ФИБРА ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ Х18Н10 ДЛЯ ДИСПЕРСНОГО АРМИРОВАНИЯ БЕТОНА

УДК 691.535 Я.Э. Бегич¹, 2, П.Д. Кремцева¹ , В.В. Новгородов ² , С.В. Карамышев ^3
1 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ² ООО «Витех», ³ ООО «ХИММЕТ»  

В настоящее время в строительстве активное развитие получили дисперсноармированные бетоны. Это связано с тем, что, в отличие от бетона и железобетона, они обладают рядом уникальных характеристик, таких как высокая прочность на растяжение, повышенная прочностью на сжатие, повышенная морозостойкость, водонепроницаемость и пониженная истираемость. Таким образом, использование фибробетона и разработка новых видов фибр имеет важное значение для строительной отрасли [1, 2]. При использовании фибры в строительстве можно добиться снижения стоимости зданий и сооружений за счет уменьшения объемов используемой арматуры в железобетонных 145 конструкциях, поэтому поиски новых видов дисперсного армирования так интересуют многих ученых [3, 4]. Бетон с включением в него фиброволокна имеет значительно меньший вес, чем с арматурой из металлической сетки. Ему можно придать любую форму, что намного упрощает процесс возведения бетонных конструкций. Исключение этапа армирования металлической сеткой также позволяет уменьшить толщину бетонных плит и снизить расход бетонного раствора [5, 6]. Цель исследования заключается в определении влияния нового вида волокна из нержавеющей стали Х18Н10 (европейский аналог SS 304) на физико-механические свойства цементных композитов. Для достижения поставленной цели была поставлена основная задача: провести испытания по определению прочности на растяжение при изгибе и на сжатие образцов на основе мелкозернистого бетона с включением в него металлической фибры из стали Х18Н10. Металлическая фибра – иглообразные отрезки мерной длины, получаемые экстракцией из расплавов металла (метод быстрой кристаллизации из жидкого состояния в твердое), предназначенные для дисперсного армирования жаростойких и строительных бетонов. В соответствии с европейским стандартом EN 14889 эта фибра относится к Melt extraction fiber, Type 3. Используемая в данном исследовании фибра была получена совместно с ООО «Химмет». В настоящее время производится типоразмер армирующего волокна – 25 мм. В поперечном сечении фибра имеет вид полумесяца с шириной около 1–1.5 мм, толщиной около 0.3 мм и имеет технологически неровную поверхность, что обеспечивает улучшаемую анкеруемость фибры в матрице из бетона. Важность поверхности, а именно адгезионные свойства между матрицей бетона и фиброй, была рассмотрена во многих статьях [7–9]. 

Процесс производства фибры представлен на рис. 1. В огнеупорном тигле (1), подогреваемом с помощью индуктора (2), находится расплав металла (3). С помощью подъемного механизма (4) тигель поднимается до касания поверхности металла с зубчатым роликом (5). Ролик имеет на поверхности продольные зубцы, на которых при касании намораживается отрезки тонкой ленты металла. Ролик приводится во вращение электродвигателем, а изнутри охлаждается водой (6). Застывшие отрезки фибры отрываются 146 от ротора центробежной силой и падают в сборный контейнер. Химический состав фибры контролируется с помощью оптико-эмиссионного спектрометра. Наибольшая эффективность фибробетона достигается при правильном сочетании свойств составляющих его компонентов. Фибра в определенной степени является важнейшей составляющей. Заметим, что на каждом отдельном элементе армирующего волокна имеются мелкие зубчики, обусловленные процессом изготовления. Данный факт, позволяет нам говорить о повышенной адгезии фибры с бетоном и о надежном механическим закреплении в теле бетона, что является важным для повышения прочности фибробетона. Трехмерное распределение стальных волокон в бетонной матрице повышает характеристики конструкций, а также позволяет уменьшить их толщину. К тому же, данная форма позволяет обеспечивать значительную жесткость фибры, равномерное распределение в объеме, а заначит и улучшение физико-механических характеристик фибробетона [7–9]. Чтобы получить образцы размерами 40х40х160 мм, растворную смесь нормальной густоты укладывают в трехсекционную форму, закрепленную на виброплощадке, далее образцы уплотняются вибрацией. В пространстве с повышенной влажностью образцы находятся первые 24 часа, а зачем они освобождаются от форм и хранятся в воде с температурой (202) С. Контрольные образцы в количестве 3 штук были получены с использованием 0.5 кг цемента марки ПЦ 500 Д0, 1.3 кг монофракционного песка и 240 мл воды. Водоцементное отношение для всех составов фибробетонной смеси равно 0.52. Сначала было проведено предварительное смешивание песка и цемента вручную. Зачем смесь была помещена в бегунковую растворомешалку для автоматического перемешивания. При этом, чтобы получить сопоставимые результаты, образцы с аморфной фиброй, добавленной в количестве 1; 2 и 3% от массы раствора, были приготовлены описанным выше способом. Следует добавить, что только после достижения равномерного распределения фибрового волокна в цементно-песчаной смеси, добавлялась вода. Испытания на прочность при изгибе и сжатии проводились в соответствии со стандартной методикой ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии» в возрасте 3 и 7 суток. Результаты представлены в табл. 1. 

