Румяна Захариева, Емануела Манолова, Димитър Назърски Дисперсното армиране на бетона намира все по-широко приложение, тъй като води до подобряване както на неговите механични свойства, така и на някои аспекти, свързани с дълготрайността и поведението му при екстремни въздействия. Супервисокоякостните бетони (СВЯБ), които се разработват за първи път у нас в рамките на проект, финансиран от МОМН, са с много висока якост на натиск (над 150 МРа), но се отличават с твърде крехко разрушение. Дисперсното им армиране с високомодулни влакна води до създаването на циментови композити, имащи изключително висока дуктилност. Използването на комбинация от стоманени и нискомодулни влакна позволява модифициране и на други свойства на СВЯБ. Статията разглежда особеностите на дисперсното армиране на СВЯБ, свързани с избора на вида и количествата на влакнестата армировка, с тънкостенността на сеченията на елементите от тях, както и с технологичните параметри при производство на СВЯБ. Представят се и първите резултати от изпитванията на влакнестоармирани СВЯБ в България. 1. Въведение В последните 10 - 15 години супервисокоякостният бетон (СВЯБ) се утвърждава като строителен материал, харесван едновременно от архитекти и инженери поради своите характеристики на отличен конструктивен материал, позволяващ постигането и на добър естетически вид. СВЯБ се отличава от останалите бетони не само с високи якости (якост на натиск над 150 MPa и якост на огъване над 30 MPa), но и с характера на разрушението си - дуктилен, с много по-висока енергия на разрушение, постигана с дисперсно пространствено армиране с влакна за осигуряване на продължителна работа на материала след поява на първа пукнатина и развитие на значителни остатъчни деформации. Много често се прилага комбинирано (хибридно) армиране на СВЯБ с високо- и нискомодулни влакна, за постигане едновременно на високи якост и жилавост на композита (toughness index), но и за намаляване на пукнатинообразуването от съсъхване и повишаване на огнеустойчивостта му [6]. Благодарение на своя състав и структура СВЯБ притежава и отлична дълготрайност. Това поведение прави влакнестоармираните СВЯБ (ВАСВЯБ) много подходящи за строителство в сеизмични райони, за конструкции, устойчиви на удар, взрив и др. динамични натоварвания, както и за конструкции, подложени на тежки въздействия на околната среда. По тази причина СВЯБ всъщност се наричат на английски Ultra High Performance Concrete (UHPC). Поради особеностите на състава и приложението на СВЯБ дисперсното им армиране се характеризира с редица особености в сравнение с това на обикновените бетони. 2. Особености на СВЯБ по отношение на армирането с влакна 2.1. Избор на вида на влакната Дисперсното пространствено армиране с влакна на циментови композити и бетони отдавна е рутинна строителна практика, включително и в България. Чрез този тип армиране се модифицират както якостно-деформационните характеристики (якост на опън и огъване, деформативност, Е-модул и коефициент на Поасон) на композитите, така и някои специфични свойства, свързани с дълготрайността им в определени експлоатационни условия, например пукнатиноустойчивост, газонепроницаемост, водонепропускливост, поведение при динамични въздействия, устойчивост на изтриване, огнеустойчивост и др. В зависимост от целите на армирането се подбират съответните влакна. Водеща е тенденцията за използване на т.нар. хибридно армиране на цимент-съдържащите композити, което представлява комбинация от различни видове и типове влакна с конкретен принос в подобряване на технико-експлоатационните възможности на композита. Въпреки наличието на различни видове влакна, подходящи за армиране на циментови композити, най-често използваните у нас (по икономически съображения) са стоманените и полимерните (у нас предимно полипропиленови). Пространственото дисперсно армиране със стоманени фибри на СВЯБ е предимно с конструктивно предназначение (т. нар. structural reinforcement) и много често това е единственият тип армировка в тези бетони, тъй като полученият композит се отличава с много висока енергия на разрушение, дължаща се на повишени якости (вкл. на опън, вкл. при знакопроменливо натоварване) и едновременно на голяма деформируемост (преди и основно след пукнатинообразуване). Високата якост и отличната дълготрайност на СВЯБ дават възможност да се проектират и изпълняват тънкостенни сечения от видим бетон, което е едно от големите му предимства, тъй като се понижава значително натоварването от собствено тегло на конструкциите. В случаите на дисперсно армиране със стоманени влакна обаче това означава, че покритието на някои стоманени влакна