Некоторые особенности влияния базальтовой фибры на ударную вязкость мелкозернистого бетона

Как известно, одним из способов повышения прочностных показателей строительных материалов на цементном вяжущем является введение в их состав различных армирующих наполнителей, в том числе базальтового волокна (фибры диаметром 10-20мкм) [1, 2].

Проведенными в ИГДС СО РАН исследованиями установлено, что дисперсное армирование мелкозернистого бетона базальтовым волокном является эффективным средством повышения прочности при изгибающих нагрузках [3]. Была показана перспективность использования базальтовой фибры для получения композиционных материалов с высокими эксплуатационными свойствами [3, 4]. В настоящее время сохраняется актуальность дальнейшего проведения работ в этом направлении, к примеру, значительный научный и практический интерес представляют исследования в области изучения энергетических показателей разрушения композиционных строительных материалов армированных базальтовой фиброй. В связи с этим, были проведены исследования влияния базальтового волокна на изменение ударной вязкости мелкозернистого бетона.

Ударная вязкость мелкозернистого бетона определялась по методу Шарпи, в основном, применяемом для металлов (ГОСТ 9454-78) и пластмасс (ГОСТ 4647-80). Сущность испытаний заключалась в том, что лежащий на двух опорах образец подвергался удару маятника, причем линия удара находилась посередине между опорами. Ударная вязкость образцов (Дж/м2) определялась как отношение работы, затраченной на его разрушение, к площади образца в плоскости удара (рис. 1).

Рис. 1. Испытание по методу Шарпи

Ввиду отсутствия, каких либо стандартов при исследовании образцов бетона и горных пород на маятниковых копрах, размеры исследуемых образцов подбирались опытным путем [5]. Оптимальные геометрические размеры испытуемых образцов, для испытаний на маятниковом копре БКМ-5-2 с максимальным запасом энергии 50 Дж, составили — 2525100 мм. Молот маятника выбирался таким образом, чтобы работа разрушения образца составляла не менее 10 %, но не более 80 % запаса энергии маятника. Таким образом, после предварительных испытаний, был выбран молот с запасом энергии 10 Дж. Для более точного разлома образца, в плоскости удара с противоположной стороны наносился U-образный пропил, концентратор напряжений глубиной 2 мм (рис. 2).

Рис. 2. Образцы размерами 2525100мм с U-образным концентратором напряжений

В ходе изготовления образцов использовались следующие материалы:

        Рубленное базальтовое волокно (БВ) производства ОАО «Ивотстекло», СБ 12-р-13-к (длина 12мм, Ø 13мкм, крахмальный замасливатель), ТУ 5952-036-05328981-2005;

        Цемент марки М400, производства ОАО ПО «ЯКУТЦЕМЕНТ»;

        Песок (П) речной, карьер «Пригородный» (г. Якутск), сод. ГИП = 0.39 %, насыпная плотность 1400кг/м3, Мк = 1,2.

Содержание базальтового волокна в смеси варьировалось от 0 до 2 % от массы цемента (табл. 1). Уплотнение фиброцементной смеси проводилось на виброплощадке СМЖ — 539. Образцы выдерживались в эксикаторах при 100 % влажности среды и температуре 20±1⁰С. Ударная вязкость определялась в возрасте 7 суток.

После разрушения образца рассчитывалась площадь поверхности образованная в месте среза, затем зная затраченную работу (определяемую по шкале копра), вычисляли ударную вязкость разрушения образца (Дж/м2) образца по формуле:

, (1)

где, W — затраты энергии на разрушение образца по маятнику, Дж; S — площадь образованной поверхности, м2.

Результаты проведенных испытаний приведены на рисунках 3, 4 и таблице 1.

Таблица 1

Рис. 3. Изменение ударной вязкости образцов мелкозернистого бетона в зависимости от содержания базальтового волокна и объёмного соотношения Цемента/Песка

Рис. 4. Относительное изменение ударной вязкости образцов мелкозернистого бетона в зависимости от содержания базальтового волокна и объёмного соотношения Цемента/Песка

Как видно из графиков представленных на рисунках 3 и 4 при введении базальтовой фибры в количестве 2 % от массы вяжущего, ударная вязкость бетона возрастает на 18 — 35 % от исходной, в зависимости от объёмного соотношения цемента и песка.

Полученные закономерности могут быть использованы при разработке бетонов с высокими эксплуатационными свойствами, например фибро-армированных торкретбетонов, более стойких к ударным нагрузкам.

1. Рабинович Ф.М. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технологии и конструкции / Ф.М. Рабинович. М.: Изд-во АСВ, 2004. 560 с.
2. Боровских И.В. Высокопрочный тонкозернистый базальтофибробетон // Автореферат дисс… канд. техн. наук. — Казань, 2009. — 21 с.
3. Алексеев К.Н. Некоторые особенности влияния технологии введения базальтового волокна (Ø 13 мкм) на предел прочности мелкозернистого бетона при изгибе / Алексеев К.Н. // "Проблемы горных наук: взгляд молодых учёных" матер. Республ. науч. конф. молодых ученых и специалистов, посвящ. памяти академика РАН Н. В. Черского. — Якутск: Изд-во АКСААН, 2014. — С. 6 — 10.
4. Алексеев К.Н. Перспективы применения базальто-фиброармированных теплозащитных набрыгзбетонных покрытий в условиях рудников криолитозоны / Алексеев К.Н. // "Геокриология — прошлое, настоящее, будущее": матер. Всерос. науч. молодежного форума посвящ. 50-летию ИМЗ СО РАН. — Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2010. — С. 147–149.
5. Захаров Е.В.Определение энергоемкости разрушения известняков на маятниковом копре /Е.В. Захаров// «ЭРЭЛ-2011»: Материалы Всероссийской конференции научной молодежи. — Якутск: Изд-во ООО «Цумори Пресс», 2011. — Том 1. — С. 83-86.