В табл. 1 виден рост прочности как при изгибе, так и при сжатии, с увеличением процентного содержания фибры в образцах. Таким образом, добавление волокон из нержавеющей стали Х18Н10 в мелкозернистый бетон приведет к улучшению модуля упругости, поскольку прирост значения прочности при изгибе составляет 19.6%. В то же время улучшается возможность противостоять сжимающим напряжениям благодаря увеличению прочности при сжатии на 11.2% по сравнению с контрольным образцом. По проведенным испытаниям можно сделать вывод, что наиболее серьезных улучшений характеристик позволяют добиться образцы с содержанием фибры 3%. 147 Данная фибра может быть использована в ремонтных составах, в ультратонких строительных конструкциях, которые подвержены высоким температурным нагрузкам, а также в качестве дополнительного армирования при торкрет бетонировании. 

ЛИТЕРАТУРА 1. Чиннов А.А. Опыт применения фибробетона // Международная научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Губкин, 2017. – С. 256–259. 2. Черепанова Е.Е., Полетаева Е.С. Новшества в строительстве: фибробетон // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. – Самара, 2013. – С. 42–46. 3. Cherkashin A., Begich Y., Sherstobitova P., Tolochko O. Amorphous fiber based on the Fe-B-C molten system for bulk reinforcement of concrete // MATEC Web of Conferences. – EDP Sciences, 2018. – V. 245. – P. 03019. 4. Пантелеев Д.А. Исследование свойств сталефибробетона на основе аморфной металлической фибры // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. – 2013. – Вып. 31 (50). – С. 132–135. 5. Талантова К.В. Оптимизация расхода стальной фибры при проектировании конструкций на основе сталефибробетона // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2014. – № 8. – С. 99–106. 6. Клюев А.В., Нетребенко А.В., Дураченко А.В. Свойства бетонной матрицы при дисперсном армировании фибрами // Сборник научных трудов Sworld. – 2014. – Т. 16. – № 2. – С. 96–99. 7. Соловьев В.Г., Кухарь И.Д., Нуртдинов М.Р., Матюшин Е.В., Беликов С.С. Эффект взаимодействия различных видов фибры с бетонной матрицей // Вестник современных исследований. – 2018. – № 8.3 (23). – С. 308–311. 8. Пухаренко Ю.В., Пантелеев Д.А., Жаворонков М.И. Влияние вида фибры и состава матрицы на их сцепление в фибробетоне // Вестник сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. – 2022. – № 3 (85). – С. 436–445. 9. Зелепко А.Ю. Определение прочности сцепления стальной проволочной фибры с цементным камнем // Молодой ученый. – 2020. – № 18 (308). – С. 53–57.