НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ВЫСОКОПРОЧНОГО ФИБРОБЕТОНА ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ДИСПЕРСНОМ АРМИРОВАНИИ

Results of National Scientific Research International Journal 2025 Volume 4| Issue 8 SJIF5.8, Researchbib 10.7 ISSN: 2181-3639 https://academicresearch.ru/index.php/inrnsr/index 37 Аннотатция: В работе представлены результаты экспериментальных исследований по разработке и оценке свойств высокопрочного фибробетона с комбинированным дисперсным армированием. Целью исследования являлось установление научно-технических основ формирования прочностных и эксплуатационных характеристик бетона при введении в цементную матрицу различных видов волокон: базальтового, полипропиленового, металлического и стеклянного. Использование многокомпонентного армирования обеспечило выраженный синергетический эффект, заключающийся в одновременном повышении прочности на сжатие до 90 МПа и прочности при изгибе до 10.5 МПа, увеличении модуля упругости до 41 ГПа, а также росте ударной вязкости и трещиностойкости по сравнению с контрольными составами. Наряду с улучшением механических свойств зафиксировано повышение эксплуатационных характеристик: морозостойкость возросла от F200 до F500, водонепроницаемость — от W6 до W14, водопоглощение снизилось до 3.8%, а усадочные деформации сократились на 33%. Микроструктурный анализ показал более равномерное распределение пор и улучшенное сцепление волокон с цементным камнем, что подтверждает долговечность многокомпонентного фибробетона. Совокупность полученных результатов свидетельствует о том, что комбинированное дисперсное армирование является эффективным методом повышения прочности, трещиностойкости и долговечности высокопрочного бетона, открывая перспективы его широкого применения в строительстве НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ВЫСОКОПРОЧНОГО ФИБРОБЕТОНА ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ДИСПЕРСНОМ АРМИРОВАНИИ д.ф.т.н.Обиджонов Жахонгир Тохир ўғли Ташкентский архитектурно-строительный университет (тел.99-794-45-09, e-mail.: [email protected]) Results of National Scientific Research International Journal 2025 Volume 4| Issue 8 SJIF5.8, Researchbib 10.7 ISSN: 2181-3639 https://academicresearch.ru/index.php/inrnsr/index 38 сооружений повышенной ответственности, эксплуатируемых в условиях динамических и сейсмических нагрузок, а также при воздействии агрессивных сред. Ключевые слова: высокопрочный бетон, фибробетон, дисперсное армирование, комбинированные волокна, базальтовое волокно, полипропиленовое волокно, стальная фибра, стеклянное волокно, трещиностойкость, прочность на растяжение при изгибе, морозостойкость, водонепроницаемость, динамические нагрузки, долговечность, полидисперсное армирование, механические свойства, оптимизация состава, строительные материалы, сейсмостойкость, ресурс конструкции. Abstract. This paper presents the results of experimental research aimed at the development and evaluation of high-strength fiber-reinforced concrete (FRC) with combined dispersed reinforcement. The primary objective was to establish the scientific and technical foundations for shaping the strength and durability characteristics of concrete when various types of fibers—basalt, polypropylene, steel, and glass—are incorporated into the cementitious matrix. The use of multicomponent reinforcement provided a pronounced synergistic effect, manifested in the simultaneous increase of compressive strength up to 90 MPa and flexural tensile strength up to 10.5 MPa, an increase in elastic modulus to 41 GPa, as well as an improvement in impact toughness and crack resistance compared to control specimens. In addition to the enhancement of mechanical properties, significant improvements in service performance were observed: frost resistance increased from F200 to F500, water impermeability rose from W6 to W14, water absorption decreased to 3.8%, and shrinkage deformations were reduced by 