Определение прочности сцепления стальной проволочной фибры с цементным камнем

В статье рассматривается устройство и методика испытаний силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фиброцемента. Испытаниям подвергались образцы-балки, изготовленные из цементного теста нормальной густоты, армированные стальной проволочной фиброй круглого сечения волнового профиля. Описывается расчетно-экспериментальная методика определения прочности сцепления волокон с матрицей. Рассматривается предложение по усовершенствованию методики определения прочности сцепления волокон с матрицей.

Ключевые слова: фибробетон, фиброцемент, прочность, трещиностойкось, энергозатраты, коэффициент интенсивности напряжений, характеристика прочности сцепления волокон с матрицей.

В настоящее время на кафедре технологии строительных материалов и метрологии Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета продолжается исследование свойств фибробетонов, изготовленных с применением различных видов волокон. Хорошо известно, что введение в состав бетона армирующих волокон разного типоразмера, с разными физико-механическими характеристиками позволяет получать целый спектр фибробетонов с совершенно разными свойствами и характеристиками [1]. За счет введения армирующих волокон в состав бетона можно добиться повышения трещиностойкости, прочности, модуля упругости, и изготавливать более надежные и безопасные конструкции. Однако расширение областей применения данного материала ограничивается недостаточной степенью изученности влияния параметров фибрового армирования на свойства и характеристики получаемых фибробетонов.

Одной из важнейших характеристик фибробетона является его трещиностойкость. Трещиностойкость определяется как способность материала сопротивляться образованию и развитию трещин [2, 3]. Численно трещиностойкость характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений, энергозатратами на различных этапах деформирования и разрушения и некоторыми другими величинами, которые определяются экспериментальным путем по ГОСТ 29167 [4, 5, 6].

Методика ГОСТ 29167 подразумевает испытание образцов-балок на прочность на растяжение при изгибе и наблюдение за поведением образца под нагрузкой. В процессе проведения испытания следует непрерывно контролировать прилагаемую к образцу нагрузку и его прогиб, вызываемый действием этой нагрузки. Получаемые в ходе эксперимента данные представляют собой диаграмму зависимости прогиба образца от прилагаемой к нему нагрузки. По полученным диаграммам и проведенным по ним дополнительным построениям определяются силовые и энергетические характеристики трещиностойкости, а также прочность на растяжение при изгибе и модуль упругости.

Специально для проведения данных испытаний было разработано устройство оригинальной конструкции, основой которого является механический нагружающий механизм с системой контроля прогиба образца и прилагаемой нагрузки. Так же разработана специальная программа позволяющая автоматизировать построение диаграмм.

В процессе проведения настоящего исследования и использования разработанного устройства было получено множество диаграмм разрушения фибробетонных образцов, изготовленных с применением различных видов волокон при различных расходах. Несмотря на все попытки ускорить процесс испытаний и обработки получаемых данных, как аппаратным так и программным путем, такие исследования остаются достаточно длительными и трудоемкими. Для сокращения количества серий испытываемых образцов предлагается производить теоретическое моделирование поведения фибробетона под нагрузкой и строить диаграммы разрушения образцов расчетным путем. При наличии теоретических диаграмм деформирования и разрушения фибробетона можно провести лишь несколько испытаний для подтверждения согласия расчета с экспериментом.

При теоретическом прогнозировании поведения фибробетона под нагрузкой рассчитываются координаты ключевых точек диаграмм зависимостей прогибов образцов от прилагаемых нагрузок. При этом в большинстве формул фигурируют одинаковые слагаемые, такие как прочность и модуль упругости бетонной матрицы и материала волокон, а также геометрические размеры самих волокон их объемное содержание в фибробетоне и прочность сцепления этих волокон с бетонной матрицей. Все упомянутые характеристики представляют собой расчетные или справочные данные, однако в связи с постоянно пополняющейся номенклатурой армирующих волокон характеристика прочности сцепления волокон с матрицей может оказаться неизвестной. Поэтому исследования, направленные на определение этой характеристики, приобретают особую актуальность.

