Сочетание макроволокна со стальным волокном может изменить характер переноса нагрузки бетоном после появления трещин. Положительным результатом может стать более постепенная потеря несущей способности или более высокое поглощение энергии в заданном диапазоне деформаций. Оптимальный состав смеси зависит от того, какая часть характеристик требуется при проектировании, а также от технологичности, прочности на сжатие и стоимости.
Компания «Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd.» поставляет армирующие волокна Ecocretefiber™ и помогает заказчикам сравнивать потенциальные системы для проведения испытаний. В данном руководстве рассматривается серия экспериментов с семью смесями, а полученные результаты формулируются в виде практических вопросов, которые следует учитывать при выборе гибридного бетона. Результаты показывают многообещающий путь частичной замены стальных волокон, при этом существуют измеримые компромиссы, которые следует проверять в каждом проекте.
Зачем сочетать макроволокно со стальным волокном?
Стальные волокна и полипропиленовые волокна Macro Fiber различаются по жесткости, плотности, геометрии и характеристикам деформации. Надежно закрепленное стальное волокно способно противостоять расширению трещины при относительно небольшой деформации. Более длинное полимерное волокно может оставаться закрепленным по мере дальнейшего раскрытия трещины в зависимости от его сцепления, удлинения и поведения при вырыве. Сочетание этих материалов может обеспечить эффективную реакцию в более широком диапазоне деформаций.
Это гипотеза, которую необходимо проверить. Наличие двух волокон в одной партии не гарантирует автоматического возникновения синергетического эффекта. Их соотношение может снизить пропускную способность, увеличить содержание воздуха или привести к неравномерности распределения. Полная кривая «нагрузка-прогиб» и указанные допустимые характеристики показывают, насколько целесообразно использование гибридного материала.
В Исследование 2006 года, проведенное Цао Цзифэном и Дин Инином, в ходе исследования ученые сравнили обычный бетон, бетон со стальными волокнами, бетон Macro Fiber и две гибридные смеси. В ходе работы были изучены поведение свежего бетона, прочность кубиков, поглощение энергии и эквивалентная прочность на изгиб. Речь идет о лабораторных данных по указанным материалам, а не о сертифицированных результатах для текущих марок Ecocretefiber™.
Ознакомьтесь с материалами и условиями испытаний
Два волокна с разными свойствами
В исследовании использовалось стальное волокно с зазубринами длиной 32 мм и диаметром 0,70 мм. Сообщалось, что его плотность составляла 7,85 г/см³, предел прочности при растяжении — свыше 600 МПа, а модуль упругости — 200 ГПа.
Полипропиленовое волокно Macro Fiber имело длину 50 мм и эквивалентный диаметр 0,984 мм. Сообщаемая плотность волокна составляла 0,91 г/см³, предел прочности при растяжении — 490 МПа, а модуль упругости — 8 ГПа. Авторы также указали относительное удлинение при разрыве, равное 10,7%. Указанные значения относятся к исследуемым материалам; их не следует копировать в заказ на поставку другого продукта.
Разница в жесткости была существенной: заявленный модуль упругости стального волокна в 25 раз превышал модуль упругости волокна Macro Fiber. Однако одна только жесткость не определяет эксплуатационные характеристики композита. Различные длины, поверхности, объемы и количество волокон также влияют на перехват трещин и передачу нагрузки.
Один базовый бетон и семь смесей
Базовая смесь была рассчитана на китайский бетон марки C50. На один кубический метр она содержала 420 кг цемента, 180 кг летучей золы, 669 кг песка, 818 кг крупного заполнителя, 210 кг воды и 4,2 кг водоредуктора. Сообщаемое соотношение «вода/вяжущее» составляло 0,35, а размер крупного заполнителя — 5–10 мм. Данная рецептура является экспериментальной, а не стандартной производственной.
Стальное волокно использовалось в количестве 30 или 50 кг/м³. Макроволокно использовалось в количестве 4 или 6 кг/м³. Гибридные комбинации представляли собой 30 кг/м³ стального волокна плюс 4 кг/м³ макроволокна и 50 кг/м³ стального волокна плюс 6 кг/м³ макроволокна. Приведенные ниже обозначения позволяют отслеживать эти количества при сравнении результатов.
Для испытаний на изгиб исследователи использовали балки с выемкой размером 150 × 150 × 550 мм, с пролетом 500 мм и выемкой шириной 25 мм. Они регистрировали прогиб и раскрытие устья трещины в ходе контролируемой нагрузки и оценивали вязкость разрушения с помощью методики, основанной на стандартах RILEM. Детали образца и метода имеют важное значение, поскольку результаты, полученные в данной конфигурации, нельзя напрямую применять к другому методу испытания балок или конструктивному элементу.