ще бъде много тънко, а на други - ориентирани перпендикулярно към повърхността, на практика ще липсва. Този проблем не е толкова конструктивен, свързан с намаление на носимоспособността вследствие на корозията на влакната, колкото естетически - има опасност около тези влакна да избият петна от ръжда. Решението може да се търси в замяната на стоманените с други високомодулни влакна, което би било по-скъпо, или в използването на стоманени влакна с антикорозионно покритие - най-често медно, нанасяно в процеса на производство на влакната. От гледна точка на механичното поведение на влакната в композита - възможност да се използва по-пълноценно якостта им на опън и да се контролира сцеплението им с матрицата, за композити от типа на СВЯБ (с високоякостна матрица) се препоръчва използването на снопове от влакна или специални „самонастройващи се” влакна от т.нар. тип Duplex, при които повърхността осигурява много добро сцепление с матрицата (а оттам и висока якост на композита), докато вътрешността на влакната/снопът се плъзга/трие по обвивката и тези телескопични движения осигуряват дуктилността и жилавостта на композита. Полипропиленовите влака (ПП) се влагат с основна цел подобряване на поведението на СВЯБ при пожар - при стопяването си дават възможност да се порьозира иначе много плътната матрица и по този начин да се намалят напреженията, поредени от изпарението на водата. Същевременно те намаляват пластичното съсъхване и микропукнатините при тежки натоварвания. Една от причините за положителното действие на фибри е, че при изготвянето на бетона част от водните молекули се разполагат върху повърхността на фибрите и така изпаряването на водата в ранните часове се намалява, което води и до намаляване на пропускливостта на матрицата. Както се дискутира по-долу, хибридното армиране с ПП и стоманени влакна допринася за т.нар. деформационно уякчаване на ВАСВЯБ. 2.2. Геометрични характеристики на влакната и процент на армиране Количеството и геометричните размери на стоманените влакна (дължина и еквивалентен диаметър, както и съотношение между тях), подходящи за армиране на бетона, зависят от максималния размер на добавъчния материал. Колкото е по-едър добавъчният материал, толкова по-дълги трябва да са влакната и да са в по-малко количество, за да бъдат хомогенно разпределени в обема на бетона [5]. При СВЯБ липсва едър добавъчен материал, следователно е възможно използването на сравнително къси влакна (до 15 mm). От друга страна, диаметърът на влакната трябва да е такъв, че те да се изтръгват или скъсват, а да не се чупят в процеса на разрушение, тъй като това води до разрушение и на композита. Това е особено опасно в случаите на много добро сцепление на влакната с матрицата, какъвто е случаят със СВЯБ, затова се препоръчва използването на влакна, при които отношението на диаметъра към дължината не надхвърля 100. Формата на влакната също има съществено значение. При гладките влакна механизмът на разрушаването на композита е свързан с изтръгването им, а дисипацията на енергия се дължи на приплъзването/триенето между влакната и матрицата, т.е. при гладките влакна е от значение не толкова якостта им на опън, колкото сцеплението им с матрицата и съответно дължината им. Използването на сравнително къси влакна позволява те да са в голямо количество (дори над 6% об.), с което се постигат едновременно нарастване на якостта на опън (съответно на опън при огъване) и на дуктилността, т.е. на индекса на жилавост. При някои СВЯБ например тези, получени с компресиране, които могат да се разглеждат и като т.нар. материали без макродефекти MDF, когато процентът на армиране е под критичния, се постига само увеличение на дуктилността в стадия след пукнатинообразуване, което понякога е напълно достатъчно, тъй като якостта на опън при огъване на самата матрица може да достигне 100 МРа. Според Naaman ВАСВЯБ се характеризират с т.нар. деформационно уякчено поведение (strain-hardening) при натоварване на опън при огъване, при което в стадия след поява на първа пукнатина, благодарение на интензивно микропукнатинообразуване, преди да настъпи разрушаването, се увеличава значително скоростта на деформациите [2, 3]. Образуването на множество малки пукнатини в циментовите композити може да бъде постигнато с увеличаване на обема на влакната (за да се премостват микропукнатините и да се възпрепятства сливането им в по-големи макропукнатини, способни да разрушат матрицата), с използването на стоманени влакна с повишена адхезия към матрицата (например усукани влакна или оплетени влакна), със стоманени влакна с куки в краищата или с използването в комбинация с полимерни влакна. При ВАСВЯБ най-често е прилаган последният подход, тъй като влакната със специална форма и повърхност са обикновено предназначени за по-едрозърнести композити. 