Московский экономический журнал 12/2020

image_pdfimage_print

DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10831

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И ОГНЕСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ДОБАВЛЕНИЕМ ФИБРЫ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

THE STUDY OF DURABILITY AND FIRE RESISTANCE CONCRETE STRUCTURES WITH FIBRE AND ECONOMIC PERFORMANCE OF THEIR APPLICATION

Базанов Сергей Владимирович, преподаватель кафедры комплексной безопасности в строительстве, Московский Строительный Государственный Университет

Bazanov Sergey Vladimirovich, Moscow State University Of Civil Engineering

Аннотация. В настоящий период времени в России и практически во всем мире быстрыми темпами ведется строительство тоннельных сооружений. Параметры, которые считаются основными при строительстве  тоннелей- это их эксплуатационная надежность, которая заключается в сохранении эксплуатационных характеристик при их непосредственном использовании. По результатам статистики количество аварий в тоннелях показывает, что основной причиной считаются пожары, которые составляют 59% от всего количества аварий. Пожары провоцируют обрушение тоннелей, которые в свою очередь приводят к гибели людей и материальному ущербу.

В статье представлены результаты исследований прочности железобетонных конструкций и их огнестойкости. Исследование было проведено при добавлении в бетонный смеси фибры различных сортов и различного количества. Результаты испытаний представлены в таблицах и на графиках, которые показывают улучшение показателей.

Summary. At the present time in Russia and almost all over the world, tunnel structures are being built at a rapid pace. The parameters that are considered the main ones in the construction of tunnels are their operational reliability, which consists in maintaining their operational characteristics when they are used directly. According to statistics, the number of accidents in tunnels shows that the main cause is considered to be fires, which make up 59% of the total number of accidents. Fires cause tunnels to collapse, which in turn lead to death and property damage.

The article presents the results of research on the strength of reinforced concrete structures and their fire resistance. The study was conducted when adding fiber of different grades and different amounts to the concrete mix. Test results are presented in tables and graphs that show improvements in performance.

Ключевые слова: огнестойкость, прочность, фибробетон, тяжелый бетон, железобетон, экономика.

Keywords: fire resistance, strength, fiber concrete, heavy concrete, reinforced concrete, economy.

При сравнении железобетонных надземных зданий и сооружений, железобетонные блоки тоннельных обделок имеют повышенную влажность, которая составляет более 3,5%, что на ранних стадиях при возникновении пожара приводит к взрывообразному разрушению бетона и потере их несущей способности, которая в дальнейшем влечет за собой обрушение данных конструкций.

При строительстве тоннелей используются тяжелые (высококачественные) марки бетонов, что при высокотемпературном воздействии повышает вероятность взрывообразного разрушения. Для защиты тяжелого бетона от взрывообразного разрушения применяют такие методы как установка противооткольной сетки, использование огнезащитных облицовок и покрытий [2]. Одним из существующих методов защиты бетона от взрывообразного разрушения считается добавка в бетон полипропиленовой фибры (ППФ) в количестве 1–2 кг/м3.

При исследовании фибробетона учитываются свойства фибры, которые оказывают положительное и отрицательное влияние на его прочность. Определение прочности имеет огромное значение при исследовании огнестойкости тоннельных сооружений.

Проведем анализ свойства равномерности распределения фибры в объёме смеси. [3] При исследования расхода фибры в объёме смеси за основу берутся образцы кубической формы с углеродной фиброй. По результатам исследования, которые представим на рисунках 1 и 2 виден прирост прочности на осевое растяжение 18 % и на осевое сжатие 43 %, также получен диапазон коэффициента армирования бетона углеродным волокном 0,2…0,3 % от массы цементного вяжущего.

Далее представим результаты исследования, которые были направлены на разработку составов сталефибробетона на разных составах бетона с фибрами различной модификации, которые были добавлены для повышения прочностных характеристик.

Для исследования применяли три вида вяжущих, которые представим  в таблице 1.

В состав бетона вводились 3 вида фибр:

  • фибра волнообразная стальная 30 мм длиной, 0,8 мм диаметром;
  • фибра анкерная стальная 50 мм длиной, 0,8 мм диаметром;
  • фибра плоская стальная 32 мм длиной, 3,2 мм шириной, та
  • образцы без фибры.

Испытания были проведены при нормальных условиях среды без прогрева бетона, по методике ГОСТ  10180–2012  [1]. Результаты испытаний представим на рисунке 3.

Значение модуля упругости без фибры равно 35,8*103 МПа, с добавлением фибры плоской фрезерованной – 41,1 *103 МПа, с добавлением анкерной фибры – 39,8*103 МПа, с добавлением волновой фибры – 41,7*103 МПа.

На основании  данных,  представленных на рисунке 3, можно  сделать  вывод,  что  фибра  повышает   характеристики примерно в 1,2 раза по сравнению с бетоном в который фибра не добавлялась [4],  что  говорит о превосходстве  фибробетона.

Второе исследование направлено было на определение влияния расхода стальной фибры на прочность при сжатии. Испытаны так же 3  состава  сталефибробетона: 

  • состав первый  без добавки  в  бетон фибры; 
  • второй состав добавка 2 % армирования фиброй в форме «елочка» по массе стальной фибры на 1 м3;
  • третий состав 2  % армирования фиброй в форме «анкерная» по  массе стальной фибры на 1 м3.

