В настоящее время наблюдается тенденция к расширению применения неметаллического армирования [1, с. 23] бетонных конструкций. Это связано с их применением в возведении гидротехнических сооружений, гражданских и промышленных объектов. Благодаря своей сравнительной дешевизне, экологичности, стойкости к агрессивным воздействиям [2, с. 2] и негорючести, армирование на основе базальтового волокна вызывает к себе все больший интерес.
Ранее проведенные исследования и результаты испытаний на прочность, истираемость, щелочестойкость и на сцепление с бетоном (взамен металлической), показывают высокую эффективность армирования на основе базальтового волокна [3, с 103]. Однако, несущая способность бетонных конструкций, армированных с применением базальтовой фибры, мало изучена.
Исследования, представленные в работе, направлены в частности на установление прочности бетонных образцов, армированных базальтовыми волокнами и выявление целесообразности применения такого армирования.
На основе комплекса экспериментально-теоретических исследований предполагалось выявить зависимость прочности цементных образцов от характера и количества армирующего базальтового заполнителя.
В качестве объектов исследования использовались образцы бетонных конструкций, армированные базальтовой фиброй.
Существующие исследования базальтового армирования и армирования с применением других композитных материалов направлены на установление возможности и целесообразности применения таковых при усилении железобетонных конструкций, реконструкции зданий и сооружений и новом строительстве.
Исследования базальтового волокна (БВ) выполнялись зарубежными и отечественными организациями, лабораториями, такими как Лаборатория базальтовых волокон Института материаловедения АН Украины, НИИЖБ, ЦНИИпромзданий, ЛатНИИстроительства, АрмНИИСВ и др.
Одним из важных направлений исследований являются отработка технологии введения базальтового волокна в цементную матрицу.
Согласно существующим рекомендациям, предпочтителен способ порционного введения фибры как в сухую, так и в готовую бетонную смесь. Производители базальтовой фибры, в свою очередь, разрабатывают рекомендации по необходимому количеству фибры в различных типах бетонов.
На основе накопленного опыта исследований в области фибробетона проводится работа по созданию цементных композиций, армированных базальтовым волокном, обладающих высокими физико- механическими характеристиками и повышенной коррозионной стойкостью, в том числе при эксплуатации в агрессивных средах.
Изготовление цементных образцов, подготовка форм и испытания проводились в соответствии с ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения пределов прочности при изгибе и сжатии».
Для определения прочностных характеристик цементов были изготовлены образцы-балочки и образцы- кубики из цементного раствора, приготовленного с водоцементным отношением 0,40.
Перед перемешиванием песок и цемент высыпали в предварительно протертую мокрой тканью сферическую чашу и перемешивали лопатой в течение 1 мин.
Базальтовое волокно предварительно измельчалось вручную в керамической ступе до получения частиц, размеры которых варьировались в пределах 1-2 мм. Предполагалось, что такие размеры частиц улучшат их смешиваемость с пескоцементной смесью, а так же проявят в испытаниях на сжатие прочность выше, чем у песчаного заполнителя.
Для обеспечения равномерности введения фибры и однородности композитной смеси, подача фибры осуществлялась в предварительно подготовленную сухую пескоцементную смесь. Дополнительное перемешивание производилось в течение 2 минут, после чего добавлялась вода с соблюдением В/Ц= 0,40.
Изготавливали образцы нескольких видов:
Первый вид. Балочные образцы (40х40х160 мм) изготавливались с добавлением ненаправленных измельченных базальтовых волокон в цементную матрицу (имеют маркировку 0,5 или 1).
Второй вид. Образцы кубиков (70х70х70 мм) с добавлением ненаправленных измельченных базальтовых волокон в цементную матрицу ( имеют маркировку 0,5 или 1).
Третий вид. Контрольные образцы балочек изготавливались без добавления базальтового волокна (имеют маркировку «исходная»).
Четвертый вид. Контрольные образцы кубиков без добавления базальтового волокна (имеют маркировку «исходный»).
Определение предела прочности при изгибе осуществлялось согласно ГОСТ 310.4-81
Результаты испытаний цементных образцов, армированных базальтовой фиброй представлены в виде графиков. На них в нижней части числами 0 условно обозначены образцы, при изготовлении которых фибровые волокна не использовались. Такие образцы изготавливались в качестве контрольных Числом 0,5 обозначены образцы, при изготовлении которых соблюдалось отношение 1:3,5:0,5 объемных частей цемента, песка и фибры соответственно в сухой смеси. Объемные части отмерялись с использованием мерной посуды. Цифрой 1 обозначены образцы с объемным отношением цемента, песка и фибры в сухой смеси соответственно 1:3:1.