2.3. Хомогенизиране на влакната Един от съществените проблеми при влагането на дисперсна армировка в циментовите композити е хомогенното разпределение на влакната и постигането на нужната ориентация в различните направления. В случая на СВЯБ, при твърде ниски В/Ц отношения и изключително тиксотропни смеси с ниска обработваемост, влагането на влакна със силно развита специфична повърхност е предизвикателство - стоманени влакна над 2% об. водят до съществено намаление на обработваемостта на смесите. При СВЯБ разбъркването на сместа е обикновено по-продължително от това при обикновените бетони и има опасност от допълнително въздуховъвличане, с което се вкарват макродефекти в матрицата. За да се избегне това, може да бъде приложено разбъркване във вакуумна среда. От друга страна, гъстотата на смесите и използването на стоманени микрофибри предотвратяват опасността от сегрегация на ВАСВЯБ. За стоманените влакна обикновено се използва технологията premix, т.е. смесването им с останалите компоненти на бетона и разбъркване, като при СВЯБ се препоръчва влагането на влакната да става в миксера след хомогенизирането на матрицата, като се прилага допълнително разбъркване, чиято продължителност зависи от обема на миксера и интензивността на разбъркването. 2.4. Методи на изпитване В света съществува сериозна нормативна база по приложението на влакнестата армировка в бетона: през последните години са разработени множество стандарти от серията ASTM (A820/A820M, C1116/C1116M, C1550, C1609/C1609M, C1666/C1666M, D7508/D7508M, D7357 и др.), които имат за цел да регулират изпитванията и техническите изисквания към тези композити и техните компоненти. У нас са в сила стандартите от серията БДС EN, сред които БДС EN 14889 с части 1 и 2, даващ определения, изисквания и оценка на съответствието на стоманени и полимерни влакна за армиране на бетон; БДС EN 14845 за определяне на ефекта от влакнестото армиране върху бетона, БДС EN 14721, отнасящ се до определяне на съдържанието на влакна в бетонна смес и втвърден бетон и БДС EN 14651 за определяне на якостта на опън при огъване на бетон, армиран с метални влакна. Доколко тези системи са пряко приложими към ВАСВЯБ или се нуждаят от адаптиране (по отношение на размери и форма на пробните образци, скорост на натоварване и др.), е в процес на допълнително проучване. 3. Пилотни експерименти върху влакнестоармирани супервисокоякостни бетони (ВАСВЯБ). Основната задача на това пилотно изследване е да се установи най-общо ефектът от влакнестото армиране върху якостните показатели на СВЯБ, създадени у нас, как влияе дължината на влакната, доколко комбинацията от стоманени и полипропиленови влакна е уместна и доколко влагането на влакна затруднява обработваемостта на смесите, за да бъде изследвано по-нататък механичното поведение на ВАСВЯБ в детайли и някои аспекти на дълготрайността (съсъхване, изтриваемост и др.) с оглед оптимизиране на влакнестата армировка като тип, обемно съдържание и геометрични характеристики на влакната. 3.1. Състав на матрицата За получаването на СВЯБ е необходимо да се проектира така зърномеричният им състав, че да се реализира максимална компактност на скелета, което се постига с използването на материали с различен размер на зърната (от наночастици до няколко милиметра). Финодисперсният компонент най-често е микросилициев прах, тъй като освен ролята на пълнител той има и структурообразуваща роля - води до модифицирането на хидратационните продукти на цимента и до образуването на допълнителни количества калциеви хидросиликати. Голямото предизвикателство пред СВЯБ е тяхната обработваемост, тъй като водо-циментното отношение (В/Ц) е обикновено под 0,26. При много ниски В/Ц, поради затруднена обработваемост на смесите, в плътната матрица се вкарват макродефекти (въздушни пори и шупли), което води до по-ниски якости. Особено чувствителна е якостта на опън при огъване и отклоненията при нея са в по-широки граници (до 30 %). След проведените първоначални изследвания за определяне на подходящите местни (или достъпни на българския пазар) материали за СВЯБ, за оптимизиране на състава на матрицата и за извеждане на основни рецептурни зависимости е реализиран планиран експеримент, при който променливите величини са размерът на добавъчния материал, водо-циментното отношение и количеството на химичната добавка. Като оптимален състав на матрицата (от гледна точка якост и обработваемост на сместа) се очерта дребнозърнест бетон (с максимален