Введение. Недостатком железобетонных изделий и конструкций является высокая трудоемкость производства работ, где большую часть занимает изготовление арматурного каркаса установка его в проектное положение. Стержневое армирование подразумевает неравномерное распределение усилий в бетоне [1], таким образом высокие растягивающие напряжения испытывает лишь некоторая зона около арматуры.

Для снижения трудозатрат и материалоемкости строительства применяют стеклокомпозитные арматурные стержни, которые показывают положительные результаты по сцеплению с бетоном сопоставимые со стальными стержнями периодического профиля [2, 3].

Помимо стержневого армирования существует альтернатива в качестве дисперсного армирования, что также компенсирует низкую прочность на осевое растяжение и на растяжение при изгибе, которое в зависимости от класса бетона имеет около 2–14 % от прочности на сжатие. [4, 5]. Среди известных армирующих материалов стальная фибра показала наибольшую эффективность в улучшении физико-механических характеристик бетона, сопоставимую с арматурой. Остальные виды волокон – стеклянные, базальтовые, полимерные и углеродные [6] – используются реже из-за ограничений в области применения или технологии при производстве смесей. Композитные волокна на полимерном вяжущем имеют недостаточную величину сцепления с бетоном [7], стеклянные и базальтовые волокна – деградируют в щелочной среде цемента [8].

Анализ ряда литературных источников [13–24] позволил обобщить и систематизировать данные по влиянию на прочностные характеристики в зависимости от типа и вида дисперсного армирования. По удельным прочностным показателям на 1 % фибры по объему материала выявлено, что на прочность на растяжение при изгибе для композита на основе базальта на 82 % превышает прочность материала на изгиб для рядовых тяжелых бетонов. Если же смотреть на композиты, изготовленные с использованием композитной стеклянной фибры, то напротив наблюдается незначительное изменения прочностных характеристик, что говорит о неоднозначности научных данных для этого класса материалов, требующее более подробного рассмотрения причин возникновения подобных результатов.

Для эффективной работы армирования необходимо выполнение требований к материалу: модуль упругости волокна много выше модуля упругости бетонной матрицы (Еf≫Еb ), что соблюдается для стальных армирующих элементов [9, 10]. На рисунке 1 хорошо видно, что в случае, где Ef≪Eb  т. е. для низкомодульной фибры наблюдается снижение прочностных характеристик дисперсно-армированного материала. В случае если Ef≅ Eb , что соблюдается для композитной фибры, имеющей сложную геометрическую форму, по результатам предварительных испытаний [11, 12] были выявлены высокие показатели сцепления с бетоном. Фибробетоны на основе стеклокомпозитной фибры способны конкурировать со сталефибробетонами с точки зрения физико-механических характеристик и экономической эффективности.

1 – композитная базальтовая фибра [13]; 2 – стальная фибра анкерная [14–16]; 3 – стальная фибра
гофрированная [17]; 4 – стальная со сплющенными концами [18]; 5 – стальная волновая [19]; 6 – арамидная [20]; 7 – углеродное волокно [21]; 8 – композитная стеклянная фибра [22]; 9 – полимерная ПВА фибра [23];

10 – полипропиленовая фибра периодического профиля; 11 – полипропиленовая фибра
с перекрёстной навивкой [24]

Преимущества стеклокомпозитной фибры по сравнению со стальной заключаются в её низкой плотности, коррозионной стойкости, а также в высокой вариативности геометрических форм. Если в массовом строительстве нашли применение лишь несколько типов стальной фибры (прямая, анкерная, волновая), то стеклокомпозитные волокна, благодаря особенностям технологии их производства (в частности, пултрузии), потенциально могут иметь значительно большее разнообразие форм (рис. 2). Это открывает возможности для целенаправленного подбора геометрии фибры под заданные условия работы бетона.

Для стальной фибры ранее было установлено оптимальное соотношение длины к диаметру в пределах 50≤lfdf≤100  [25]. В настоящем исследовании линейные параметры стеклокомпозитной фибры не рассматриваются, поэтому принято постоянное соотношение lfdf≈ 50 .