Наиболее эффективной показала себя стальная фибра в форме «елочка», она представляет возможность повысить прочность на осевое сжатие в 1,2 раза по сравнению с бетоном в который фибру не добавляли.

Следующее исследование было проведено с добавлением стальной фибры на различном вяжущем. [5] Результаты эксперимента представим на рисунке 4. Расход фибры 72 кг/м3.

При введении в состав бетона фибры с различными  вяжущими  повышается  прочность  на  растяжение и  прочность на осевое  сжатие  [5].

Следующее исследование на базе стеклоровинга со стеклофибробетоном.  Образцами испытания  были  кубы  размером 10х10х10см и  балки размером 12х12х60 см. Длина фибры от 20 до 50 мм, 0,8 мм диаметром. Цель проведения исследования заключалось в определении прочностных характеристик стеклофибробетона в зависимости  от  процента армирования. Результаты проведенных исследований представим на рисунке 5.

При длине стекловолокна 20 и 35 мм и расходе фибры 1,5 и 3,0 % прочность на сжатие возрастает на 28 %. Прочность на растяжение при различных длинах и расходе в возрастает в среднем от 44 до 181 %.

При проведении исследования огнестойкости  предварительно  напряженных  сталефибробетонных плит  перекрытий  было установлено, что предел огнестойкости плит перекрытий имею значение 1 ч. 26 мин., что дает возможность применять  такую  конструкцию  для  зданий  со  2  степенью  огнестойкости.  Рекомендовано  армировать  дополнительно  при опорные  зоны  ребер каркасами и стержнями для предотвращения разрушения по косому сечению и для повышения  огнестойкости.  При  влажности  плиты больше  3,5%  и  расходе  стальной  фибры  85  кг/м3  бетон  может  разрушаться взрывообразно,  что  снижает пределы  огнестойкости конструкции. 

Также были проведены  исследования  огнестойкости  центрально  сжатых  колонн с добавкой и без добавки стальной фибры. Результаты исследований показали, что пределы огнестойкости колонн со стальной фиброй увеличились по сравнению с колоннами без фибры. При проведении теоретических  расчетов железобетонной колонны с усилением ее обоймой из фибробетона для увеличения прочностных характеристик  и  предела  огнестойкости  колонны.  В  качестве  фибры  в  обойме  применяли базальт. Расчет показал, что огнестойкость и прочность конструкции увеличивается.

Проведем анализ результатов исследования  огнестойкости и несущей способности изгибаемых железобетонных конструкций с добавками фибры. Для изготовления конструкции  применяли  бетон  класса  В25 с добавлением   базальтовой и стальной фибры с расходом 0,5…2,0 %. Результаты представим на рисунке 6 и рисунке 7.

В результате было установлено, что несущая способность конструкции с использованием базальтовой или стальной фибры выше, чем у конструкции  без  дисперсного  армирования.  Предел  огнестойкости  конструкций с армированием в пределах 0,5 – 1,5 % примерно одинаковый по сравнению с конструкциями без армирования, но при армировании 2,0 % предел огнестойкости повышается.

Таким образом, применение добавление фибры в различных пропорциях и различных видов оказывают положительное влияние на прочность и огнестойкость железобетонных конструкций.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. ГОСТ 10180–2012  Бетоны.  Методы  определения  прочности  по  контрольным  образцам.  Межгосударственный  стандарт // СПС «Техэксперт»
  2. Каприелов, С.С. Сверхвысокопрочный самоуплотняющийся фибробетон для  монолитных  конструкций  // Строительные материалы. – 2019. – № 7. – С. 28–31.
  3. Клюев, С.В.  Экспериментальные  исследования  фибробетонных  конструкций с различными видами фибр // Международный научно-исследовательский журнал. – 2017. – № 2-1 (33). – С. 39–44.
  4. Перфилов, В.А. Применение модифицирующих нано добавок для повышения прочности фибробетонов // Известия вузов.  Строительство.  –    –  №  8.  – С. 17–20.
  5. Промышленное и гражданское строительство. – 2014. – № 1–2. – С. 45–48.
  6. Юрьев, А.Г. Экспериментальные исследования деформирования стеклофибробетонных элементов конструкций // Бетон и железобетон – пути развития: II Всероссийская (Международная) конф.: сб. тр. – Москва, 2015. – С. 266–269.

LIST OF REFERENCES

  1. GOST 10180-2012 Concrete. Methods for determining the strength of control samples. Interstate standard / / SPS ” techexpert»
  2. Kaprielov, S. S. Super high-strength self-compacting fiber concrete for monolithic structures / / Building materials. – 2019. – No. 7. – Pp. 28-31.
  3. Klyuev, S. V. Experimental research of fiber-concrete structures with different types of fibers / / international research journal. – 2017. – № 2-1 (33). – Pp. 39-44.
  4. Perfilov, V. A. Application of modifying nanoadditives to increase the strength of fiber concrete. Izvestiya vuzov. Construction. – 2019. – No. 8. – S. 17-20.
  5. Industrial and civil construction. – 2014. – № 1-2. – P. 45-48.
  6. Yuriev, A. G. Experimental study of the deformation of the glassfiber concrete elements of construction // Concrete and reinforced concrete – development path: the II all-Russian (international) Conf.: SB. Tr. – Moscow, 2015. – Pp. 266-269.