размер на добавъчния материал, кварцов пясък, 0,5 mm) с високо съдържание на микросилициев прах (30% от масата на цимента), водо-циментно отношение 0,22 и поликарбоксилатен суперпластификатор в количество 4% от масата на цимента. Използваният цимент е CEM I 52,5 N с активност на 7-ия ден от 47,9 МPa, а на 28-ия ден - 54,9 МРа. Тази матрица на СВЯБ се характеризира с якост на натиск на 7-ия ден от 114 МРа, на 28-ия ден - 157 MPa, якост на опън при огъване на 7-ия ден от 8,5 МРа, на 28-ия ден - от 9 MPa и модул на еластичност на 28-ия ден от 51,5 GPa, постигнати със смеси със сравнително ниска обработваемост - около 13 cm диаметър на разстилане на стръскваща масичка съгласно БДС EN 1015-3. 3.2. Влакнеста армировка Използвани два типа влакна: стоманени микрофибри с медно покритие и полипропиленови единични нарязани влакна, всеки от които в две геометрични разновидности (диаметър и дължина). Техническите характеристики на влакната са представени в таблици 1 и 2. 3.3. Експериментална постановка Оптималният състав на неармираната матрица по т. 3.1. е наречен базов и резултатите от влакнестото армиране са сравнявани с него. Използван е отново CEM I 52,5 на същия производител, но активността на цимента е по-ниска (30 МРа на 7-ия ден и едва 44,5 МРа на 28-ия ден.) По литературни данни препоръчителният процент на армиране на СВЯБ със стоманени микрофибри е 2% обемно, а с ПП влакна - 5 kg/m3. Тези проценти на армиране са възприети в настоящото изследване, като са постигани с всеки вид влакна поотделно, както и съчетаване на къси и дълги влакна (състав 3 със стоманени, състав 6 - с ). В състави 7 и 8 са използвани комбинации на стоманени и ПП влакна с различни размери - табл. 3. Дисперсната армировка се влага след хомогенизирането на матрицата, като след това сместа се подлага на допълнителното разбъркване в продължение на 2 минути. От всеки състав са направени серия от пробни образци гредички 4/4/16 cm с оглед на определяне на основните механични показатели на бетона - якост на натиск и огъване, и кубчета 7/7/7 см, с оглед по-нататъшно определяне на изтриваемостта на ВАСВЯБ по Бьоме. Формите с пробните образци се съхраняват във влажна камера (температура 20±3 оС и отн. влажност 95±5%. Декофрирането на пробните тела се извършва след 24 часа. Отлежаването до момента на изпитване е под вода при температура 18±3 оС. Изпитването на триточково огъване е извършено съгласно БДС EN 196-1 при подпорно разстояние от 10 см и натоварване в средата на подпорното разстояние. Якостта на опън при огъване е получена като средноаритметична от изпитването на 3 броя гредички от всеки състав. Якостта на натиск е определена като средноаритметична от 3 броя пробни тела, получени от една от половинките на всяка от гредичките 4/4/16 mm след изпитването на огъване. Скоростта на натоварване е съобразена с препоръчителната за бетон и е в рамките на 0,8 MPa/s. 3.4. Резултати Първите резултати от изпитването на ВАСВЯБ са показани в табл. 4. По отношение на обработваемостта, намаляването на диаметъра на разстилане на смесите с влакна е незначително и практически не затруднява полагането им във формите и уплътняването им. Следователно, не се налага допълнително модифициране на матрицата с химични добавки и/или третиране на влакната. Влагането на влакна води до изменение на обемната плътност в сравнение с базовия състав - тя се повишава при съставите със стоманени влакна и намалява при тези с влакна, което е следствие от различната обемна плътност на влакната и на матрицата. Малките като цяло разлики между експериментално измерената и теоретичната обемна плътност на композитите с къси влакна показват, че смесите с тях са по-добре хомогенизирани. По-дългите влакна се диспергират по-лошо и това вероятно води до вкарването на повече въздушни пори, а оттам - до по-ниска плътност на композита. Резултатите от изпитването на натиск на съставите, армирани със стоманени влакна, логично показват увеличение на якостта на натиск на композитите в сравнение с базовия състав - то е около 35% при използването на къси влакна, а при тези с дълги влакна - с 27%. При еднакво обемно съдържание късите влакна, които се разпределят в единица обем на композита, са около 2,8 пъти повече, тъй като имат по-голяма специфична повърхност. Съответно по-голямата контактна площ с матрицата на компонент с висок модул на еластичност води до по-голям принос в поемането на натоварването и оттам - в разтоварването на матрицата, с което се повишава нейната пукнатино­устойчивост. Експерименталните резултати за якостта на натиск с къси стоманени влакна са по-високи от теоретично изчислените при линейно-еластичен модел. Както