающей из рис. 3, является наличие достаточно тесной связи между относительными уровнями  и  ​ ​ и призменной прочностью бетона  ​, причем характер этой связи аналогичен наблюдаемому для обычных бетонов [3,6].

Поэтому, сохраняя структуру аппроксимирующих выражений для описания указанных зависимостей в тяжелых бетонах можно предложить аналогичные выражения для оценки  и  в базальтофибробетоне:

                                     (4)

                                      (5)

Приведенные результаты служат подтверждением того, что применение базальтовых волокон позволяет улучшить основные характеристики прочности при сжатии бетона и, следовательно, целый ряд его физико-технических свойств [6,7,8], от которых зависят эксплуатационные качества железобетонных конструкций.

По результатам экспериментов можно отметить, что процесс разрушения бетона состоит из последовательного разрыва сплошности структуры, начиная с появления отдельных трещин, которые после объединения нескольких таких трещин , переходят в магистральные. Обычно разрушение бетонных призм происходит по двум вариантам:

- по цементно-песчаной матрице в обход зерен крупного заполнителя, что характерно для обычных бетонов с прочностью менее 50МПа;

-от поперечного разрыва в бетонах с крупными заполнителями со слабой прочностью.

 По результатам экспериментальных исследований и наблюдений установлено,что за максимальным напряжением, действующих в призмах из обычного бетона, начинается интенсивное хрупкое разрушение, сопровождающийся сильным звуком. Такое разрушение не характерно для опытных призм из базальтофибробетона из-за проявления больших пластических деформаций за максимальным напряжением, что связано наличием базальтовых волокон в его составе. Разрушение опытных бетонных призм из базальтофибробетона является вязким.

Анализ результатов показывает, что характер разрушения бетонных призм во многом зависит от плотности упаковки структуры материала крупным заполнителем, расхода базальтовых волокон в единице объема, которые определяют интенсивность разрушения сплошности и изменения поперечных деформаций.

Прогрессирующее развитие микроразрушений структуры бетона на определенном уровне загружения приводит к увеличению объема образца, о чем свидетельствует характер разрушения базальтофибробетона.Можно также отметить, что изменения структуры такого бетона под действием внешней нагрузки может быть функцией не только его прочности, приводящие к процессу микроразрушений, но и других технологических и конструкционных факторов, обеспечивающие формирование плотности и внутренних связей.

Заключение. Для применения базальтофибробетона в несущих железобетонных конструкциях зданий и сооружений, строящихся в сейсмических районах, имеются все условия-наличие местных базальтовых волокон, оптимальная технология базальтофибробетонных смесей, а также рекомендации по нормированию его прочностных и деформативных характеристик, учитываемых в расчетах. Приведенные результаты служат подтверждением того, что применение базальтовых волокон в качестве дисперсного армирования позволяет улучшить основные характеристики базальтофибробетона при сжатии и растяжении по сравнению с обычным бетоном и, следовательно, целый ряд его свойств, от которых зависят эксплуатационные качества железобетонных конструкций.

Список литературы:

1. Плевков В.С., Колупаев С.Н., Кудяков К.Л. Расчетные диаграммы нелинейного деформирования базальтофибробетона при статических и кратковременных динамических воздействиях. Вестник ТГАСУ, №3, 2016, с.95-110.
2. Аскаров Б.А., Юсупов Р.Р., Эргашов Ж.Д. Технология базальтофибробетонной смеси на местных материалах. Golden Brain, 2023, 1(26), -с.140-148.
3. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М., Госстройиздат, 1962.
4. Берг О.Я., Щербаков Е.Н., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон. Издательство литературы по строительству. М., 1971. С.209.
5. Кодыш Э.Н., Никитин И.К., Трекин Н.Н. Расчет железобетонных конструкций из тяжелого бетона по прочности, трещиностойкости и по деформациям. М., Издательство АСВ, 2011, 352с.
6. Зерцалов М.Г., Хотеев Е.А. Экспериментальное определение трещиностойкости фибробетона. ФГБОУ ВПО "МГСУ", Строительное материаловедение.5/2014, с.91-98.
7. Попов В.М., Плюснин М.Г. Влияние изменчивости характеристик бетона и арматуры на несущую способность изгибаемых железобетонных элементов. Вестник гражданских инженеров. №3 (50), 2015, 80-84стр.
8. Алмазов В.О. Проектирование железобетонных конструкций по Евронормам. Издательство АСВ, Москва,2011,-216с.