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 — 2525100 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 2525100мм 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
Физико-технические характеристики исследуемых составов мелкозернистого бетона
|
Состав Ц/П |
Масса Ц, кг/м3 |
Масса П, кг/м3 |
В/Ц |
Сод БВ., % |
УВ., Дж/м2 |
Sm*, Дж/м2 |
Vm**, % |
Отн, % |
|
1/1 |
860,2 |
1021,2 |
0,4 |
0 |
735,5 |
25,4 |
3,4 |
100 |
|
1 |
780,8 |
58,2 |
7,5 |
106,2 |
||||
|
2 |
988,1 |
106,9 |
10,8 |
134,3 |
||||
|
1/2 |
539,2 |
1280,2 |
0,65 |
0 |
641,5 |
15,2 |
2,4 |
100 |
|
1 |
696,5 |
29,5 |
4,2 |
108,6 |
||||
|
2 |
759,0 |
65,1 |
8,6 |
118,3 |
||||
|
*Sm — среднеквадратическое отклонение ударной вязкости исследуемых образцов в серии, ГОСТ 53231-2008; **Vm — коэффициент вариации. |
||||||||
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.
Литература:
- 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.
- Боровских И.В. Высокопрочный тонкозернистый базальтофибробетон // Автореферат дисс… канд. техн. наук. — Казань, 2009. — 21 с.
- 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.
- 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.
- 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.
