Ю.В. ПУХАРЕНКО, доктор техн. наук, профессор, И.У. АУБАКИРОВА, канд. техн. наук, доцент, В.Ю. ГОЛУБЕВ, аспирант (СПбГАСУ)

Авторы статьи рассказывают о проведенных ими исследованиях и делают вывод о том, что дисперсное армирование позволяет получить высокопрочный бетон с высокой сопротивляемостью разрушению, являясь эффективным направлением повышения не только качества высокопрочных бетонов, но и безопасности при эксплуатации конструкций, выполненных из такого бетона.

Высотное строительство в России стремительно развивается, и для решения проблем в этой сфере активно ведутся работы по созданию новых материалов, технологий и систем безопасности. Бесспорным лидером высотного строительства на настоящее время являются железобетонные конструкции, созданные с применением высокопрочного бетона. Но в связи с отсутствием нормативной базы однозначных критериев, по которым можно было бы судить о принадлежности того или иного бетона к группе высокопрочных, не существует. Анализ современного состояния данного вопроса позволил установить условную границу по прочности на сжатие 60 МПа, выше которой бетоны относят к группе высокопрочных.

Однако необходимо обратить внимание на то, что с повышением прочности бетона растет и его хрупкость, снижаются пластично-деформационные свойства, а это влечет за собой практически мгновенное разрушение при достижении предельного состояния. Очевидно, что требуется повысить вязкость разрушения (трещиностойкость) высокопрочного бетона, причем без снижения прочностных характеристик [1].

Трещиностойкость является одним из важнейших параметров высокопрочных бетонов. Однако нельзя не отметить, что существующие методики (ГОСТ 29167, ГОСТ 17624) по оценке трещиностойкости не являются оптимальными по следующим причинам:

· при статическом нагружении по ГОСТ 29167 результат оказывается весьма чувствительным к процессу подготовки образцов и статистически неустойчивым;

· развитие трещины происходит не всегда в заданном месте образца;

· методика определения трещиностойкости по ГОСТ 29167 является разрушающей и не позволяет оценивать параметры готовых изделий;

· ультразвуковой метод определения прочности бетонов по ГОСТ 17624 не позволяет определять трещиностойкость материала, так как в этом методе отсутствует нагрузка, провоцирующая развитие трещин.

Необходимо отметить, что ГОСТ 29167 носит рекомендуемый характер и не распространяется на бетон, дисперсно-армированный волокнами.

В связи с изложенным нами была поставлена задача разработать простой и надежный способ оценки трещиностойкости дисперсно-армированного бетона (в частности – сталефибробетона), основанный на использовании стандартного оборудования, имеющегося в любой лаборатории, при минимальном уровне доработки последнего.

Для этого в качестве характеристики вязкости разрушения вводится количественный критерий Gкр, с помощью которого можно сравнивать различные материалы. В этом случае реализован энергетический подход, основанный на теории А. Гриффитса.

Для обычных изотропных материалов Gкр растет с увеличением пластичности. Это справедливо и для сталефибробетонов. При этом необходимо учитывать, что для получения высокой вязкости желательно применять матрицу и волокна с высокими пластичностью и пределами текучести.

Известно, что в высокопрочном бетоне не существует значительных препятствий для распространения трещин. Однако в случае использования так называемых дисперсно-армированных бетонов, и в частности в высокопрочном сталефибробетоне, чтобы трещина могла распространиться, ей необходимо преодолевать преграды в виде волокон. На преодоление каждой такой преграды необходимо затрачивать дополнительную энергию, поэтому процесс раскрытия трещин может постепенно затухать. Рано или поздно возникновение трещин под действием нагрузки становится неизбежным, но их слияние и конденсация при наличии преград из волокон минимизированы. Таким образом, понятно, что волокна в бетоне являются ингибитором распространения трещин.

В отличие от гомогенных материалов, в дисперсно-армированных бетонах есть и другие механизмы повышения вязкости, связанные с наличием большого количества поверхностей раздела, которые могут стать тормозом на пути распространения трещин.

Диссипации энергии движения трещины способствует:

1) разрушение границ раздела между волокном и матрицей;

2) вытягивание волокон из матрицы.

