1. Введение

Одним из способов повышения прочностных свойств бетона является введение на стадии формования базальтовой фибры [1], [2]. По заявлениям производителей фибры, ее введения позволяет увеличить прочность на растяжения при изгибе в 2 раза [3]. При этом рекомендуемый расход фибры составляет от 1 до 25кг/м3 (до 1% от объема). Учитывая типичные значения модулей упругости и пределов прочности на растяжение базальтовых фибр [4] в 60 ГПа и 3 ГПа и неармированного бетона 30 ГПа и 2МПа соответственно, теоретически, при условии полного разрыва всех фибр в сечении испытуемого образца, его предел прочности на растяжение может увеличиться в 15 раз. Однако практика показывает, что рост предела прочности на растяжение при изгибе у бетона, армированного базальтовой фиброй рекомендованными способами, далек даже от заявляемых производителями значений и составляет не более 35% [5], [6], [7].

Столь далекие от теоретически возможных значений прочности обусловлены рядом факторов. Наиболее важным является достижение равномерности распределения волокон в бетоне. Так, в работе [8] рассмотрены несколько способов введения фибр: одновременная загрузка всех компонентов в смеситель; предварительное перемешивание фибр с цементом и водой; введение в раствор заранее подготовленной смеси диспергированных фибр с пластификатором и остаточной водой с использованием высокоскоростного роторного смесителя. В последнем случае удалось увеличить прочность на растяжение при изгибе до 65%.

Также важным фактором, влияющим на прочность фибробетона, является прочность сцепления волокон с цементным камнем. Механизмы сцепления могут быть как сугубо механическими, так и иметь химическую природу. Технология производства фибры включает в себя нанесения на их поверхность органических замасливателей. Очевидно, что наличие замасливателя существенно влияет как на процессы перемешивания так и на сцепление фибр с бетоном, а также на их коррозионную стойкость. Так, в работе [9] показано, что модификация состава замасливателя позволяет изменять осадку конуса фибробетонного раствора в диапазоне от 5 до 10 см. В работах [10], [11], [12] рассмотрены проблемы выщелачивания базальтовых фибр в цементных бетонах и пути модификации поверхности фибр для ее предотвращения.

Однако в большинстве работ слабо рассмотрено влияние нанесения покрытий на прочность сцепления волокон с цементной матрицей и механизмы разрушения образцов при нагружении. В настоящей работе рассматриваются различия некоторых свойств базальтофибробетона с фибрами без защитных покрытий и с таковыми.

2. Методика исследования

Для приготовления образцов использовались базальтовые фибры Cemmix длиной 12 мм, диаметром 15 мкм, песок строительный сеяный ООО «Диола», фракция до 1,2мм, портландцемент ООО «Ачинский цемент» ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б. Одновременно формовались три образца-балочки 40×40×160 мм. Состав компонентов на один замес: песок 1000 г, цемент 500 г, вода 250 мл, фибры 10 г. Использовались три вида фибр: а) в промышленном замасливателе; б) выдержанные 24 часа в 10% растворе NaOH; в) выдержанные 24 часа в 10% растворе NaCl. После выдерживания фибры промывались дистиллированной водой и высушивались в естественных условиях.

Для улучшения равномерности распределения фибр в мелкозернистом бетоне применялись два способа: а) одновременное перемешивание всех компонентов миксером с двойной насадкой (со встречным вращением); б) предварительный помол цемента с фибрами в ножевоймельнице длительность 5 и 10 с (одна загрузка цемента 50 г и фибр 1 г).

Образцы твердели в нормальных условия 28 суток, после чего определялся предел прочности на растяжение при изгибе.

3. Результаты и их обсуждение

С помощью оптического микроскопа были получены изображения фибр до и после обработки щелочью и кислотой, рис. 1.

На необработанных фибрах видны неравномерно распределенные пятна замасливателя. На фибрах, обработанных щелочью замасливателя практически не наблюдается. После обработки кислотой замасливателя также нет, но изменился цвет фибр: он стал более светлым.

