Влияние полипропиленового волокна на сопротивляемость цементного камня динамическим воздействиям



Как известно, одним из способов повышения прочностных показателей строительных материалов на цементном вяжущем является введение в смесь волокнистых материалов (фибры) и получения на этой основе дисперсно-армированного композиционного материала обладающего повышенными физико-механическими характеристиками, в особенности прочностью при изгибе и растяжении [1].

В то же время, сохраняется актуальность дальнейшего проведения работ в этом направлении, например, научный и практический интерес представляют исследования в области изучения энергетических показателей разрушения фибро-армированных композиционных строительных материалов. Например, важнейшей паспортной характеристикой торкрет-бетона является прочность на изгиб и растяжение — при статических нагрузках, но торкрет-бетонные крепи и покрытия возводимые в шахтах и рудниках испытывают и динамические воздействия от: горных ударов, выбросов, и т. д., которые характеризуются более высокой (мгновенной) скоростью выделения энергии. Работоспособность торкрет-бетона при таких воздействиях можно оценить по характеристикам его ударной вязкости — способности сопротивляться динамическим изгибающим нагрузкам.

Номенклатура применяемых волокон весьма обширна: от чрезвычайно дефицитных, например из углерода, бора, вольфрама до сравнительно доступных для применения в массовом строительстве — стальных, базальтовых, полипропиленовых и др. [2]. Используемые волокна должны отвечать ряду требований: обладать высокой прочностью, химической стойкостью, способностью равномерно распределятся в объёме цементного теста или бетона без образования комков-неоднородностей негативно сказывающихся на конечной прочности изделия [3]. Стоимость армирующих материалов и объемы их производства также имеют немаловажное значение. В этой связи заслуживает внимание полипропиленовое волокно, практически еще не применяемое в качестве наполнителя (армирующией фазы) торкрет-бетона.

В связи с этим, были проведены экспериментальные исследования по определению ударной вязкости цементного камня с различных содержанием полипропиленового волокна длиной 6 мм, диаметром 20мкм (рис. 1, 2).

Рис. 1. Полипропиленовые волокна (фибра)

Рис. 2. Полипропиленовые волокна распределенные в матрице цементного камня

Способность цементного камня к быстрому поглощению динамической энергии 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. 3).

Рис. 3. Испытание образца по методу Шарпи

Ввиду отсутствия, каких либо стандартов для исследовании образцов бетона на маятниковых копрах, размеры образцов подбирались опытным путем. Оптимальные для испытаний на маятниковом копре БКМ-5–2 (рис. 4) с максимальным запасом энергии 5 Дж геометрические размеры исследуемых образцов составили — 2525100 мм. Для более точного разлома образца, в плоскости удара с противоположной стороны наносился U-образный пропил, играющий роль концентратора напряжений глубиной 2 мм (рис. 5).

Рис. 4. Маятниковый копер БКМ-5–2

Рис. 5. Образцы цементного камня размерами 2525100мм с U-образным концентратором напряжений

В ходе изготовления исследуемых образцов был использован цемент марки М400 производства ОАО ПО «ЯКУТЦЕМЕНТ». Содержание полипропиленового волокна в смеси варьировалось от 0 до 4 % от массы цемента в сухом состоянии. Водоцементное отношение составляло 0,3 для всех изготовляемых серии. Уплотнение фиброцементной смеси проводилось на виброплощадке СМЖ — 539. Образцы выдерживались в эксикаторах при 100 % влажности среды и температуре 20±1⁰С. Ударная вязкость образцов определялась в возрасте 7 и 28 суток.

После разрушения исследуемых образцов на маятниковом копре, подсчитывалась площадь поверхности образованная в месте среза (S₀), затем зная потраченную на разлом образца работу (W), вычисляли ударную вязкость разрушения (K_CU)по формуле:

, Дж/м²(1)

где, W — затраты энергии на разрушение образца по маятнику, Дж;

S₀ — площадь образованной поверхности в месте разлома образца, м².

Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 1 и на рис. 6, 7.

Таблица 1

Влияние полипропиленового волокна на ударную вязкость цементного камня.

7 суток
Содержание полипропиленового волокна,%	Ударная вязкость,KCU		Sm*, Дж/м2	Vm**,%
	Дж/м2	%
0	680,96	104,6	16,6	2,4
0,5	1525,23	234,4	85,3	5,6
1	1898,31	291,7	166,1	8,7
2	3178,46	488,4	260,6	8,2
4	3393,52	521,4	403,8	11,9
28 суток
Содержание полипропиленового волокна, %	Ударная вязкость, KCU		Sm, Дж/м2	Vm,%
	Дж/м2	Дж/м2
0	650,80	100	32,6	5,0
0,5	1304,04	200	169,8	13,0
1	1901,79	292	118,3	6,2
2	3065,25	471	469,0	15,3
4	4012,65	617	286,4	7,1

*Sm — среднеквадратическое отклонение ГОСТ 53231–2008;

**Vm — коэффициент вариации.

Рис. 6. Влияние полипропиленового волокна на ударную вязкость (УВ) цементного камня в проектном возрасте (28 суток)

Рис. 7. Влияние полипропиленового волокна на ударную вязкость цементного камня

Как видно из данных таблицы и диаграммы представленной на рисунке 6, полипропиленовая фибра существенно увеличивает сопротивление цементного камня к динамическим нагрузкам. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в возрасте 28 суток ударная вязкость образцов при содержании волокна в количестве 0,5 до 4 % от массы цемента, возрастает в 2–6 раз от исходной.

Кроме того, как видно из диаграмм представленных на рисунке 7, ударная вязкость цементного камня армированных серий в возрасте 7 суток не уступает своему показателю в проектном возрасте (28 сут.), т. е. изделие способно сопротивляться динамическим нагрузкам в достаточно раннем возрасте.

Полученные закономерности могут быть использованы при разработке составов бетонов и конструкций из них, с высокими эксплуатационными свойствами, например фибро-армированного торкрет-бетона более стойкого к воздействию динамических изгибающих нагрузок.

Литература:

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.