Specimens of high-strength concrete with different polypropylene fiber contents (0 %, 0.5 %, 1.0 %, 1.5 %) were made using cement, sand, silica fume, and polycarboxylate superplasticizer. Axial compression tests were carried out after 28 days of curing. It was found that with the increase of fiber content, the compressive strength increases and the brittleness of concrete decreases. The fiber forms a three-dimensional network, slows down crack growth, and improves the integrity of specimens. The results can serve as a basis for the practical application of fiber-reinforced concrete.

Keywords: polypropylene fiber, high-strength concrete, silica fume, axial compressive strength, brittle failure.

Введение

Полипропиленовый фибробетон изготавливают на основе цемента, природного песка, микрокремнезема и поликарбоксилатного суперпластификатора с добавлением высокопрочной полипропиленовой фибры в различных дозировках. Его кажущаяся плотность соответствует нормативам, а свойства включают повышенную прочность, удобоукладываемость, плотность и трещиностойкость.

Исследования по бетону с микрокремнеземом широко представлены в литературе, однако такие составы имеют низкий модуль упругости, повышенную усадку и ползучесть, а также склонность к внезапному хрупкому разрушению при сжатии [1]. Среди фибр (стальная, полипропиленовая, углеродная) полипропиленовая наиболее распространена благодаря низкой стоимости, высоким механическим свойствам и малому весу. Влияние стальной фибры на прочность при сжатии и сдвиге рассмотрено в [2], на изгибную вязкость — в [3]; влияние углеродной фибры и модели напряжения-деформации представлены в [4–5].

Для снижения хрупкости, повышения осевой прочности и сдерживания микротрещин при постоянной дозировке суперпластификатора в данной работе изучено влияние содержания полипропиленовой фибры на прочность при сжатии, пиковую деформацию и модуль упругости цементно-песчаного состава с микрокремнеземом, а также выявлен синергетический механизм модификации.

Экспериментальный дизайн

Экспериментальные материалы и пропорции смесей

Все исходные материалы для эксперимента (см. рисунки 1–5) подобраны согласно действующим российским нормативам. В качестве цемента использован портландцемент без добавок марки ЦЕМ I 42,5Н (М500 Д0) производства АО «Цемрос», имеющий прочность при сжатии за 28 суток не менее 42,5 МПа. В качестве мелкого заполнителя применен кварцевый песок марки Реал с непрерывной зерновой фракцией 0–2,5 мм. Для модификации использован поликарбоксилатный суперпластификатор Sika ViscoCrete-200. Применен уплотненный микрокремнезем марки МКУ-85 с содержанием аморфного диоксида кремния не менее 85 %. Использована коммерческая полипропиленовая фибра длиной 12 мм и диаметром 10–50 мкм. Вода для замеса — коммунальная питьевая вода Санкт-Петербурга.

Рис. 1. Цемент

Рис. 2. Песок

Рис. 3. Микрокремнезем

Рис. 4. Поликарбоксилатный суперпластификатор

Рис. 5. Полипропиленовое волокно

Определение состава бетона

В эксперименте предусмотрены три варианта объемного содержания полипропиленовой фибры — 0,5 %, 1,0 % и 1,5 %, — а также контрольная группа обычного бетона без фибры. Состав бетона разработан и образцы изготовлены по методу насыпного объема [6]. После стандартного твердения в течение 28 суток проведены испытания на осевую прочность при сжатии. Расходы компонентов для каждой группы представлены в таблице 1.

Таблица 1

Расход компонентов на 1 м ³ , кг (водоцементное отношение 0,3)

Экспериментальная процедура

Порядок процесса перемешивания бетона

Сначала производится точное дозирование всех исходных материалов. Суперпластификатор предварительно растворяется в воде для замеса и перемешивается до однородного состояния. Полипропиленовая фибра подвергается рыхлению в течение одной минуты для предотвращения комкования.

Далее используется принудительный бетоносмеситель объемом 30 л. Перемешивание выполняется в такой последовательности: сначала песок и цемент загружаются в смеситель и перемешиваются на сухую до равномерного цвета; затем постепенно добавляется подготовленный водный раствор суперпластификатора и перемешивается одну минуту; после этого вводится микрокремнезем и перемешивание продолжается до однородности вяжущей системы и стабильной подвижности смеси.

Затем при непрерывной работе смесителя рыхлая полипропиленовая фибра дозируется мелкими порциями и перемешивается до полного распределения в цементном тесте без видимых комков [7]. По достижении однородной удобоукладываемости смеси она выгружается для последующих испытаний (см. рисунок 6).

Рис. 6. Хорошо смешанный бетон

Формование и твердение образцов

Сначала формы очищают и равномерно смазывают машинным маслом изнутри. Затем готовую бетонную смесь порциями загружают в формы, уплотняют на лабораторном вибростенде. После вибрирования излишнюю смесь удаляют, поверхность образцов выравнивают.