Изображение партий обработанных фибр показано на рис. 2. Видно, что после обработки кислотой фибры равномернее распушены. Объем, занимаемый фибрами значительно увеличился по сравнению с исходным.

На рис. 3 показаны образцы фибр, смоченных водой. Необработанные фибры хорошо впитали воды. Необходимо отметить, что они образуют блоки из большого количества плотно упакованных волокон с продольным расположением. Фибры, обработанные щелочью, хуже впитывают воду, а фибры, обработанные кислотой, практически не смачиваются. Также было установлено, что предварительная промывка фибр водой не приводила к удалению замаслевателя с их поверхности.

В процессе перемешивания смеси с фибрами было выявлено значительное уменьшение подвижности обработанных фибр, особенно кислотой, что может быть объяснено их большей «распушенностью» и гидрофобностью. Однако использование погружного миксера с двойной насадкой позволяет улучшить равномерность распределения волокон в растворе. На рис. 4(а) видны блоки «нераспушенных» фибр в растворе при стандартном замешивании, тогда как на рис. 4(б) такие блоки практически отсутствуют.

Также для «разбивания» блоков необработанных фибр был применен способ их предварительного помола с цементом в ножевой мельнице. На рис. 5 представлены изображения типичных поверхностей разрушения различных образцов после испытаний. На поверхности образцов перемешанных традиционным способом видны выходы отдельных блоков нераспушенных фибр. После перемешивания миксером с двумя насадками значительно уменьшилось количество таких блоков. На образцах, в которых фибры предварительно были перемолоты с цементом, блоков фибр не наблюдается. С другой стороны, на этих образцах практически не видны и одиночные фибры, особенно в случае более длительного помола (10 с). Это может быть объяснено не только разрывом фибр при разрушении, но и их меньшей длиной в результате помола.

В таблице приведены результаты испытаний образцов. В целом можно сделать заключение что, прочность образцов с предварительным помолом цемента оказалась выше на 5-15%, что может быть объяснено увеличением активности самого цемента в связи с ростом удельной поверхности зерен. При этом более длительный помол (10 с) с фибрами привел к снижению прочности до значений неармированных образцов, по-видимому, из-за значительного помола самих фибр. Наибольшая прочность оказалась у образцов с помолом длительностью 5 с.

Что касается использование обработки фибр щелочью и кислотой, то прочность образцов с такими фибрами наоборот снизилась до 5% по сравнению с неармированными образцами. А использование необработанных фибр привело к увеличению прочности лишь на те же 5%. Предполагалось, что обработка фибр приведет не только к удалению замаслевателя, ухудшающего прочность сцепления, но и за счет создания неровностей на поверхности приведет к ее увеличению. Необходимо отметить, что характер разрушения базальтофибробетонных образцов не отличался от разрушения неармированного бетона, а именно разрушение было хрупким, без типичной «полки» пластичного разрушения, характерного для дисперсно-армированного бетона. С другой стороны, не наблюдалось и «выдергивания» значительного количества фибр при разрушении. Некоторая парадоксальность результатов снижения прочности с увеличением дисперсности распределения волокон указывает на отсутствие их совместной работы с матрицей. Фактически базальтовые фибры как бы вносят участки дефектов в бетон.

4. Заключение

Таким образом, вопрос о целесообразности использования базальтовой фибры именно для увеличения предела прочности на растяжение бетона, на наш взгляд, остается открытым. Необходимо отметить, что теоретические прогнозы, основанные на значениях модуля упругости волокон и их предела прочности не совсем обоснованы, так как приводимые в литературе значения относятся возможно к самому начальному модулю упругости, а предел прочности волокон достигается при значительных удлинениях, не доступных для бетонной матрицы. Поэтому дальнейшую корректировку способов использования таких фибр в бетоне можно будет сделать только после полных дополнительных исследований механических свойств волокон, а также непосредственных экспериментов по определению их прочности сцепления с цементным камнем.

The additional file for this article can be found as follows: