ГИБРИДНОЕ ДИСПЕРСНОЕ АРМИРОВАНИЕ ТОНКОЗЕРНИСТЫХ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ: СТРУКТУРНЫЕ ЭФФЕКТЫ И ПРОЧНОСТНОЙ ОТКЛИК

ILM FAN YANGILIKLARI KONFERENSIYASI OKTABR ANDIJON,2025 1154 ГИБРИДНОЕ ДИСПЕРСНОЕ АРМИРОВАНИЕ ТОНКОЗЕРНИСТЫХ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ: СТРУКТУРНЫЕ ЭФФЕКТЫ И ПРОЧНОСТНОЙ ОТКЛИК д.ф.т.н.Обиджонов Жахонгир Тохир ўғли Ташкентский архитектурно-строительный университет (тел.99-794-45-09, e-mail.: [email protected]) Аннотация:В работе представлены результаты экспериментальных исследований по изучению влияния гибридного дисперсного армирования на формирование структуры, физико-механические свойства и трещиностойкость тонкозернистых цементных композитов. В качестве армирующих компонентов использовались стальные, базальтовые и полипропиленовые волокна, вводимые по отдельности и в комбинированных системах. Показано, что сочетание волокон различной природы обеспечивает синергетический эффект, выражающийся в увеличении прочности при сжатии до 60 МПа, прочности при изгибе до 9,3 МПа и энергии разрушения до 1,36 кДж/м² при снижении водопоглощения и усадки. Микроструктурный анализ методом SEM и XRD подтвердил образование уплотнённой межфазной зоны с развитой системой гидратов C–S–H, способствующей росту энергоёмкости разрушения. Оптимальная объёмная доля волокон составляет 1,2–1,8 %, что обеспечивает баланс между прочностными, деформационными и технологическими показателями. Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанные составы для применения в монолитных и сейсмостойких конструкциях, требующих повышенной надёжности и долговечности. Ключевые слова:тонкозернистый цементный композит; гибридное дисперсное армирование; базальтовое волокно; стальное волокно; полипропиленовое волокно; микроструктура; трещиностойкость; энергия разрушения; сейсмостойкость; монолитное строительство. Введение Современное развитие строительных технологий характеризуется переходом от традиционных материалов к функциональным композитам с управляемыми свойствами. Одним из наиболее перспективных направлений является создание тонкозернистых цементных композитов с гибридным дисперсным армированием, обеспечивающих сочетание высокой прочности, трещиностойкости и деформационной устойчивости. Для монолитных и сейсмостойких конструкций такие материалы позволяют значительно повысить эксплуатационную надёжность без увеличения материалоёмкости и расхода цемента [1, 2]. Введение волокон различной природы — стальных, базальтовых и полипропиленовых — в цементную матрицу способствует перераспределению внутренних напряжений, ограничивает развитие микротрещин и формирует квазипластическое поведение композита. Исследования последних лет показывают, что комбинированное использование волокон различного модуля упругости приводит к синергетическому эффекту: стальные волокна обеспечивают восприятие критических растягивающих напряжений, базальтовые — повышают химическую и термическую стойкость, а полипропиленовые — снижают усадочные деформации и вероятность раннего растрескивания [3–5]. ILM FAN YANGILIKLARI KONFERENSIYASI OKTABR ANDIJON,2025 1155 Микроструктурные исследования методом сканирующей электронной микроскопии (SEM) и рентгенофазового анализа (XRD) подтверждают, что формирование прочной межфазной зоны «волокно–матрица» сопровождается уплотнением структуры цементного камня и образованием дополнительной системы гидратов C–S–H, повышающих энергоёмкость разрушения и долговечность материала [6, 7]. Эти эффекты особенно выражены при оптимальном соотношении компонентов, когда объёмная доля волокон не превышает 1,5 % и обеспечивается равномерное их распределение в объёме тонкозернистой смеси. В условиях необходимости снижения углеродного следа и повышения ресурсоэффективности производства бетонов, разработка тонкозернистых цементных композитов с гибридным дисперсным армированием становится приоритетным направлением строительных материаловедения [8]. Такое сочетание позволяет не только улучшить физико-механические характеристики, но и создать новое поколение композиционных бетонов с регулируемой структурой и адаптивными свойствами, ориентированных на эксплуатацию в условиях сейсмической активности и циклических нагрузок.. Цель и задачи исследования Цель исследования — установить закономерности влияния комбинированного (гибридного) дисперсного армирования на формирование структуры, межфазного взаимодействия и прочностного отклика тонкозернистых цементных композитов, применяемых в монолитных и сейсмостойких конструкциях. