Технология и свойства фибробетона с наномодифицированной матрицей

ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА  

ФИБРОБЕТОНА  

С НАНОМОДИФИЦИРОВАННОЙ 

МАТРИЦЕЙ

С.Н. ЛЕОНОВИЧ
Е.А. САДОВСКАЯ

Москва
ИНФРА-М

2024

МОНОГРАФИЯ

УДК 69(075.4)
ББК 38.3
 
Л47

Леонович С.Н.

Л47  
Технология и свойства фибробетона с наномодифицированной 

матрицей : монография / С.Н. Леонович, Е.А. Садовская. — Москва : 
ИНФРА-М, 2024. — 194 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/2085120.

ISBN 978-5-16-019071-6 (print)
ISBN 978-5-16-111856-6 (online)
В монографии обоснована концепция многоуровневого армирования 

конструкционного тяжелого бетона, включающая уровень нано-, микроармирования цементного камня трубчатыми углеродными наноматериалами 
и макроармирование структуры бетона стальной фиброй. 

Разработаны составы фибробетона с определением оптимального со
держания стальной фибры и углеродного наноматериала при моноармировании, исследованы свойства фибробетона многоуровневого армирования 
при сочетании нано-, микроармирования трубчатыми УНМ и макроармирования стальной фиброй. 

Разработана методика многопараметрической оценки свойств фибро
бетона многоуровневого полидисперсного армирования с целью определения прочности, трещиностойкости и деформативности в лабораторных 
и построечных условиях. 

Предложен комплекс технологических мероприятий ведения бетонных 

работ с приготовлением и применением фибробетона многоуровневого 
полидисперсного армирования при устройстве монолитных строительных 
конструкций. 

Разработана комплексная методика оценки качества фибробетона 

в строительных конструкциях.

Предназначена для научных и инженерно-технических работников ву
зов, научно-исследовательских и проектных организаций.

УДК 69(075.4)

ББК 38.3

ISBN 978-5-16-019071-6 (print)
ISBN 978-5-16-111856-6 (online)

© Леонович С.Н.,  

Садовская Е.А., 2024

Данная книга доступна в цветном  исполнении  
в электронно-библиотечной системе Znanium

Р е ц е н з е н т ы:

Данилов С.В., кандидат технических наук, доцент, заведующий ка
федрой Белорусско-Российского университета;

Гречухин В.А., кандидат технических наук, доцент, заведующий ка
федрой Белорусского национального технического университета

Введение

Бетон относится к одним из самых сложных искусственных ма
териалов. Широкое его использование как конструкционного материала обусловлено его низкой стоимостью и незначительной энергоемкостью, доступной сырьевой базой, а также возможностью применения в различных эксплуатационных условиях, которые, в свою 
очередь, определяют требования к свойствам композита: устойчивость к высоким или низким температурам, химическая стойкость, 
защита от радиации, водонепроницаемость, теплоизоляция, трещиностойкость и др. Приобретение бетоном специальных свойств осуществляется путем модернизации структуры бетонной матрицы: 
количественное изменение составляющих, введение новых компонентов, особенные технологические приемы изготовления и др.

Существует ряд конструкций, испытывающих регулярные и вы
сокие динамические воздействия: полы промышленных зданий, 
дорожные покрытия, покрытия аэродромов, конструкции энергетического строительства, конструкции мостовых сооружений, 
тонкостенные оболочки и др. К материалам этих конструкций 
предъявляются требования не только по необходимой статической прочности, но и по трещиностойкости (вязкости разрушения). Многочисленные дефекты — трещины, сколы, шелушение 
и т.п. — не только ухудшают эстетическое восприятие покрытий, 
но и служат очагами их дальнейшего разрушения за счет циклических атмосферных воздействий, особенно при активном действии 
химических реагентов. Активное развитие микротрещинообразования влечет развитие магистральных трещин, которые оголяют 
рабочую арматуру и нарушают целостность конструкции.