Рис. 2. Варианты конфигураций стеклокомпозитного волокна

Одним из ключевых параметров, характеризующих эффективность армирования бетона дисперсной фиброй, является прочность сцепления волокна с цементной матрицей. Теоретические основы сцепления для стальных волокон разной формы были заложены Ф. Н. Рабиновичем: показано, что у анкерных волокон большая часть напряжений сосредоточена в области загибов. В случае стеклокомпозитных фибр, производимых методом пултрузии, профиль может иметь периодическую форму, что усложняет расчёт распределения напряжений и требует введения поправочных коэффициентов. Аналогичная ситуация наблюдается в случае арматуры периодического профиля: разработанная М.М. Холмянским теория сцепления [26], которая требует адаптации при переходе к фибрам с небольшим диаметром волокна, сопоставимыми с ним.

Процесс вытягивания волокна из бетонной матрицы зависит от совокупности факторов: механического зацепления, химической адгезии и сил трения [27]. В зависимости от соотношения этих компонент при выдергивании может происходить разрушение как в теле волокна, так и в окружающем бетоне. Максимальные касательные напряжения соответствуют моменту нарушения контактной зоны по достижению предельного состояния по одному из вышеприведенных сценариев, а характер кривой нагрузки зависит от механизма разрушения.

Таким образом, целью настоящей работы является выявление факторов, определяющих высокую прочность сцепления фибры с бетоном. Основная гипотеза заключается в том, что увеличение сцепления достигается за счёт усложнения геометрии волокна.

Материалы и методы. В исследовании использовались следующие материалы: цемент ЦЕМ II 42,5Н Аккерман, песок кварцевый с модулем крупности 2,7, щебень гранитный Карелия фракции 3–10 мм, пластификатор на основе поликарбоксилатных эфиров Sika VC-5-600 SP. 

Для испытаний использовались составы бетона, указанные в таблице 1. Маркировка бетона и состоит из 2-х частей из вида бетона и водоцементного соотношения.

Таблица 1

Составы мелкозернистого и тяжелого бетона для проведения испытаний

            * – мелкозернистый бетон

               ** – тяжелый фибробетон со стеклокомпозитной фиброй

По результатам предыдущих [11,12] испытаний и анализа литературных источников были подобраны эффективные конфигурации волокон Ф1-1, Ф1-2 и Ф2-2, изображенные на рисунке 3.

Рис. 3. Конфигурации волокон для проведения испытаний

В таблице 2 представлены основные характеристики, определенные для каждого волокна.

Таблица 2

Основные характеристики волокна

Для выявления закономерностей работы фибры с бетоном проводились следующие испытания: выдергивания фибры из бетона, определение остаточной прочности фибробетона на растяжение, а также определение прочности на сжатие контрольных образцов бетона.

Прочность сцепления фибры с бетоном определялась по методике схожей с вырывом арматуры из бетона, описанной в ГОСТ 31938–2012 (Приложение Д), которая была скорректирована для получения более точных значений исходя из наиболее низких показателей нагрузки для разрушения 1-ой фибры, для чего требуется более чувствительное оборудование, а также модернизирована подготовка образца для испытания. Схема представлена на рисунке 4. Для испытания изготавливаются образцы в форме 8-ки: одна часть состоит из полимербетона с составом 1:0,5:1,2 (смола: отвердитель: наполнитель), а другая часть из бетона (составы представлены в таблице 1), контакт с которым исследуется совместно со стеклокомпозитной фиброй. В обе половинки с разных сторон заделана стеклокомпозитная фибра на 30 и 10 мм – рисунок 5. Похожие испытания проводят и для определения прочности сцепления стальной фибры с бетоном [27].

Данные полученные по вытягиванию фибры из бетона сопоставлялись с данными по трещиностойкости фибробетонных образцов. Трещиностойкость определялась по остаточной прочности на растяжение бетонного образца по методике, описанной в СП 297.1325800.2017(Приложение Б). Для сравнительных испытаний использовались образцы балки 100×100×400 мм, разрез в центре нижней части балки доходит глубиной 17 мм, расстояние между опорами L = 360 мм, в остальном испытание проведено по методике нормативного документа. Схема испытания показана на рисунке 6.

Рис. 5. Схема образца для определения прочности сцепления волокна с бетоном

Рис. 6. Схема испытания по опредлению остаточной прочности на растяжение фибробетона

Для оценки влияния концентрации стеклокомпозитного волокна на свойства фибробетона определялись следующие характеристики: максимальные напряжения, возникающие в фибробетонной балке; ширина раскрытия трещины при максимальном напряжении, значение напряжения при раскрытии трещины 2,5 мм; энергия разрушения необходимая для раскрытия трещины фибробетона 4 мм, что составляет примерно 0,01 от пролета изделия.