Для проверки эффективности армирования мелкодисперсной фиброй было изготовлено 8 образцов-кубиков (рис. 1).
Рис.1 Прочности образцов по количеству фибры в кубиках.
При изготовлении образцов-балочек соблюдались те же объемные соотношения компонентов в сухой смеси. Проверке на прочность были подвергнуты 8 образцов (рис. 2)
Рис.2 Прочности образцов по количеству фибры(части) в балках.
Для удобства оценки эффективности армирования испытанных образцов, результаты испытаний усреднялись. Образцы с одинаковым содержанием ( или без содержания фибры) объединялись в группы, для каждой из которой вычислялась средняя прочность. Таким образом наглядно иллюстрировалась польза определенного количества фибры в цементной матрице. Усредненные данные для образцов- балочек и кубиков представлены ниже на рисунках 3 и 4.
Таким образом, на основании проведенных испытаний было установлено, что при добавлении базальтовых измельченных волокон в состав цемента, прочность образцов, испытываемых на сжатие, повышается при соблюдении пропорции 1:3,5:0,5 сухой смеси, где цифры обозначают объемные части цемента, песка и фибры соответственно. Незначительное повышение прочности наблюдалось при испытании на изгиб образцов балочек, изготовленных с соблюдением той же пропорции.
Получено увеличение (статистически недостоверное) прочности на 6% при сжатии образцов с неориентированным армированием, на 2,2% при изгибе образцов с неориентированным армированием. Достигнутые результаты требуют более надежного статистического подкрепления в дальнейшем.
Предполагается дальнейшее установление степени повышения прочности цементных образцов в зависимости от размера и характера введения фибры.
Авторы статьи выражают благодарность за помощь в организации и проведении исследований д.ф.-м.н., профессору, директору регионального центра Нанотехнологий ЮЗГУ Александру Павловичу Кузьменко, а так же аспирантам кафедры нанотехнологий и инженерной физики ЮЗГУ, Тет Пьо Наингу и Нао Динту.
Список литературы:
- Ступишин Л.Ю. , Никитин К.Е., Методика определения оптимальных параметров ребристых оболочек с учетом конструктивных требований и требований механической безопасности/Metodika opredeleniya optimal’nykh parametrov rebristykh obolochek s uchetom konstruktivnykh trebovaniy i trebovaniy mekhanicheskoy bezopasnosti, [Method for determining the optimal parameters of ribbed shells with the design requirements and mechanical safety requirements ]/ Известия ЮЗГУ, Промышленное и гражданское строительство. Москва 2013 №2, с. 23-25.
- Болужицев Д. А., Исследование щелочестойкости базальтового волокна в системе «Цементный камень — базальтовое волокно»/ Issledovaniye shchelochestoykosti bazal’tovogo volokna v sisteme «Tsementnyy kamen’ — bazal’tovoye volokno» ,[Investigation of alkali resistance of basalt fiber in the mixture «cement stone — basalt fiber»]/ Молодые ученые — основа будущего машиностроения и строительства, Курск, 29-30 мая 2014, с. 59-63.
- КустиковаЮ.О., Напряженно-деформированное состояние базальтопластиковой арматуры в железобетонных конструкциях/ Napryazhenno-deformirovannoye sostoyaniye bazal’toplastikovoy armatury v zhelezobetonnykh konstruktsiyakh, [Stress-strain state of basalt reinforcement in concrete structures] / International journal for computational civil and structural engineering , АСВ (Москва) 2014, №1 (10) с. 101-107.[schema type=»book» name=»ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИСПЕРСНОГО БАЗАЛЬТОВОГО АРМИРОВАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНЫХ ОБРАЗЦОВ ПРИ ИЗГИБЕ И СЖАТИИ» description=»Исследования, проведенные в данной работе, показывают, что добавление в цементную матрицу измельченной базальтовой фибры позволяет повысить прочность цементных образцов на сжатие без увеличения прочности на изгиб. Исследование прочностных свойств образцов при испытании на сжатие и изгиб выполнено в зависимости от характера базальтового армирования и количества базальтовой фибры в составе цементной матрицы. Установлено незначительное повышение прочностных свойств.» author=»Ступишин Леонид Юлианович, Савельева Екатерина Владимировна, Масалов Александр Васильевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-13″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)» ebook=»yes» ]