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи исследования: 1. Выполнить анализ отечественных и зарубежных исследований по физикомеханическим и микроструктурным характеристикам цементных композитов с однои многокомпонентным волокнистым армированием, уделив особое внимание работам, основанным на методах SEM и XRD [1,2,4,5]. 2. Разработать экспериментальные составы тонкозернистых цементных композитов с различными типами волокон (стальные, базальтовые, полипропиленовые и их комбинации), обеспечивающие требуемую удобоукладываемость при постоянном водоцементном отношении и минимальном расходе вяжущего. 3. Определить механические показатели прочности (при сжатии, изгибе, растяжении при раскалывании) и модуль упругости композитов в зависимости от вида волокон и их объёмной доли, выявив диапазоны рационального армирования. 4. Провести микроструктурный анализ цементной матрицы и межфазной зоны «волокно–матрица» методами сканирующей электронной микроскопии (SEM) и рентгенофазового анализа (XRD) для установления механизмов сцепления и формирования гидратных структур. 5. Оценить интегральный прочностной отклик композитов путём сопоставления макрохарактеристик (прочность, трещиностойкость, модуль упругости) с параметрами микроструктуры и разработать рекомендации по оптимизации состава гибридных цементных композитов для монолитного строительства. Методы исследования Исследование выполнено с использованием комплекса экспериментальных, аналитических и микроструктурных методов, направленных на выявление закономерностей формирования прочностных и структурных характеристик тонкозернистых цементных композитов с гибридным дисперсным армированием. Составы композитов подбирались по методу абсолютных объёмов при постоянном водоцементном отношении (W/C = 0,35–0,45) с варьированием типа и объёмного содержания волокон. В качестве вяжущего использовался портландцемент CEM I 42,5 N, а в качестве армирующих компонентов — стальные (ℓ = 30 мм), базальтовые (ℓ = 18 мм) ILM FAN YANGILIKLARI KONFERENSIYASI OKTABR ANDIJON,2025 1156 и полипропиленовые (ℓ = 12 мм) волокна, а также их комбинации. Оптимизация состава проводилась с учётом реологических свойств и обеспечением равномерного распределения волокон в объёме смеси [1, 4]. Испытания проводились на контрольных и армированных образцах-кубах 100×100×100 мм и призмах 40×40×160 мм согласно ГОСТ 10180-2012 и ГОСТ 30459-2008. Определялись: – прочность при сжатии и изгибе; – прочность при растяжении при раскалывании; – модуль упругости; – трещиностойкость и энергия разрушения. Результаты обрабатывались статистически с использованием методов регрессионного анализа для выявления функциональных зависимостей между составом и механическими показателями [5, 6]. Морфология цементного камня и межфазной зоны «волокно–матрица» изучалась методами сканирующей электронной микроскопии (SEM) и рентгенофазового анализа (XRD). Исследования проводились на микроскопе JEOL JSM-6610LV с разрешением 10 нм при 20 кВ. Определялись фазы C-S-H, Ca(OH)₂ и продукты вторичной гидратации, обеспечивающие сцепление волокон с матрицей. Микроструктурные параметры сопоставлялись с макропоказателями прочности, что позволило выявить корреляцию между плотностью межфазной зоны и энергоёмкостью разрушения [2, 7, 9]. Для систематизации данных применялись методы дисперсионного анализа (ANOVA), а также построение поверхностей отклика с использованием программы OriginPro 2023. Анализ позволил установить оптимальные диапазоны объёмного армирования (1,0–1,5 %) и разработать математические зависимости, отражающие влияние структурных факторов на прочностной отклик композита [10]. Результаты исследования Результаты экспериментальных исследований позволили установить закономерности изменения прочностных и деформационных характеристик тонкозернистых цементных композитов при различных типах и комбинациях дисперсного армирования. Для сопоставимости результатов во всех сериях использовалось постоянное водоцементное отношение (W/C = 0,35-0,45), что исключает влияние водонасыщенности на плотность и структуру цементного камня. Таблица 1 Комплексные показатели тонкозернистых цементных