1. Введение

Высокопрочный бетон (включая сверхвысокопрочный, реактивный порошковый и сталефибробетон) обладает высокими механическими свойствами и долговечностью, поэтому широко применяется в мостах и сборных конструкциях [1–2]. Однако ему свойственно хрупкое разрушение. Добавление стальной фибры (тип, содержание, длина) позволяет перевести хрупкое разрушение в пластичное [8] и значительно повысить прочность и вязкость [3–7]. Изучение влияния стальной фибры на прочность при сжатии важно для оптимизации состава бетона и расчёта несущей способности элементов (балок, колонн).

2. Влияние параметров стальной фибры на механические свойства и прочность высокопрочного фибробетона

К параметрам стальной фибры, влияющим на свойства и водонепроницаемость сверхвысокопрочного бетона, относятся тип, содержание и длина. Согласно исследованиям: концевые крючкообразные волокна эффективнее повышают прочность на сжатие, изгиб и сцепление, чем прямые и волнистые [9]; форма и размер волокон слабо влияют на квазистатическое сжатие, но существенно — на изгиб и растяжение [10]; изогнутые волокна показывают лучшие вытяжные характеристики, чем прямые [11]. Общий вывод: форма фибры сильно влияет на вытяжные характеристики, прочность на растяжение и изгиб (волнистые и крючкообразные дают более высокие показатели), но незначительно — на прочность на сжатие из-за различий в площади контакта и трении.

3. Экспериментальное исследование влияния содержания стальной фибры на прочность на сжатие высокопрочного фибробетона

3.1. Экспериментальные материалы

Высокопрочный бетон B80. Состав: цемент ЦЕМ I 42,5Н + микрокремнезём МКУ‑85 (для плотности и прочности), кварцевый песок 0–2,5 мм (для удобоукладываемости), суперпластификатор МС‑ПАУЭРФЛОУ 6955 (для низкого водоцементного отношения). Стальная фибра: крючкообразная (диаметр 0,3 мм, длина 30 мм, прочность >2800 МПа) в объёмном содержании 0 %, 0,5 %, 0,75 % и 1,5 % — для изучения влияния дозировки фибры на прочность призменных образцов при сжатии.

Основной состав смеси показан в таблице 1 ниже.

Таблица 1

Основной состав смеси

3.2. Методика эксперимента

Изготовление, твердение и испытания по ГОСТ:

Образцы 100×100×400 мм изготовили по ГОСТ, твердели 28 суток в нормальных условиях. Испытания на сжатие провели на прессе 1000 кН. Нагрузку повышали ступенчато (0,5 МПа/с), каждая ступень — 2 мин. На боковые грани наклеили тензодатчики для записи кривых «напряжение–деформация». В каждой группе — по 3 образца, результат — среднее арифметическое. Зафиксирован характер разрушения.

Рис. 3. Призменные образцы в испытании на сжатие

3.3.Результаты экспериментов

При испытаниях на сжатие образцы со стальной фиброй (рис. 4) в основном сохраняли форму, при разрушении издавали лишь тихие хлопки благодаря мостиковому действию фибры. Образцы без фибры (рис. 5) при достижении предела прочности раскалывались с громким хлопком на множество кусков и теряли несущую способность.

Рис. 4. Состояние разрушения призменных образцов со стальной фиброй в процессе испытания на сжатие

Рис. 5. Состояние разрушения призменных образцов без фибры при испытании на сжатие

Прочность четырёх групп испытанных призменных образцов сталефибробетона показана в таблице 2 ниже.

Таблица 2

Результаты испытаний на сжатие призменных образцов B80

3.4. Анализ результатов экспериментов

Прочность на сжатие: при 0 % фибры — 70,2 МПа; при 0,5 % — 73,2 МПа (+4,3 %); при 0,75 % — максимум 77,3 МПа (+10,1 %); при 1,5 % — снижение до 70,6 МПа (почти как у контрольной группы).

Характер разрушения: контрольный бетон — хрупкий, с громким треском; с добавлением фибры — мультитрещинный, пластичный (наилучший при 0,75 %).

Механизм: умеренное количество фибры перекрывает трещины, повышая прочность и пластичность; избыток (1,5 %) вызывает комкование фибры, снижая плотность и прочность.