Отформованные образцы накрывают полиэтиленовой пленкой и выдерживают в условиях (20 ± 5) °C в течение 1–2 суток, после чего производят распалубку, маркировку и визуальный осмотр с отбраковкой некачественных образцов. Годные образцы немедленно помещают в камеру стандартного твердения и выдерживают при (20 ± 2) °C и относительной влажности более 95 % в течение 7 и 28 суток для последующих механических испытаний (см. рисунок 7).

Рис. 7. Бетонная призма

Анализ результатов испытаний

Данные испытаний

Испытания проведены в соответствии с ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Оборудование для испытаний представлено на рисунке 8. Прочность при сжатии четырех групп стандартных образцов приведена в таблице 2.

Рис. 8. Машина для испытаний на сжатие

где f _ср — осевая прочность бетона на сжатие, МПа;

F — разрушающая нагрузка образца, Н;

A — площадь осевого сжатия образца, мм ² (рассчитывается по фактическим размерам с точностью до 1 мм ² ).

Таблица 2

Анализ прочности

Мы можем рассчитать прирост прочности для каждой дозировки фибры относительно бетона с содержанием фибры 0 %.

0,5 % фибры:

1 % фибры:

1,5 % фибры:

Видно, что с увеличением содержания волокон прочность бетона сначала возрастает, а затем снижается. Наибольший прирост 8,9 % наблюдается при содержании волокон 1 % (см. рисунок 9).

Рис. 9. График зависимости прочности на сжатие от содержания волокна

Характеристики прочности и выводы: включение полипропиленовых волокон может повысить прочность бетона на осевое сжатие главным образом потому, что волокна образуют мостиковый эффект внутри матрицы, препятствуя распространению микротрещин.

Существует оптимальная дозировка для повышения прочности, которая в данном эксперименте составляла 1 %. Дозы, превышающие 1 % (например, 1,5 %), могут привести к незначительному снижению прочности из-за агломерации волокон или неравномерного распределения.

Комплексный анализ различий в характеристиках разрушения: с увеличением содержания полипропиленового волокна характеристики разрушения образцов демонстрировали закономерное изменение: отслоение поверхности постепенно ослабевало, пока полностью не исчезало, трещины изменялись от сквозных к тонким и однородным микротрещинам, а общая целостность образцов укреплялась от полного разрушения до структурной целостности. Основная причина заключается в том, что полипропиленовые волокна образуют внутри бетона трехмерную сетевую систему, которая может препятствовать деформации, замедлять распространение трещин и компенсировать боковое расширение; низкая дозировка может лишь смягчить хрупкое разрушение, в то время как высокая дозировка может значительно улучшить целостность матрицы и повысить хрупкость бетона марки B80.

Рис. 10. Обычный высокопрочный бетон

Рис. 11. Бетон с содержанием полипропиленового волокна 0,5 %

Рис. 12. Бетон с содержанием полипропиленового волокна 1 %

Рис. 13. Бетон с содержанием полипропиленового волокна 1,5 %

Выводы

С увеличением содержания полипропиленового волокна прочность бетона на осевое сжатие сначала увеличивалась, а затем уменьшалась. Группа с содержанием волокна 1,0 % показала наиболее значительное улучшение прочности — примерно на 8,9 % по сравнению с базовой группой, что указывает на наличие оптимального содержания волокна.

Полипропиленовые волокна значительно улучшили характеристики хрупкого разрушения бетона: в группе с содержанием волокна 0 % наблюдалось типичное хрупкое разрушение с полным разрушением; после добавления 0,5–1,5 % волокна уменьшилось отслаивание поверхности образцов, а трещины трансформировались из сквозных в тонкие сетчатые микротрещины, постепенно повышая общую целостность. Группа образцов с содержанием волокна 1,5 % продемонстрировала слабую пластичность при разрушении, при этом наблюдалось значительное улучшение пластичности бетона.

Литература:

1. 牛建刚，林红.轻骨料混凝土的发展与研究展望［J］.城市建筑，2012（13）：108–109.
2. 杨勇，任青文.钢纤维混凝土力学性能试验研究［J］.河海大学学报，2006，34（1）：92–94.
3. 高丹盈，赵亮平，冯虎，等.钢纤维混凝土弯曲韧性及其评价方法［J］.建筑材料学报，2014，17（5）：783–789.
4. 周乐，王晓初，刘洪涛.碳纤维混凝土应力-应变曲线试验研究［J］.工程力学，2013，30（7）：200–204.
5. 于良，程华，靳雨欣，等.碳纤维混凝土单轴受压应力-应变本构关系［J］.后勤工程学院学报，2013，29（4）：6–12.
6. 丁威，龚洛书，周运灿，等.JGJ51–2002轻骨料混凝土技术规程［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002：13–17.
7. 石建军，杨雨山，周立科.轻骨料碳纤维混凝土的力学性能［J］.混凝土，2009（4）：70–74.