бе очаквано, влакна нямат принос към якостта на натиск, а по-скоро водят до намаление на коравината. Влагането само на влакна в изследваната матрица води до леко понижение на якостта на натиск (с около 6%). Комбинирането на стоманени и влакна в указаните количества позволява не само да се компенсира негативният ефект от влакна, но и да се повиши якостта на натиск с 11 до 23%, като положителният ефект е по-изразен при по-късите влакна. Най-голям е приносът на влакнестата армировка при якостта на опън при огъване - тя се повишава със 76% до 153% и достига средни стойности от порядъка на 30 МРа, като при това отклонението от средната стойност не превишава 20%. Колкото е по-високо съдържанието на дълги стоманени влакна, толкова якостта на опън при огъване е по-висока - дългите влакна благоприятстват поведението на огъване в по-голяма степен, тъй като освен премостването и възпрепятстването на развитието на микропукнатините (което е характерно и за късите влакна) вероятно работят и след образуването на макропукнатини, тъй като имат по-голяма закотвяща дължина, докато късите влакна са по-податливи на изтръгване. За да бъдат определени дуктилността и индексът на жилавост (toughness index) на ВАСВЯБ, чрез които се характеризира допълнителната носимоспособност на композита след поява на първа пукнатина при натоварване на огъване, е необходимо да се измерят относителните деформации (в опънна зона, а по възможност и по височина на сечението) и провисването на гредата при натоварване на огъване. Влагането единствено на влакна не променя якостта на опън при огъване и тя е съизмерима с тази на базовия състав. Известно е, че голям процент на армиране с влакна с мрежеста конфигурация води до повишаване на дуктилността на цимент-съдържащите композити. Ефектът съществува и при единичните влакна, но от по-малък порядък и това вероятно е причината за наблюдавания синергичен ефект от комбинирането на къси и дълги стоманени и 11 влакна - при тях отношението на якостите на огъване към якостта на натиск е най-високо от всички изпитани състави, което е индикация и за най-голяма деформативност. Това предположение се нуждае от допълнително изследване. 4. Изводи и насоки за бъдещи изследвания Първите резултати върху ВАСВЯБ показват, че армирането с влакна на СВЯБ позволява постигането на якост на опън при огъване над 30 МРа дори на 7-ия ден, което доказва, че ВАСВЯБ могат да бъдат използвани за конструктивни цели дори без класическата армировка със стоманени пръти, но то трябва да бъде съобразено с особеностите на матрицата и тънкостенността на сеченията. Подходящи за уякчаване са стоманени микровлакна с антикорозионно покритие, с отношение дължина/диаметър от 35 (за късите влакна) до 65 (за дългите влакна). При еднакъв процент на армиране по-късите влакна имат по-добър ефект при натоварване на натиск поради по-голямата контактна площ с матрицата, но по-дългите влакна допринасят повече за увеличаване на якостта на опън при огъване - до 1,5 пъти на възраст 7 дни. Предстои да бъде определен ефектът от влакнестото армиране и в по-късна възраст на СВЯБ, както и дълготрайността на стоманените влакна в тънкостенните сечения. Тъй като СВЯБ се подлагат на различни топло-влажностни обработки, е необходимо да се изследва влиянието им върху механичните характеристики на ВАСВЯБ както на макроструктурно, така и на микроструктурно равнище. Особен интерес представлява контактната зона между влакната и матрицата на СВЯБ. За да бъде моделирано поведението на ВАСВЯБ, е необходимо да бъде изследвано тяхното деформационно поведение посредством определяне на относителните надлъжни и напречни деформации при натоварване на натиск, провисването и деформациите по височина на напречното сечение при изпитване на огъване, както и да се измери модулът на еластичност при различен процент на армиране. Чрез определянето на якостта на опън чрез разцепване биха могли да се валидират (или не) някои зависимости, установени за конвенционалните бетони. Необходимо е да се продължат изследванията върху ролята на влакна - както по отношение на жилавостта, така и за ограничаване пукнатинообразуването от съсъхване и главно, както и върху поведението на ВАСЯБ при пожар. Предвидено е да се изследва поведението на ВАСВЯБ и при краткотрайни динамични, както и при абразивни въздействия. За оптимизирането на състава на ВАСВЯБ трябва да бъдат изследвани комбинации от различни видове и размери влакна в различно обемно съдържание и с различни видове съотношения. * Изследванията, представени в настоящия доклад, са финансирани от Фонд „Научни изследвания” на МОМН, Договор № ДДВУ 02/86 от дата 20.12.2010 г.