33%. Microstructural analysis revealed a more uniform pore distribution and improved interfacial bonding between fibers and cement paste, thereby confirming the longterm durability of multicomponent fiber-reinforced concrete. The overall findings Results of National Scientific Research International Journal 2025 Volume 4| Issue 8 SJIF5.8, Researchbib 10.7 ISSN: 2181-3639 https://academicresearch.ru/index.php/inrnsr/index 39 demonstrate that combined dispersed reinforcement is an effective approach for improving strength, crack resistance, and durability of high-strength concrete, thus opening up prospects for its broad application in the construction of critical infrastructure exposed to dynamic and seismic loads as well as aggressive environmental conditions. Keywords: high-strength concrete, fiber-reinforced concrete, dispersed reinforcement, combined fibers, basalt fiber, polypropylene fiber, steel fiber, glass fiber, crack resistance, flexural tensile strength, frost resistance, water impermeability, dynamic loads, durability, polydisperse reinforcement, mechanical properties, mix optimization, construction materials, seismic resistance, structural service life. Введение Современное строительство предъявляет всё более жёсткие требования к эксплуатационным характеристикам строительных материалов, особенно в условиях возведения зданий и сооружений повышенной ответственности, работы в агрессивных средах и сейсмоопасных районах. Традиционный высокопрочный бетон (ВБ), обладающий прочностью на сжатие выше 60 МПа, характеризуется высокой хрупкостью и низкой трещиностойкостью, что существенно ограничивает его применение без дополнительных мер по модификации структуры [2]. Одним из наиболее перспективных направлений является дисперсное армирование бетона короткими волокнами. Включение в цементно-песчаную матрицу дискретных армирующих элементов изменяет механизм разрушения: инициирование и развитие трещин замедляется, снижается концентрация напряжений в зонах дефектов, улучшается сопротивление ударным и циклическим нагрузкам [1]. В отличие от традиционного армирования стержневой арматурой, волокнистое дисперсное армирование обеспечивает упрочнение по всему объему материала, создавая трёхмерную систему Results of National Scientific Research International Journal 2025 Volume 4| Issue 8 SJIF5.8, Researchbib 10.7 ISSN: 2181-3639 https://academicresearch.ru/index.php/inrnsr/index 40 перераспределения напряжений. В последние годы особое внимание уделяется применению комбинированного армирования с использованием волокон различной природы, что позволяет реализовать синергетический эффект. Базальтовые волокна обладают высокой прочностью на растяжение (до 4.8 ГПа), модулем упругости до 90 ГПа, огнеи химической стойкостью [6]. Полипропиленовые волокна, благодаря химической инертности и гидрофобности, эффективно противостоят пластической усадке, повышают морозостойкость и водонепроницаемость бетона [8]. Металлическая фибра обеспечивает значительное увеличение трещиностойкости и ударной вязкости, повышает усталостную прочность конструкций [4]. Стеклянные волокна, обладая высоким удельным сопротивлением растяжению и коррозионной стойкостью, способствуют повышению прочности бетона при изгибе и растяжении, а также снижают микропластическую усадку [5]. Исследования [9], а также [10] показали, что совместное применение стальной и синтетической фибры в составе бетона обеспечивает улучшение как прочностных, так и деформационных характеристик. Комбинация базальтовых и металлических волокон повышает прочность и жёсткость, в то время как добавление полипропиленовой и стеклянной фибры обеспечивает повышение пластичности, морозостойкости и стойкости к агрессивным воздействиям. Таким образом, комбинированное дисперсное армирование позволяет оптимизировать структуру бетона и обеспечить баланс прочности и долговечности. Научно-технические основы формирования свойств высокопрочного фибробетона при комбинированном армировании