А как же технологичность и содержание воздуха?
Добавление волокон привело к уменьшению заявленного размаха растекания и увеличению измеренного содержания воздуха. Размах растекания базового бетона составлял 670 мм. У гибридного бетона с максимальной дозой этот показатель составил 350 мм. Содержание воздуха возросло с 2,00% в обычном бетоне до 3,15% в этом гибридном бетоне.
| Смесь | Доза стали / макроволокна, кг/м³ | Заявленный диапазон расхода, мм | Содержание воздуха, % |
| NC | 0 / 0 | 670 | 2.00 |
| SF30 | 30 / 0 | 475 | 2.36 |
| SF50 | 50 / 0 | 355 | 2.60 |
| PP4 | 0 / 4 | 575 | 2.50 |
| PP6 | 0 / 6 | 445 | 2.65 |
| SF30PP4 | 30 / 4 | 405 | 2.95 |
| SF50PP6 | 50 / 6 | 350 | 3.15 |
Исследователи охарактеризовали смеси как стабильные и не наблюдали ни сегрегации, ни выделения в условиях проводимых ими испытаний. Значения расплыва следует указывать в соответствии с исходной методикой. Они не являются обычными показателями осадки и сами по себе не служат основанием для классификации современного самоуплотняющегося бетона.
В производственных условиях практическая задача заключается в том, чтобы обеспечить достаточную текучесть, соблюдая при этом утвержденный водный баланс. Путем проведения испытаний необходимо подобрать совместимые добавки, объем пасты и гранулометрический состав заполнителя. Проверить насососпособность, заполнение форм, качество отделки и содержание воздуха в пробах, отобранных в соответствии с условиями контракта. Более высокие показатели содержания воздуха также означают, что волокна не следует рассматривать как компонент, автоматически повышающий плотность любой смеси.
Прочность на сжатие не демонстрировала той же тенденции, что и вязкость
В данной серии испытаний смеси, содержащие только сталь, продемонстрировали более высокую 28-дневную прочность кубиков, чем контрольный образец без добавок. Смеси, содержащие только макроволокно, показали результаты, несколько уступающие контрольному образцу. Гибридные смеси также продемонстрировали результаты испытаний на сжатие, отличающиеся от результатов смесей, содержащих только сталь.
| Смесь | Прочность куба через 1 день, МПа | Прочность куба через 28 дней, МПа |
| NC | 18.19 | 64.26 |
| SF30 | 17.03 | 71.76 |
| SF50 | 15.98 | 73.29 |
| PP4 | 16.00 | 60.75 |
| PP6 | 16.78 | 60.66 |
| SF30PP4 | 14.80 | 58.98 |
| SF50PP6 | 13.92 | 64.83 |
Приведены средние значения по группе. Сами по себе средние значения не подтверждают статистическую эквивалентность или определённую характеристику прочности продукции. В частности, для SF30PP4 было зафиксировано значение 58,98 МПа по сравнению с 73,29 МПа для SF50, что примерно на 19,5% ниже. Поэтому его благоприятный результат испытания на изгиб на поздней стадии следует рассматривать в совокупности с требованиями к сжатию.
Практический вывод заключается в том, что сжатие следует оценивать отдельно. Гибридный материал, выбранный для поглощения энергии, должен по-прежнему соответствовать требуемому по проекту классу прочности, правилам отбора проб, условиям отверждения и критериям приемки. Не следует делать выводы о гарантированном повышении прочности на сжатие на основании данных о прочности волокон на разрыв.
Оценить характеристики изгиба в требуемом диапазоне деформаций
В ходе исследования эквивалентная прочность на изгиб рассчитывалась на основе поглощения энергии на определённых участках кривой изгиба. Два указанных в отчёте показателя эквивалентной прочности основывались на прогибах в конечных точках, равных эталонному прогибу плюс 0,65 мм и плюс 2,65 мм. Эталонный прогиб был связан с критерием начальной нагрузки на изгиб.