Создание композиционных бетонных материалов с требуемыми 

параметрами трещиностойкости (вязкости разрушения) позволит 
повысить долговечность железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в условиях интенсивных ударных воздействий.

Глава 1 

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 
(СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА)

1.1. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ

Одним из основных недостатков бетона, как наиболее часто 

используемого строительного материала во всем мире, является 
хрупкость разрушения и невысокие показатели трещиностойкости. 
Исследование механизмов разрушения необходимо для понимания 
процессов разрушения, что дает возможность выявить параметры 
структуры материалов, определяющие его трещиностойкость 
[66, 154, 116].

Трещиностойкость (вязкость разрушения) бетона: способность 

бетона сопротивляться началу движения и развитию трещин при 
механических и других воздействиях [56]. Условно трещины можно 
разделить на производственные и эксплуатационные [118]. К возможным причинам появления производственных трещин относятся: 
недостатки армирования, мелкозернистая бетонная смесь (цемента 
более 600–700 кг/м3) с большой ползучестью, расслаивание и зависание бетонной смеси при вибрировании, температурные деформации форм, резкий режим прогрева, раннее распалубливание, 
неравномерное преднапряжение арматуры. неравномерная осадка 
укладываемого в формы бетона, транспортные, складские и монтажные перегрузки и т.д. К причинам возникновения эксплуатационных трещин относят такие причины, как усадка во времени, недостатки армирования, сезонные колебания температур, расклинивающее действие замерзшей воды, действие высоких технологических 
температур, деформация опор и лежащих ниже конструкций, низкая 
прочность материала, недостаточная пространственная жесткость, 
повышение эксплуатационной нагрузки, действие динамических 
нагрузок, нарушение анкеровки арматуры, защемления, увеличение 
в объеме продуктов коррозии и др.

Трещиностойкость является важным фактором при оценке 

и регулировании характеристик бетона, поскольку помогает поддерживать структурную целостность бетона и предотвращает его 
разрушение [17, 23]. Цементные материалы, в том числе материалы 
на основе цемента и бетон со сверхвысокими характеристиками, 
имеют низкую прочность на растяжение и низкую деформационную способность, что делает их более чувствительными к растрескиванию [31, 39]. Повышение трещиностойкости вяжущих мате

риалов находится в центре внимания исследовательских программ 
[31]. Исследователи изучили различные стратегии, в том числе 
оптимизацию пропорций бетона, надлежащее отверждение влагой 
и добавление полимерных волокон, минеральных добавок и вспенивателей MgO для повышения трещиностойкости [34]. Введение 
каучуковых заполнителей в цементные материалы также может замедлить усадочное растрескивание и привести к более тонким раскрытиям трещин, что менее вредно [31]. Кроме того, добавление 
модификаторов, таких как графен, наносиликат и полимеры, может 
улучшить материальные свойства простых вяжущих материалов 
и повысить их трещиностойкость [41]. Стальные волокна, расширители и низкое содержание цемента могут эффективно повысить 
трещиностойкость [39]. Согласно китайским стандартам, MgO 
с более коротким временем нейтрализации имеет более высокую 
реакционную способность, а его гидратация вызывает определенное 
объемное расширение во время процессов схватывания и твердения 
бетона, что может компенсировать усадку бетона, включая температурную усадку, усадку при высыхании и автогенную усадку, 
уменьшая образование трещины [34]. Полимерно-модифицированный цементный раствор (ПМЦР) обладает повышенной прочностью и адгезионными свойствами, более высокой стойкостью 
к проникновению влаги и химической коррозии, отличной водонепроницаемостью, непроницаемостью, водоудержанием, высокой 
гибкостью и устойчивостью к кислотной коррозии. ПМЦР имеет 
плотную структуру, что повышает долговечность цементных растворов и позволяет эффективно повышать их трещиностойкость 
[41]. Высокая плотность и низкая пористость препятствуют диффузии внутренней влаги наружу, вызывая малую усадку всухую, 
а усадка является важнейшим фактором трещиностойкости, особенно автогенной усадки [39]. В целом повышение трещиностойкости необходимо для сокращения выбросов цемента и повышения 
прочности и долговечности бетонных конструкций [23, 41]. Проведены исследования влияния включения цеолита на трещиностойкость образцов высокопрочного бетона [47]. Трещины в образцах 
с цеолитом появились гораздо позже, чем в контрольном образце.