Для проведения вышеизложенных испытаний использовались весы GP-32K, пресс Controls 50-С8455, испытательная машина Instron 3382 с датчиком раскрытия трещин C.O.D Gauge.

Результаты исследования. Результаты испытаний по определению сцепления фибры с бетоном представлены на рисунке 7. Графики были построены на основе усредненных результатов, рассчитанных по формуле 1:

где Piсреднее  –  значение нагрузки при i-м перемещении, Pij  – значение нагрузки при i-м перемещении у j-го образца.

Рис. 7. Результаты испытаний на вырыв фибры из бетона для различных матриц бетона

по прочности для волокна:

 а) Ф1-1, б) Ф1-2, в) Ф2-2

Данные результаты корректны для расчета напряжений, возникающих в фибробетоне, так как в материале имеется большое количество волокон и важно усредненное значение напряжений всех волокон в сечении при определенной ширине раскрытия трещины. В случае если важно оценить напряжения в одном волокне и характеристику его сцепления с бетоном, то необходимо оценивать среднее значение максимальных напряжений, возникающих в каждом испытании. Посчитать данную характеристику можно по формулам 2, 3.

где δmax  – перемещение волокна, соответствующее максимальному значению нагрузки; Pmaxj  – максимальная нагрузка при испытании j-го образца.

Анализ полученных результатов показал, что при использовании волокна Ф1-1, с повышением прочности матрицы, наблюдается увеличение прочности сцепления и смещения при пиковой нагрузке. Такое поведение может свидетельствовать о том, что при низкой прочности матрицы происходит её разрушение в зоне выступов стеклокомпозитной фибры. В то же время, при высокой прочности бетона разрушение происходит за счет сдвига или смятия навивки волокна, что, в свою очередь, приводит к большим смещениям.

Из данных, представленных на графике (рис. 8, а), видно, что по мере увеличения прочности матрицы на осевое сжатие, сцепление фибры с бетоном устремляется к определенному пределу. Так при касательных напряжениях в 20 МПа, возникающих в контактной зоне, в фибре возникает напряжение 750 МПа В связи с высокими напряжениями, возникающими при выдергивании стеклокомпозитной фибры происходит нарушение целостности стеклокомпозитной фибры, а не контактной зоны бетона, из-за чего прочность сцепления не зависит от дальнейшего повышения прочности матрицы бетона.

Исходя из вышесказанного, сцепление фибры с бетоном обоснованно аппроксимируется по экспоненциальной функции.

Средние касательные напряжения для построения графика посчитаны по формуле 7. По результатам расчета получили следующие данные, выведенные в таблице 3.

где Pmax- пиковая нагрузка, при вытягивании фибры, S0con-  площадь контакта фибры с бетоном в начальный момент испытания.  

Таблица 1

Результаты испытаний на вытягивание волокна из бетона

*маркировка состава включает: маркировку использующейся фибры в соответствии с таблицей 2 – вид бетона (мелкозернистый бетон) – водоцементное соотношение

Аналогично, обоснованию формул 4–6, проводилась аппроксимация экспериментальных данных по значениям смещений волокна при максимальной нагрузке при выдергивании фибры.

На рисунке 8 (а) показаны результаты напряжений, возникающих в волокне с различной геометрией. Полученные аппроксимирующие зависимости похожи между собой характером, резкое возрастание функции на начальном этапе и выход на плато по мере увеличения фактора по оси Х.

Рис. 8. Результаты вырва волокна в зависимости от прочности матрицы:

а) по максимальным напряжениям, б) по перемещениям в момент максимальных значений
напряжения в волокне

На рисунке 8 (б) изображено изменение смещений волокна при максимальной нагрузке. Видно изменение характера аппроксимирующей функции в зависимости от вида волокна: для 1–1 при увеличении нагрузки и увеличении прочности матрицы увеличивается смещение, для 1–2 и 2–2 при увеличении прочности матрицы уменьшается смещение. После достижения прочности матрицы до определенного значения смещение находится на 1,5 мм для каждого волокна. Вероятно, это можно объяснить исчерпанием прочностных характеристик волокна и его элементов при больших деформациях. Так на волокнах 1–1 и 1–2 имеющие навивку с шагом 4 и 10 мм, соответственно, при матрицах от 50 МПа и больше, в результате испытаний виден невооруженным взглядом срыв навивки. На малых прочностях матрицы видна разная работа волокна в бетоне для более редкой навивки прочность сцепления ниже, смещения больше в сравнении с частой навивкой.