Для наглядности в таблице они обозначены как «ранний» и «поздний» показатели. Это значения, рассчитанные на основе энергии за заданные интервалы времени. Они не являются просто напряжением в одной точке кривой и не взаимозаменяемы с остаточными прочностями, определёнными по другому стандарту.
| Смесь | Ранее указанная эквивалентная прочность, МПа | Позднейшая эквивалентная прочность, МПа |
| SF30 | 2.959 | 1.119 |
| SF50 | 5.125 | 2.058 |
| PP4 | 1.289 | 1.624 |
| PP6 | 1.340 | 1.639 |
| SF30PP4 | 4.599 | 2.432 |
| SF50PP6 | 6.291 | 3.580 |
Добавление макроволокна к фиксированной дозе стали
По сравнению с SF30 у SF30PP4 ранний эквивалентный предел прочности увеличился с 2,959 до 4,599 МПа, что составляет примерно 55%. Показатель для поздней стадии деформации увеличился с 1,119 до 2,432 МПа, что соответствует примерно 117%. Это свидетельствует о более выраженном преимуществе данной комбинации в поздней стадии деформации.
При более высокой дозе стали показатель SF50PP6 превысил показатель SF50 примерно на 23% по раннему индексу и примерно на 74% по позднему индексу, рассчитанным на основе средних значений из таблицы. Речь идет о добавлении волокон Macro Fiber к существующим количествам стали. Сами по себе эти данные не свидетельствуют о замещении стали и не позволяют выделить чистый эффект взаимодействия: общее содержание волокон также увеличилось.
Уменьшение содержания стали при добавлении макроволокна
Полезным сравнением при замене является сопоставление SF30PP4 и SF50. Содержание стали снизилось с 50 до 30 кг/м³, что соответствует уменьшению массы стали на 40%, при этом было добавлено 4 кг/м³ макроволокна. Ранее эквивалентная прочность была примерно на 10% ниже, а позднее — примерно на 18% выше.
Это условный компромисс. Он позволяет рассмотреть возможность частичной замены в тех случаях, когда имеет значение диапазон последующей деформации. Он не гарантирует одинаковых эксплуатационных характеристик при любом раскрытии трещины, одинаковой прочности на сжатие или разрешения на сокращение количества стали марки 40% в другом проекте. Приемлемый расчетный результат должен определять, какая смесь соответствует требованиям.
Почему массовая замена может вводить в заблуждение
Сталь и полипропилен имеют совершенно разную плотность. Исходя из данных исследования, 50 кг/м³ стали соответствуют примерно 0,64% объёма бетона. Сочетание 30 кг/м³ стали и 4 кг/м³ макроволокна соответствует примерно 0,38% стали плюс 0,44% макроволокна, или 0,82% общего объема волокна.
Таким образом, в гибридном материале использовалось меньше массы стали, но больше общего объема волокон, чем в SF50. Его характеристики отражают изменения в составе материала, геометрии, количестве волокон и их общем содержании. Замена «килограмм за килограмм» скрыла бы эти различия.
Для сравнения затрат при покупке следует учитывать как массовую дозировку, так и расчётную объемную долю с использованием фактических значений плотности марок материалов. Необходимо учитывать стоимость за кубический метр, а также любые изменения, связанные со смешиванием, добавлением примесей, испытаниями и отделкой. Сокращение массы стали на 40% — это не то же самое, что сокращение общей стоимости бетона на 40%.
Превратите результаты исследования в план подготовки проекта
Сначала определите требуемый ответ
Укажите требуемые для элемента прочность на сжатие, условия эксплуатации, технологичность и поведение после появления трещин. Если эксплуатационная пригодность зависит от ограничения разрыва трещины, решающее значение может иметь раннее поведение. Если в конкретном случае требуется поглощение энергии при больших деформациях, важное значение может иметь более поздний интервал. Соответствующий критерий выбирает проектировщик конструкции.
ASTM C1609/C1609M-24 разграничивает прочность на изгиб первого пика и остаточную прочность при заданных прогибах. В рамках проекта, в котором используется данный метод, предлагаемые смеси должны проходить квалификацию именно по этому методу. Не следует напрямую пересчитывать исторические значения эквивалентной прочности в показатели приемлемости по стандарту C1609 без обоснованной корреляции.
Сравнение матрицы практических испытаний
Включите контрольный образец, текущую смесь, состоящую исключительно из стали, и рассматриваемые смеси. Если цель состоит в изучении синергетического эффекта, рассмотрите возможность проведения сравнений, в которых контролируется как общий объем волокон, так и альтернативные варианты производства. Обеспечьте постоянство материалов и условий отверждения и укажите в отчете вариабельность образцов наряду со средними значениями. Это поможет отличить полезную смесь от обычного разброса результатов или увеличения общего объема арматуры.