Некоторые добавки, которые могут снизить трещинообразо
вание в бетонах под нагрузкой, включают в себя микрофибры, гидрофобные добавки, силикатные добавки и адгезионные добавки. 
Микрофибры используются для того, чтобы создать в структуре 
бетона небольшие зазоры, которые снижают риск образования 
больших трещин. Гидрофобные добавки предотвращают проникновение воды и других жидкостей в структуру бетона. Силикатные 
добавки улучшают свойства бетона, делая его более прочным 
и устойчивым к трещинам. Адгезионные добавки могут повысить 

прочность связи между бетоном и арматурой, что может уменьшить 
трещинообразование под нагрузкой [44]. 

Предпринимаются различные подходы модифицирования бе
тонной матрицы с целью повышения ее трещиностойкости. В исследованиях [1, 3, 11, 57, 147] изучаются свойства бетонных смесей 
с маложесткими пористыми компонентами: пенополистирол, керамзитовый песок и пеностекло [77]; золошлаковые смеси (зольные 
микросферы) [83]. По существующей теории эффект замедления 
развития трещин с демпфирующими добавками объясняется поглощением растущей трещины маложестким включением, которое 
не способно отдавать полученную энергию, затраченную на его деформирование [6, 38, 43, 48, 50]. Однако демпфирующие добавки 
обладают сильно отличающимися от цементного камня упругими 
свойствами, и с повышением их количества уменьшается прочность 
при сжатии, повышается неоднородность бетонной смеси и создаются дефекты бетонной матрицы [77]. 

Один из технологических путей повышения трещиностойкости 

бетонов заключается в увеличении статической прочности бетона 
за счет использования высокомарочных цементов, фракционированных заполнителей, суперпластификаторов, понижения водоцементного отношения [152], магнитоактивированной воды затворения [80, 108, 163]. Чаще всего избыточный запас прочности по затратам труда и материалов экономически не обоснован.

Затруднено использование сварной проволочной сетки для 

сдерживания трещинообразования, так как сетка не предотвращает 
и не сводит к минимуму растрескивание — она просто удерживает 
вместе уже образовавшиеся трещины. Зачастую сетка оказывается 
на земле из-за того, что на нее наступают во время укладки бетона 
(особенно если не используются опорные блоки).

Одним из перспективных способов повышения трещиностой
кости является введение различных дисперсных волокон. Полипропиленовая фибра (ПФ) обладает хорошей пластичностью, дисперсностью и высокой химической стабильностью, что в некоторой 
степени улучшает прочность бетона на растяжение и изгиб [12]. Базальтовое волокно (БВ) — еще один тип волокна, который является 
экономичным, экологически чистым, обладает высокой прочностью 
на растяжение, хорошей температурной и химической стабильностью. Гибридизация БВ и ПФ может улучшить ударопрочность 
бетона за счет использования действия БВ и ПФ в различных механических масштабах [12]. Гибридный строительный раствор или 
бетон, армированный волокном, смешанный с двумя или более типами волокон, может иметь превосходные комплексные свойства, 
такие как прочность, ударная вязкость и долговечность, благодаря 
многократному усиливающему действию волокон [35]. Введение 

в раствор или бетон измельченных и равномерно распределенных 
волокон не только обладает превосходными характеристиками самого раствора и бетона, но и ограничивает развитие в них трещин 
[9, 82]. Кроме того, стальные волокна могут повысить прочность 
бетона на изгиб и предотвратить хрупкое разрушение [9]. Армирование ПФ больше подходит для бетонов с более высоким водоцементным отношением и повышает трещиностойкость бетона [12]. 
Минеральные добавки, такие как летучая зола и микрокремнезем, 
могут значительно продлить эффект старения базальтового волокна 
на повышение прочности цементного раствора на изгиб [35]. Использование базальто-полипропиленового волокна с минеральной 
добавкой позволяет повысить трещиностойкость бетона [12]. 
Таким образом, армирование волокном является перспективной 
стратегией повышения трещиностойкости бетонных конструкций.

