Ученые из ДГТУ разработали композит с варьируемыми свойствами на основе бетона

Ученые опорного вуза нашли оригинальное решение проблемы растрескивания и преждевременного разрушения бетонных конструкций под воздействием природных факторов. Разработанный научно-исследовательской группой ДГТУ в составе члена-корр. РААСН Левона Маиляна, д. т. н., проф. Алексея Бескопыльного, к. т. н., доц. Сергея Стельмаха и Евгения Щербаня композиционный материал состоит из цементной матрицы с равномерным распределением по всему объему дискретных волокон различного размера и состава. Фиброволокна создают определенное сопротивление, меняют характер напряженного состояния бетона, не вступая при этом в химическую реакцию с материалом.

– В настоящее время в строительной сфере особо актуальна проблема изменения состава и управления свойствами бетона, создания бетона с более качественными характеристиками, – рассказал Алексей Бескопыльный. – Это связано с тем, что при всех преимуществах используемые бетон и железобетон имеют ряд недостатков. Наиболее серьезным недостатком при достаточно большой массе считается низкая трещиностойкость, которая является причиной разрушения конструкций. Разрушение бетона в железобетонных конструкциях является наиболее опасным, поскольку оно может привести к внезапному и прогрессирующему разрушению всего здания или сооружения. Исследование путей устранения этого и других недостатков и явилось основной целью работы коллектива ДГТУ.

По словам разработчиков, в мире проведена масса исследований, в ходе которых в бетон вводился какой-нибудь армирующий компонент: базальт, полипропилен и т. д. Ученые из ДГТУ выдвинули гипотезу и в своем эксперименте решили совместить в бетоне волокна разных видов: стальные, полипропиленовые, базальтовые.

Добавление в бетон одной лишь стальной стружки не приводит к эффективному решению задачи. Кроме того, у стального волокна есть один существенный недостаток: оно заметно утяжеляет бетон. Волокно, использованное разработчиками нового композита, представляет собой небольшую стальную скобу, изогнутые края которой сопротивляются растяжению и препятствуют локальному разрушению бетона.

Полипропилен имеет более тонкую легкую структуру, способен заполнять пустоты, тем самым улучшая свойства бетона без утяжеления.

Базальтовое волокно на сегодняшний день наиболее экологичный материал, произведенный из натурального природного камня.

– Мы выявили, что методологически верным будет введение волокон в цементную матрицу перед добавлением крупного заполнителя, например, щебня, – пояснил к. т. н., доцент кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты» ДГТУ Сергей Стельмах. – Это позволяет волокнам равномерно распределиться по всему объему цементного камня. Если нарушить порядок введения волокон и добавить их уже к смеси цемента и щебня, волокна могут разрушиться и ожидаемый эффект не будет достигнут.

Авторы инновационной разработки установили: при производстве бетона важно придерживаться определенных пропорций дополнительных компонентов как по отношению к друг другу, так и по отношению к самому бетону. Важен и размер самих волокон. Небольшой размер фиброволокон повышает прочность материала, а при достаточно большом количестве и правильном распределении эти волокна смогут сдерживать разрушающие деформации, возникающие в бетоне.

Исследования показали, что увеличение прочности на сжатие и прочности при изгибе в фибробетоне, изготовленном с использованием различных волокон, может составить до 80% относительно стандартного бетона.

Стандартно бетон – смесь цемента с щебнем. Но исследователи предложили заменить щебень на керамзит, обладающий высокой пористостью, что делает бетон легче и повышает его теплоизоляционные свойства.

Исследования в области комбинированного армирования, проведенные в лаборатории ДГТУ, позволили определить оптимальный состав и свойства бетона различного назначения. В зависимости от того, какую конструкцию будут возводить из бетона, материалу можно придавать различные свойства: по отношению к одним объектам в приоритете может быть прочность, к другим – деформативность, к третьим – удобоукладываемость смеси. По словам к. т. н., доцента кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты» ДГТУ Евгения Щербаня, далеко не всегда прочность выступает главным качеством конструкции. Иногда деформативность может обеспечить большую надежность конструкции, так как высокопрочные материалы хрупки и практически лишены пластичности. А неудобоукладываемый бетон может привести к недоуплотнению, нарушению структуры и вовсе к разрушению всей конструкции.

Увеличение прочности на сжатие в фибробетоне, изготовленном с использованием комбинации сталь-базальтовое волокно с объемной концентрацией стального волокна 2% и базальтового волокна 2%, составило 35% по сравнению со стандартным бетоном. Предел прочности при изгибе увеличился на 79%, предельные деформации при осевом сжатии снизились на 52%, предельные деформации при осевом растяжении снизились на 39%, а модуль упругости увеличился на 33%.

Увеличение прочности на сжатие в фибробетоне, изготовленном с использованием комбинации сталь-полипропиленовое волокно с объемной концентрацией стального волокна 2,5% и полипропиленового волокна 1,5%, составило 34%. Предел прочности при изгибе увеличился на 78%, предельные деформации при осевом сжатии снизились на 54%, предельные деформации при осевом растяжении снизились на 41%, а модуль упругости увеличился на 31%.

Увеличение прочности на сжатие в фибробетоне, изготовленном с использованием комбинации полипропилен-базальтовое волокно с объемной концентрацией полипропиленового волокна 1,5% и базальтового волокна 2,5%, составило 33%, предел прочности при изгибе увеличился на 77%, предельные деформации при осевом сжатии снизились на 56%, предельные деформации при осевом растяжении снизились на 42%, а модуль упругости увеличился на 30%.

По материалам научной статьи под названием Improving the structural characteristics of heavy concrete by combined disperse reinforcement, опубликованной швейцарским издательством MDPI в журнале Applied Sciences (Switzerland), том 11, выпуск 13, от 1 июля 2021 г. Текст написан при поддержке авторов – ученых из ДГТУ. С полным текстом научной публикации можно ознакомиться по ссылке .