Проверить дисперсию в промышленных условиях. Подавать оба типа волокон с контролируемой скоростью в движущуюся смесь в соответствии с последовательностью, утвержденной в ходе испытаний. Успешные результаты лабораторных испытаний в чаше не гарантируют работоспособности автобетоносмесителя, насосной линии или системы нанесения бетона распылением. Зафиксировать показатели содержания воздуха, удержания потока, выход партии, количество волокон и характеристики укладки.
Проверка расчетных условий за пределами испытания балки
Для оценки воздействия постоянных нагрузок, ползучести, усталости, ударных нагрузок, воздействия огня, коррозии, а также для анализа соединений и детализации элементов конструкции может потребоваться предоставление отдельных доказательств. Наличие полипропиленового компонента не означает, что оставшаяся сталь в гибридной конструкции не подвержена коррозии. Аналогичным образом, результаты испытаний балки в статическом режиме не позволяют определить все ударные или сейсмические характеристики.
ACI SPEC-544.12-23 содержит технические требования, основанные на эксплуатационных характеристиках, к армированным волокнами плитам, укладываемым непосредственно на грунт, и накладным слоям. Необходимо соблюдать установленные в ней рамки применения и требуемые остаточные эксплуатационные характеристики. Замена отдельных стальных волокон в смеси также представляет собой иное решение, чем удаление арматурных стержней или сварной проволочной арматуры из конструкции.
Выберите актуальные марки Ecocretefiber™ для испытаний
Наш Ecocretefiber™ — макроволокно и ассортимент стальных волокон Предложите варианты оценки текущего проекта. Уточните точный сорт, размеры, форму, характеристики прочности на разрыв, плотность и приложите соответствующие протоколы испытаний. Стальной изделие с загнутым концом не является тем же самым, что и стальное волокно с выемкой, использовавшееся в историческом эксперименте.
Компания «Шандун Цзяньбан» готова обсудить возможные варианты длины изделий, условия упаковки и детали поставок для пробного производства. Сообщите нам данные о текущем расходе стали, составе основной смеси, методе укладки, проектных критериях и целевом уровне затрат. Пробное производство должно показать, соответствует ли предлагаемый гибридный материал всем техническим требованиям, прежде чем будет определена цена на замену или дано одобрение.
Часто задаваемые вопросы
Всегда ли макроволокно повышает прочность на сжатие?
Нет. В серии из семи смесей результаты испытаний на сжатие и на ударную вязкость демонстрировали разные тенденции. Для каждой предлагаемой смеси необходимо отдельно определить требуемый класс прочности.
Может ли макроволокно плотностью 4 кг/м³ заменить стальное волокно плотностью 20 кг/м³?
Данная комбинация позволила получить многообещающие результаты испытаний на изгиб на поздних стадиях в одной из выбранных лабораторных систем. Показатели эквивалентной прочности и прочности на сжатие на ранних этапах были ниже, чем у смеси, состоящей исключительно из стали плотностью 50 кг/м³. Для нового проекта необходимо провести собственные испытания смеси и получить одобрение проекта.
Является ли эквивалентная прочность на изгиб тем же, что и остаточная прочность?
Оба показателя могут описывать аспекты поведения материала после растрескивания, однако важную роль играют метод расчёта и метод испытаний. Используемые здесь исторические показатели основаны на энергии. Остаточная величина при заданном прогибе по стандарту C1609 представляет собой иную величину, указываемую в отчётах.
Почему гибридная система может улучшить поведение на поздних этапах?
Волокна, отличающиеся по жесткости, длине, способу соединения и растяжимости, могут по-разному взаимодействовать при образовании трещины. Кривые, полученные в ходе исследования, и результаты, касающиеся эквивалентной прочности, подтверждают целесообразность изучения этого механизма. Однако они не гарантируют его действие для каждой пары волокон.
Гибридная модель со сниженным содержанием стали автоматически обходится дешевле?
Нет. Сравните общую стоимость за кубический метр с учетом обоих видов волокон, корректировок состава смеси, производства, испытаний и любых изменений в конструкции. Прежде чем заявлять об экономии, убедитесь в соответствующих эксплуатационных характеристиках.
Обсудите с компанией «Цзяньбан» возможность проведения испытаний макроволокна и стального волокна
Гибридная система является эффективной, если её измеренные характеристики соответствуют фактическим требованиям к данному элементу. Компания «Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd.» поставляет варианты армирования Ecocretefiber™ и помогает заказчикам подготовить информацию о продукции для проведения контролируемых испытаний. Свяжитесь с нашей командой с учетом ваших исходных параметров по стальному волокну, целевого диапазона деформации и критериев приемлемости для обсуждения возможной смеси макроволокна.