1.2. ФИБРОБЕТОН. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Одним из перспективных способов повышения трещиностой
кости является введение различных дисперсных волокон. Дисперсные волокна, равномерно распределяясь по всему объему материала, создают пространственный каркас и способствуют торможению развивающихся трещин под действием разрушающих 
усилий [86, 130]. 

Целесообразность применения стальной фибры заключается 

в следующем:

 
– бетон, армированный фиброй, по свойствам аналогичен бе
тону с удвоенным количеством арматуры, но армирование 
фиброй получается дешевле, чем укладка двойной арматуры;

 
– применение фибрового армирования дает возможность уси
лить углы конструкций и регулировать толщину элемента;

 
– фибра может применяться в нестандартных конструкциях, 

где проблематично использовать арматуру.

Фибробетон как композиционный материал действует за счет 

совместной работы армирующих волокон и бетона. Наиболее эффективная совместная работа достигается только при высоком 
уровне сцепления всех материалов. Прочность сцепления фибры 
с матрицей композита определяет характер разрушение материала 
и является основной возможностью повышения его прочности 
[10, 21]. Сцепление фибры с матрицей композита является результатом комбинированного проявления адгезии, трения и механического зацепления в зоне их контакта с цементным камнем. Каждый 
из этих факторов может по-разному влиять на анкеровку волокон 
в матрице, что во многом зависит от состава, структуры и свойств 

цементного камня и бетонной матрицы, а также от материала волокна, его формы и размеров [24, 78, 155].

Научные исследования с дисперсно-армированными бетонами 

и конструкциями на их основе в Советском Союзе выполнялись 
научными подразделениями НИИЖБ, ВННИИЖелезобетона, 
ЦНИИС, МГСУ, РИСИ, БПИ, БелНИИС и др., и в настоящее 
время продолжаются научными школами профессора, члена-корреспондента РААСН Ю.В. Пухаренко (Санкт-Петербургский ГАСУ), 
профессора, члена-корреспондента В.С. Лесовика (Белгородский 
ГТУ), академика РААСН Е.М. Чернышова (Воронежский ГАСУ) 
и др.

Прогнозирование и расчет прочностных параметров дисперсно 

армированных цементных композитов основывается на параметрах 
бетона-матрицы (прочностные показатели, крупность заполнителя, 
пористость, модуль упругости и др) и фибры (геометрические параметры, модуль упругости, количество, прочность на разрыв и др.).

Позитивный эффект от воздействия армирования фиброво
локном на микроструктуру бетона и, как следствие, на его физикомеханические свойства связан со следующими факторами [145]:

 
– на этапе структурообразования — перераспределением на
пряжений при пластической усадке от наиболее опасных зон 
на весь объем бетонного композита;

 
– в ходе нагружения — снижением скорости трещинообразо
вания и уменьшением концентрации напряжений вокруг макроскопических дефектов, уравновешиванием напряжений 
в структуре бетонного композита и их перераспределением 
между структурными компонентами дисперсно-армированного бетона.