Из рисунка 9 (а), (б), (в) можно выделить 2 характера разрушения фибробетонных образцов: в случае если начало трещинообразования характеризуется падением нагрузки, то это свидетельствует о вытягивании волокна из бетона без сопротивления, в обратном случае это говорит о зацеплении волокна за бетон. Наличие зацепления зависит от нескольких факторов, таких как концентрация волокон, особенности волокна и прочность матрицы. Фибробетон с волокнами типа Ф1-1 проявляет хорошую совместную работу уже на концентрации 0,8 % от объема образца, а его прочность на изгиб увеличивается в более чем в 2 раза. Для волокон Ф1-2 зацепление происходит на концентрации 1,2 % от объема образца, а при концентрации 1,6 % прочность на изгиб увеличивается более чем в 1,5 раза. Волокно типа Ф2-2 проявило себя несколько хуже: концентрация при зацеплении составила 1,6 % от объема образца, а прочность на изгиб увеличилась в 1,5 раза.

В таблице 4 представлены результаты испытаний фибробетона по определению остаточной прочности на растяжение, где наилучшим образом показал себя фибробетон с волокном Ф1-1 с навивкой с шагом 4 мм. Аналогичные положительные результаты получены для выдергивания волокна из бетона. Формулы для расчета величин из таблицы 4 принимаются в соответствии с СП 297.1325800.2017.

Для фибробетона вследствие изменения характера разрушения важной характеристикой является не только прочность, но и вязкость разрушения, характеризующаяся энергией разрушения (G ) и критическим коэффициентом интенсивности напряжений (Kc*)  (формулы 11 и 12).

где А – площадь, спроецированная на плоскость, перпендикулярную направлению напряжения при нагружении образца, Pdδ  – энергозатраты на разрушения образца, вычисляется как площадь под графиком «нагрузка-раскрытие трещины».

Рис. 9. Результаты испытаний по определению остаточной прочности фибробетона на растяжение:

а) с волокном Ф1-1, б) волоконо Ф1-2, в) волокно Ф2-2

где λ=a0/h  – относительная длина начального надреза.

Таблица 2

Расчет класса по остаточной прочности фибробетона на растяжение

Результаты расчетов приведённых образцов представлены в таблице 3. Gi  – удельные энергозатраты на разрушение образца до момента движения магистральной трещины, Gf  – удельные энергозатраты на раскрытие магистральной трещины до 1/100 длины пролета балки.

Полученные характеристики в исследованиях [28–30] выполнены по схожей методике, но поддаются сравнению с текущими результатами, так как удельные энергозатраты рассчитывались исходя из полной диаграммы до разрушения образцов на две части, в то время как в данной работе удельные энергозатраты рассчитывались на ширину раскрытия трещины 1/100 от длины пролеты балки.

В таблице 4 представлены сравнительные результаты, полученные по схожей методике для стальной фибры при тех же концентрациях волокна, которые исследуются в данной работе. Видно, что при увеличении концентрации волокна повышается не только энергия, затрачиваемая на развитие магистральной трещины, но и энергия, которая уходит на создание магистральной трещины. Данный эффект справедливо для стеклокомпозитного волокна и стального, что объясняется увеличением прочности на растяжение фибробетона, что согласуется с результатами ранее проведённых исследований/других исследователей [31].

Для сравнения приведены аналогичные характеристики вязкости разрушения для сталефибробетона из другого исследования. Из таблицы 6 видно, что стальная фибра по энергетическим характеристикам не сильно отличается от стеклокомпозитного волокна. Схожие показатели сравнения стеклокомпозитной фибры со стальной фиброй доказывают, что новый вид фибры может быть интересен для применения в строительных конструкциях.

Таблица 3

Результаты расчета фибробетона на вязкость разрушения

Таблица 4

Результаты расчета фибробетона на вязкость разрушения из работы [11]