Оба этих механизма действуют последовательно, и, таким образом, возникает дополнительное сопротивление трещинообразованию и развитию этого процесса. Вклад указанных явлений в вязкость разрушения фибробетонов зависит от природы и свойств исходных составляющих, объемного соотношения фаз, прочности границы раздела фаз.

Для определения параметров трещиностойкости высокопрочного бетона и высокопрочного сталефибробетона предлагается методика Леоновича С.Н., Попова О.В., Пирадова К.А. [2].

Сущность метода заключается в определении максимальных нагрузок, разрушающих контрольные образцы при сжатии и вычислении критических значений интенсивности напряжений – основных характеристик трещиностойкости при этих нагрузках: энергетического критерия G c (эффективная энергия разрушения), силового критерия K c (критический коэффициент интенсивности напряжений). Данная методика позволяет определить критические коэффициенты интенсивности напряжений для двух случаев: нормального отрыва (наиболее опасного для роста и распространения трещин) и поперечного сдвига.

Подбор состава высокопрочного сталефибробетона осуществлялся c использованием графоаналитического метода проектирования состава фибробетона, разработанного на кафедре технологии строительных изделий и конструкций СПбГАСУ [3, 4]. Предварительно определялась характеристика сцепления применяемого типоразмера волокон с цементной матрицей для установления опытным путем минимального значения коэффициента насыщения, до которого вводимые волокна практически не проявляют армирующего эффекта, но после которого наблюдается устойчивый рост прочности композита.

В результате проведения экспериментально-технических исследований установлено, что эффективность дисперсного армирования в первую очередь зависит от соотношения модулей упругости армирующих волокон E в и бетонной матрицы Eм. При Eв/Eм>1 возможно получение фибробетонов с улучшенными прочностными характеристиками на растяжение и повышенной вязкостью разрушения. При Eв/Eм<1 следует ожидать лишь повышения ударной прочности и сопротивления истираемости материала. Исходя из этого существует классификация дисперсно-армированных бетонов, позволяющая осуществлять целенаправленный выбор вида волокон для армирования тех или иных бетонов. Так, в тяжелых бетонах необходимо применять высокомодульные волокна (стальные, стеклянные, базальтовые и др.), а для армирования легких бетонов целесообразно использование низкомодульных синтетических волокон, которые в данном случае имеют ряд преимуществ перед другими неметаллическими: устойчивы в щелочной среде цементного камня, обладают высокой технологичностью. Они недорогие и недефицитные, т.к. могут изготавливаться из промышленных отходов синтетических нитей.

По результатам комплексных исследований однозначно установлено, что для дисперсного армирования высокопрочного бетона высокомодульными волокнами увеличивается:

прочность на сжатие после ТВО до 15%;
прочность на растяжение при изгибе после ТВО в 3,4 раза;
прочность на сжатие в возрасте 28 суток до 19%;
прочность на растяжение при изгибе в возрасте 28 суток в 3,5 раза;
КИН для случая нормального отрыва в 3,5 раза;
КИН для случая поперечного сдвига в 3,8 раза.
Таким образом, можно сделать вывод, что дисперсное армирование позволяет получить высокопрочный бетон с высокой вязкостью разрушения и является эффективным направлением повышения не только качества высокопрочных бетонов, но и безопасности при эксплуатации конструкций, выполненных из такого бетона.

Библиографический список:

1. Пухаренко Ю.В. Высокопрочный сталефибробетон / Ю.В. Пухаренко, В.Ю. Голубев // Промышленное и гражданское строительство. – 2007. – № 9. – С. 40-41.

2. Леонович С.Н. Определение параметров трещиностойкости бетона при нормальном отрыве и поперечном сдвиге / С.Н. Леонович, О.В. Попов, К.А. Пирадов. – Минск: БНТУ, 2004. – 12 с.

3. Пухаренко Ю.В. Вопросы и решения в проектировании состава фибробетона / Ю.В. Пухаренко – Материалы IХ Академических чтений РААСН «Новые научные направления в строительном материаловедении». Белгород. 5 апреля 2004. – С. 34-37.

4. Пухаренко Ю.В. Проектирование состава и исследование свойств высокопрочного сталефибробетона / Ю.В. Пухаренко, И.У. Аубакирова, В.Ю. Голубев // III третья международная выставка-конференция «Популярное бетоноведение 2009». Сборник докладов – 2009. – С. 74-79.