На эффективность применения фиброволокна в бетонном ком
позите при воздействии нагрузки влияют следующие параметры 
дисперсно-распределенного армирования: прочность сцепления 
фиброволокна с бетонным композитом, длина фиброволокна l 
(или отношение длины к диаметру фибры l / d), а также концентрация фиброволокна в объеме композита. Считается, что максимальное упрочнение достигается при отношении l / d в пределах 
от 60 до 100. В случае повышения значения данного отношения 
(т.е. при увеличении длины фиброволокна) эффект армирующего 
упрочнения снижается из-за комкования фибры и снижения структурной гомогенности. Оптимизация микроструктуры бетонного 
композита реализуется, начиная с определенного уровня, способного обусловить формирование первоначальной объемно-пространственной связности фибробетонной структуры; после достижения 
этой «непрерывности» фиброармирования ощущается его положительное влияние на характеристики мелкозернисто-бетонной ма

трицы. С повышением объемной концентрации дисперсной фибры 
физико-механические характеристики фибробетона возрастают 
до определенного уровня армирования, после достижения которого 
имеет место снижение данных характеристик.

Свойства бетона в зависимости от характера нагружения на
прямую связаны с его структурой, они будут варьироваться в зависимости от ряда условий:

— характеристик исходного сырья;
— в части, касающейся структуры, в основном от концентрации 

и местоположения всех компонентов, а также от количественных 
и качественных характеристик дефектной структуры, от параметров переходной зоны между цементно-композиционной матрицей и частицами заполнителя;

— многое зависит от подвижности смеси.
Лучшими характеристиками трещиностойкости обладают бе
тонные композиты с малой дефектностью, плотные и гомогенные, 
с высокой степенью адгезии между цементной матрицей и заполнителями, а также высоким отношением между статическими прочностями на растяжение и на сжатие ft / fc и пластичностью. Данное 
отношение повышается в случае использования фибробетонов [153].

Главные достоинства фибробетона заключаются в повышенной 

сопротивляемости растяжению и высокой вязкости разрушения, 
поскольку фибра оказывает эффективное сопротивление раскрытию трещин не только вследствие сцепления (сопротивления 
в осевом для фибры направлении), но и благодаря сопротивлению 
в поперечном направлении [49, 52, 67]. 

Повышение прочности сцепления фибры с бетонной матрицей 

способствует улучшению физико-механических свойств композита 
с оптимальным количеством составляющих смеси. Увеличение 
сцепления волокон с матрицей может достигаться за счет адгезии 
(межмолекулярное взаимодействие в поверхностном слое между 
волокном и матрицей композита) и механического сцепления (геометрия волокон) [112]. 

Обеспечение вязкости разрушения (увеличение энергии, необ
ходимой для процессов разрыва) является основным назначением 
дисперсных волокон в цементных композитах. Фибра препятствует 
стремительному трещинообразованию, выступая ингибитором развития магистральных трещин, так как способствует увеличению 
степени извилистости трещины. Рассеяние энергии в дисперсно-армированных бетонах происходит за счет выдергивания фибр из матрицы и нарушения связи между фибрами. Работа выдергивания 
определяется как работа, совершаемая против трения скольжения 
при перемещении фибр из расщепленной матрицы, а нарушение 
связи — как работа, совершаемая при разрушении связи между фи

брой и матрицей. Такие факторы, как разрыв фибры, искривление 
фибры при вырывании, градиенты деформации в зоне контакта 
волокна и матрицы, растрескивание матрицы, способствуют увеличению поверхностной энергии трещины. Однако наиболее значимым процессом оказывается выдергивание фибр [94]. 

Согласно [148] выдергивание или скольжение фибры в кон
тактной зоне не произойдет, если фибра будет короче некоторой 
критической длины:

 
,
f
fk
c
f an

ck

d
f

l
l
f

η⋅
⋅
=
=
, 
 (1)

где η — коэффициент, учитывающий сцепление фибр с бетоном 
матрицей по контактной поверхности (0,9 — анкерная; 0,85 — волновая; 1,0 — прямая);

df — диаметр фибры, мм;
ffk — характеристическая прочность фибр на растяжение, МПа;
fck — характеристическая прочность бетона-матрицы на сжатие, 

МПа.

Риc. 1. Распределение напряжения для волокна в композите, испытывающее 

растягивающее усилие [94]: 1 — сдвигающие напряжения в матрице;  

2 — растягивающее напряжение в волокне