заключаются в выборе рационального состава и оптимального сочетания волокон различной природы, обеспечивающих комплексное повышение механических и эксплуатационных характеристик. Данный подход открывает перспективы Results of National Scientific Research International Journal 2025 Volume 4| Issue 8 SJIF5.8, Researchbib 10.7 ISSN: 2181-3639 https://academicresearch.ru/index.php/inrnsr/index 41 для разработки новых поколений строительных материалов, способных удовлетворять современным требованиям к прочности, трещиностойкости, сейсмостойкости и долговечности конструкций. Материалы и методы Для исследования свойств высокопрочного фибробетона с комбинированным дисперсным армированием использовались материалы, соответствующие современным нормативным требованиям и международным практикам. В качестве основного вяжущего был применён портландцемент марки CEM I 42.5 N (ГОСТ 31108-2020), обладающий нормированной плотностью 3.10–3.15 г/см³ и началом схватывания не ранее 140 мин. Его высокая однородность и активность гидратации обеспечивали требуемую динамику набора прочности. Дополнительно вводились минеральные микрофиллеры с удельной поверхностью 5000–7000 см²/г, что позволяло оптимизировать зерновой состав матрицы и снизить расход цемента на 12– 15% без потери подвижности и прочностных характеристик смеси [11]. Заполнители подбирались в соответствии с требованиями ГОСТ 87362014 и ГОСТ 8267-93. В качестве мелкого заполнителя использовался кварцевый песок с модулем крупности 2.3 и содержанием пылевидных и глинистых частиц не более 1,5%. В качестве крупного заполнителя применялся щебень из плотных горных пород (диабаз, гранит) фракцией 5–20 мм с кубовидной формой зерна и маркой прочности не ниже 1000. Гранулометрический состав песка и щебня обеспечивал оптимальное уплотнение скелета бетона, что способствовало снижению пустотности и повышению водонепроницаемости. Особое внимание уделялось волокнам, применяемым для комбинированного армирования. Использовались четыре вида дискретной фибры: базальтовые волокна длиной 12 и 18 мм с плотностью 2.6–2.7 г/см³ и прочностью на растяжение до 3000 МПа [12]; полипропиленовые волокна Results of National Scientific Research International Journal 2025 Volume 4| Issue 8 SJIF5.8, Researchbib 10.7 ISSN: 2181-3639 https://academicresearch.ru/index.php/inrnsr/index 42 длиной 6–12 мм с плотностью 0.90 г/см³ и прочностью на разрыв до 700 МПа, отличающиеся гидрофобностью и химической стойкостью [14]; металлическая фибра якорного типа длиной 30–50 мм с отношением l/d = 50– 60 и пределом прочности свыше 1000 МПа [15]; алкали-стойкие стеклянные волокна длиной 12 мм с модулем упругости 70 ГПа и прочностью около 2000 МПа [16]. Суммарное содержание волокон варьировалось в пределах 0.25– 2.0% от массы цемента, что позволило оценить влияние как минимальных, так и повышенных дозировок. В ряде серий исследовались двухи трёхкомпонентные комбинации (например, базальтовое + полипропиленовое волокно; базальтовое + металлическое + стеклянное волокно), что обеспечивало возможность выявления синергетического эффекта. Для регулирования реологических свойств применялся суперпластификатор на основе поликарбоксилатных эфиров (PCE), обладающий водоредуцирующим эффектом до 25%. Его дозировка варьировалась в пределах 0.8–1.2% от массы цемента в зависимости от вводимой доли фибры и требуемой подвижности смеси. Процесс приготовления смесей осуществлялся в лабораторном планетарном смесителе. Сначала в сухом состоянии перемешивались цемент, песок и щебень, затем постепенно вводились волокна, что исключало их агломерацию и обеспечивало равномерное распределение по объему матрицы. После этого добавлялись вода и раствор суперпластификатора. Методика приготовления соответствовала рекомендациям ACI 544.4R-18 и ГОСТ 2700686. Испытания прочностных и эксплуатационных характеристик выполнялись на образцах, изготовленных по стандартным методикам. Прочность на сжатие определялась на кубах размером 100×100×100 мм по