В настоящем исследовании определяется характеристика прочности сцепления стальной проволочной фибры с цементным камнем. Исследуемая фибра изображена на рис. 1 и представляет собой отрезки стальной проволоки круглого сечения и волнового профиля. Диаметр волокна составляет 0,3 мм, а длина — 22мм.

Существует расчетно-экспериментальная методика определения прочности сцепления волокон с матрицей [7, 8]. В соответствии с положениями данной методики следует изготовить несколько серий фибробцементных образцов из цементного теста нормальной густоты. При этом, расход волокон следует постепенно, от серии к серии, повышать с минимально возможным шагом. Изготовленные образцы испытываются на прочность на растяжение при изгибе (рис. 2). По полученным данным следует определить такой расход армирующих волокон, после которого наблюдалось бы отчетливое повышение прочности. Характеристику прочности сцепления волокон с матрицей можно определить по формуле (1) [9, 10, 11]:

где: φτ — характеристика прочности сцепления волокон с матрицей; l_ф- длина фибры; µ_min — объемная доля фибры, соответствующая тому содержанию фибр в матрице, после которого наблюдается устойчивое повышение прочности; d_ф — диаметр фибры; R_фц, R_кз и R_цк — прочность фиброцемента, контактной зоны на границе раздела «волокно-матрица» и цементного камня.

Прочность контактной зоны на границе раздела «волокно-матрица» определяется по формуле (2):

Данная методика была использована в процессе проведения настоящего исследования, и было отмечено, что однозначно определить координаты искомой точки на графике, изображенном на рис. 2, может оказаться затруднительным вследствие значительного разброса экспериментальных данных.

Рис. 2. График зависимости прочности фиброцемента от объемного содержания стальной проволочной фибры

В качестве усовершенствования описываемой методики предлагается несколько изменить методику обработки результатов испытаний. Предлагается также изменить испытания, и в процессе их проведения контролировать не только прочность на растяжение при изгибе, но и прогиб образцов и прилагаемые к ним нагрузки [12].

Для определения прочности сцепления волокон с матрицей было изготовлено несколько серий образцов-балок, размерами 7×7×28см. Образцы изготавливались из цементного теста нормальной густоты. Серии образцов отличались объемным содержанием волокон. Шаг изменения расхода волокон составлял 0,1 % об., в диапазоне изменения расхода от 0 до 1 % об. Был использован портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н сланцевского цементного завода «Цесла». В ходе проведения исследования было установлено, что нормальная густота цементного теста составляет 31,75 %. Образцы испытывались после выдержки в воде в течении 28 суток. Перед испытаниями проводилась подготовка образцов в соответствии с требованиями ГОСТ 29167.

Все образцы были испытаны с помощью описанной выше установки. Диаграммы зависимостей прогибов образцов от прилагаемых нагрузок, полученные при проведении настоящего исследования, представлены на рис. 3, подписи на диаграммах соответствуют объемному содержанию волокон в фиброцементе, %.

По рис. 3. видно, что при повышении расхода волокон повышается максимальная нагрузка, воспринимаемая образцом. По максимальной нагрузке, воспринимаемой образцом за весь эксперимент, определяется прочность на растяжение при изгибе, по формуле (3):

где: P — максимальная нагрузка, воспринимаемая образцом за весь эксперимент; l — база испытаний; b — ширина испытываемого образца; h — высота испытываемого образца.

На рис. 4 представлены те же диаграммы, что и на рис. 3, но в другом масштабе, для более детального рассмотрения возрастающих участков диаграмм.

Рис. 4. Диаграммы деформирования и разрушения фиброцементных образцов

На диаграммах виден линейно возрастающий участок, оканчивающийся переломной точкой, координаты которой соответствуют по оси нагрузок 1–1,2 кН, а по оси прогибов — 0,02–0,04мм. Этот участок диаграммы характеризует работу фиброцементного образца на стадии упругого деформирования, а переломная точка характеризует образование трещины в матрице и перераспределение прилагаемых к образцу нагрузок преимущественно на волокна. При этом видно, что трещиноообразование в матрице происходит при одной нагрузке, независимо от объемного содержания волокон.