4.Заключение

На основе выполненного анализа существующих исследований влияния формы стальной фибры, её содержания и длины на механические свойства и прочность высокопрочного сталефибробетона можно сделать следующие выводы:

1. Форма фибры влияет избирательно: волнистые и крючкообразные волокна (с большей площадью контакта и трением) заметно повышают вытяжные характеристики, прочность на растяжение и изгиб, но почти не влияют на прочность при сжатии.
2. Содержание фибры (в опыте с крючкообразной фиброй): прочность на сжатие максимальна при 0,75 % (77,3 МПа, +10,1 % к контролю). При 1,5 % прочность падает до уровня контрольной группы. Характер разрушения становится пластичным, с множеством трещин.
3. Механизм: умеренное количество фибры перекрывает трещины, повышая прочность и пластичность; избыток (1,5 %) ведёт к комкованию, снижению плотности и потере прочности.
4. Рекомендация для практики: предпочтительна крючкообразная фибра с содержанием ≈0,75 % — это преодолевает хрупкость бетона, даёт максимальную прочность и избегает перерасхода волокон.

Литература:

1. Шао Сюйдун, Фань Вэй, Хуан Чжэнъюй. Применение сверхвысокопрочного бетона в конструкциях // Журнал гражданского строительства. 2021. Т. 54. № 1. С. 1–13. URL: http://manu36.magtech.com.cn/Jwk_tmgcxb/CN/Y2021/V54/I1/1 (на китайском)

2. Чжэн Цичжэнь, Нун Дэцай, Лун Либо и др. Экспериментальное исследование сейсмостойкости сборных железобетонных сдвиговых стен на основе соединений из сверхвысокопрочного цементного композиционного материала // Журнал строительных конструкций. 2022. Т. 52. № 6. С. 1–60. URL: qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=7107031736 (на китайском)

3. Qi J，Wu Z，Ma Z J，et al. Pullout behavior of straight and hookedend steel fibers in UHPC matrix with various embedded angles [J]. Construction and Building Materials，2018，191：764–774.

4. Лян Синвэнь, Ху Аосян, Юй Цзин и др. Влияние стальных волокон на изгибные механические свойства сверхвысокопрочного бетона // Журнал композиционных материалов. 2018. Т. 35. № 3. С. 722–731. URL: qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=674896438 (на китайском)

5. Yoo D，Lee J H，Yoon Y S，et al.Effect of fiber content on me－ chanical and fracture properties of ultra high performance fiber re－ inforced cementitious composites [J].Composite Structures，2013，106： 742–753.

6. Лян Юннин, Чэнь Баочунь, Цзи Тао, Хуан Чжибинь, Чжуан Ичжоу. Влияние соотношения песок-связующее, водо-связующего и содержания стальных волокон на свойства RPC // Вестник Университета Фучжоу (естественнонаучная серия). 2011. Т. 39. № 5. С. 748–753. URL: qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=40001358 (на китайском)

7. Ли Синьсин, Чжоу Цюань, Ли Шуйшэн. Исследование влияния стальных волокон на свойства реакционно-порошкового бетона // Строительная технология. 2020. Т. 49. № 14. С. 81–85. URL: qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=7103083026 (на китайском)

8. Чжан Сючжи, Сунь Вэй, Чжан Цяньцянь и др. Анализ механических свойств сверхвысокопрочных цементных материалов, армированных гибридными стальными волокнами // Вестник Юго-Восточного университета (естественнонаучная серия). 2008. Т. 38. № 1. С. 156–161. URL: qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=26479444 (на китайском)

9. Wu Z，Shi C，Khayat K H. Investigation of mechanical proper－ ties and shrinkage of ultra high performance concrete： Influence of steel fiber content and shape [J].Composites，2019，174（1）：107021.

10. Esmaeili J, Andalibi K, Gencel O, et al. Pull-out and bond-slip performance of steel fibers with various ends shapes embedded in polymer-modified concrete [J]. Construction and Building Materials, 2021, 271: 121531.

11. Shin H-O, Wkim K, Oh T, et al. Effects of fiber type and specimen thickness on flexural behavior of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete subjected to uniaxial and biaxial stresses [J]. Case Studies in Construction Materials, 2021, 15: e00726.