ГОСТ 10180-2012 и EN 12390-3. Прочность на растяжение при изгибе исследовалась на призмах 100×100×400 мм по EN 14651. Морозостойкость Results of National Scientific Research International Journal 2025 Volume 4| Issue 8 SJIF5.8, Researchbib 10.7 ISSN: 2181-3639 https://academicresearch.ru/index.php/inrnsr/index 43 оценивалась по ГОСТ 10060.0-2012 методом циклического замораживания и оттаивания, водонепроницаемость — по ГОСТ 12730.5-84 с применением ступенчатого давления. Дополнительно проводился микроструктурный анализ методом сканирующей электронной микроскопии (SEM) и рентгеноструктурного анализа (XRD), что позволило зафиксировать особенности взаимодействия цементного камня с различными видами фибры [17]. Для оптимизации состава применялся метод центрального композиционного планирования эксперимента (CCD). Варьировались три основных фактора: суммарное содержание волокон (% от массы цемента), соотношение жёстких (металл, базальт) и гибких (полипропилен, стекло) волокон, а также водоцементное отношение (0.35–0.50). В качестве откликов регистрировались предел прочности на сжатие, изгиб и растяжение, модуль упругости, морозостойкость и водонепроницаемость. Таблица 1. Основные характеристики используемых волокон Вид волокон Длина, мм Плотность, г/см³ Прочность на растяжение, МПа Модуль упругости, ГПа Особенности применения Results of National Scientific Research International Journal 2025 Volume 4| Issue 8 SJIF5.8, Researchbib 10.7 ISSN: 2181-3639 https://academicresearch.ru/index.php/inrnsr/index 44 Базальтовое 12–18 2.6–2.7 до 3000 80–90 Высокая термостойкость, стойкость к агрессивным средам Полипропиленовое 6–12 0.90 400–700 3.5–8.0 Гидрофобность, предотвращение усадочных трещин Металлическое (сталь) 30–50 7.80 >1000 200–210 Повышение ударной вязкости и трещиностойкости Стеклянное (АРglass) 12 2.6 ~2000 ~70 Алкали-стойкость, повышение прочности при изгибе Рисунок 1. Прочность на сжатие бетона с различными видами комбинированных волокон Таким образом, выбранные материалы и методы исследования позволяют комплексно оценить влияние комбинированного дисперсного армирования на Results of National Scientific Research International Journal 2025 Volume 4| Issue 8 SJIF5.8, Researchbib 10.7 ISSN: 2181-3639 https://academicresearch.ru/index.php/inrnsr/index 45 формирование свойств высокопрочного фибробетона, выявить закономерности взаимодействия различных типов волокон с цементной матрицей и обосновать оптимальные соотношения компонентов для обеспечения максимальной долговечности и эксплуатационной надежности конструкций. Результаты и обсуждение Комплексный анализ экспериментальных данных показал, что применение комбинированного дисперсного армирования оказывает многостороннее влияние на механические и эксплуатационные характеристики высокопрочного бетона. Характер изменений свойств обусловлен не только видом и количеством вводимых волокон, но и их сочетанием, что позволяет достичь синергетического эффекта, при котором каждая разновидность фибры компенсирует слабые стороны другой и усиливает положительное воздействие на матрицу бетона. Прочность на сжатие для контрольного состава без добавок составила 60 МПа, что соответствует классу бетона В50. Добавление 1% базальтового волокна обеспечило рост до 75 МПа, а комбинация базальтового и полипропиленового волокна увеличила показатель до 80 МПа. При совместном применении базальтового и металлического волокна предел прочности достиг 85 МПа, а максимальное значение (90 МПа) было зафиксировано для многокомпонентного состава, включавшего все четыре вида волокон. Данный результат подтверждает выводы [6,7], согласно которым базальтовые волокна эффективно повышают прочность на сжатие за счёт высокой адгезии с цементным камнем и способности препятствовать развитию микротрещин. Прочность при изгибе также показала существенное увеличение. Контрольные образцы имели значение 6.5 МПа, а при использовании базальтового волокна показатель составил 8.1 МПа. При комбинации