Также на графиках на рис. 3–4 можно отметить, что неармированный образец разрушается, разделяясь на части, сразу после прохождения диаграммой переломной точки в конце зоны упругих деформаций. Но при достаточно высоком объемном содержании волокон в фиброцементе, его разрушение происходит иначе. При прохождении трещины через рабочее сечение образца он не разделяется на части, а остается связанным пересекающими трещину волокнами. Пересекающие трещину волокна, продолжают воспринимать прилагаемую к образцу нагрузку, вытягиваясь из матрицы. Этот механизм отражается на представленных диаграммах нелинейно возрастающим участком до некоторой нагрузки и нелинейно нисходящим участком. Эта нагрузка воспринимается волокнами и при разных их расходах оказывается выше или ниже нагрузки, разрушающей матрицу.

На рис. 5 представлена диаграмма зависимости нагрузки, соответствующей трещинообразованию в матрице, и нагрузки, воспринимаемой преимущественно волокнами, от их объемного содержания [12].

Рис. 5. Зависимости нагрузок, воспринимаемых фиброцементными образцами, от содержания волокон.

При этом, прочность матрицы можно определить по формуле (3), а прочность фиброцемента, обеспеченную только вытягиванием волокон из матрицы, можно определить по формуле (4) [12]:

где: μ_f — доля волокон, соответствующая пересечению графиков на рис. 6.

Можно приравнять формулы (3) и (4) и выразить прочность сцепления волокон с матрицей, чтобы получилась формула (5) [12]:

При подстановке численных значений в формулу (5), прочность сцепления волокон с матрицей составила 10,1 МПа.

В дальнейшем планируется провести аналогичные испытания фибробетонных образцов, изготовленных с использованием других видов волокон.

Литература:

1. Рабинович, Ф. Н. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции.– М.: Издательство АСВ, 2004. — 560 с.
2. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композиционные материалы. Механика и технология. / Пер. с англ. С. Л. Баженов. — М.: Техносфера, 2004. — 408 с.
3. Партон В. З. Механика разрушения: От теории к практике. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. — 240с.
4. Жаворонков, М. И. Определение характеристик разрушения и модуля упругости фибробетона/ М. И. Жаворонков// Известия КГАСУ. — 2015. — № 3(33). — с. 114–120.
5. Зерцалов М. Г., Хотеев Е. А. Экспериментальное определение характеристик трещиностойкости фибробетона // Вестник МГСУ. 2014. № 5. — С. 91–99.
6. Жаворонков М. И. Методика определения энергетических и силовых характеристик разрушения фибробетона // Вестник гражданских инженеров. 2014. № 6(47). C. 155–160.
7. Пухаренко Ю. В. Принципы формирования структуры и прогнозирование прочности фибробетонов // Строительные материалы. 2004. № 10 (598). С. 47–50.
8. Кострикин М. П. Характер и степень взаимодействия синтетической макрофибры с цементным камнем // Вестник гражданских инженеров. — 2018. № 4(69). С. 116–120.
9. Пухаренко Ю. В., Пантелеев Д. А., Жаворонков М. И. Диаграммы деформирования цементных композитов, армированных стальной проволочной фиброй // Academia. Архитектура и строительство. 2018. № 2. С. 143–147.
10. Пухаренко Ю. В., Голубев В. Ю. О вязкости разрушения фибробетона // Вестник гражданских инженеров. 2008. № 3. C. 80–83.
11. Пухаренко Ю. В., Голубев В. Ю. Высокопрочный сталефибробетон // Промышленное и гражданское строительство. 2007. № 9. С. 40–41.
12. Пухаренко Ю. В., Морозов В. И., Пантелеев Д. А., Жаворонков М. И. Определение прочности сцепления армирующих волокон с матрицей в фибробетоне // Строительные материалы. 2020. № 3. С. 39–43.