композитов при различном типе дисперсного армирования № Тип армирования Объёмн ое содержа ние волокон , % Прочно сть при сжатии, МПа Прочнос ть при растяже нии, МПа Плотно сть, кг/м³ Модуль упруго сти, ГПа Энерги я разруш ения, кДж/м² Усадк а через 28 сут., мм/м 1 Контрольный состав (без волокон) – 38,5 3,0 2220 30,2 0,40 0,72 2 Стальные волокна (ℓ = 25 мм) 1,0 53,8 7,4 2320 37,9 1,08 0,64 3 Базальтовые волокна (ℓ = 1,5 49,2 6,5 2290 36,4 0,95 0,67 ILM FAN YANGILIKLARI KONFERENSIYASI OKTABR ANDIJON,2025 1157 18 мм) 4 Полипропиле новые волокна (ℓ = 12 мм) 1,0 42,6 4,3 2215 32,1 0,78 0,59 5 Гибридное армирование (сталь + базальт, 1:1) 1,5 57,1 8,1 2335 39,0 1,20 0,61 6 Гибридное армирование (базальт + ПП, 1:1) 1,5 50,4 7,0 2300 36,9 1,12 0,55 7 Тройное армирование (сталь + базальт + ПП, 1:1:1) 2,0 59,3 8,6 2345 39,8 1,35 0,51 Из таблицы видно, что добавление даже небольшого количества волокон (0,9–1,2 % об.) приводит к значительному росту прочности при сжатии и изгибе. Однако различие между типами армирования проявляется не только в уровне прочности, но и в характере деформирования, что отчётливо иллюстрируют графики ниже. Рисунок 1 – Влияние типа армирования на прочность при сжатии и изгибе На рисунке 1 представлены значения прочности при сжатии и изгибе для разных типов армирования. График показывает, что при переходе от однотипных волокон к комбинированным системам наблюдается устойчивый рост обоих показателей. Особенно заметен скачок при гибридном и тройном армировании, где прочность при сжатии достигает 60 МПа, а при изгибе — 9,3 МПа. Такое сочетание связано с совместной работой металлических и минеральных волокон, обеспечивающих как восприятие растягивающих напряжений, так и торможение развития микротрещин в матрице. На рисунке 2 показана взаимосвязь между трещиностойкостью (энергией разрушения ΔW) и водопоглощением. Здесь чётко видно, что при увеличении плотности структуры и ILM FAN YANGILIKLARI KONFERENSIYASI OKTABR ANDIJON,2025 1158 оптимальном армировании наблюдается рост ΔW и одновременное снижение водопоглощения. Это отражает эффект «микроуплотнения» межфазной зоны за счёт развития вторичных гидратов C–S–H, что согласуется с микроструктурными наблюдениями SEM/XRD. Особенно показателен результат тройного армирования: при наименьшем водопоглощении (4,7 %) достигается наибольшая энергия разрушения (1,36 кДж/м²), что указывает на высокую энергоёмкость разрушения и устойчивость к трещинообразованию. Рисунок 2 – Зависимость трещиностойкости (ΔW) и водопоглощения от типа армирования Вывод Проведённое исследование подтвердило, что характер и эффективность работы тонкозернистых цементных композитов напрямую зависят от типа и комбинации дисперсного армирования. Экспериментальные данные (Таблица 1, Рисунки 1–2) показали, что переход от однотипного армирования к гибридным и тройным системам обеспечивает не только рост прочности при сжатии и изгибе, но и значительное повышение трещиностойкости при снижении водопоглощения и усадки. Наибольшие показатели прочности при сжатии (≈ 60 МПа), энергии разрушения (1,36 кДж/м²) и минимальные деформации усадки (0,52 мм/м) зафиксированы при тройном армировании (сталь + базальт + полипропилен), что указывает на выраженный синергетический эффект между различными типами волокон. Гибридные системы (сталь + базальт) продемонстрировали оптимальное соотношение прочности, плотности структуры и технологичности. Результаты микроструктурных исследований (SEM, XRD) подтвердили, что волокна формируют уплотнённую межфазную зону с развитой системой гидратов C-S-H, что повышает энергоёмкость разрушения и долговечность композита. Совокупность этих эффектов обеспечивает переход материала к квазипластическому типу деформации, увеличивая надёжность и ресурс работы монолитных и сейсмостойких конструкций. Таким образом, оптимальное содержание гибридных волокон в тонкозернистом цементном композите составляет 1,2–1,8 % об., при котором достигается баланс между механической прочностью, трещиностойкостью и технологичностью смеси. Полученные результаты могут служить научной основой для разработки рациональных составов фиброцементных композитов нового поколения для монолитного строительства. ILM FAN YANGILIKLARI KONFERENSIYASI OKTABR ANDIJON,2025 1159 Список литературы: 1. Obidjonov J.T., Rakhimov Sh.T. Comparative evaluation of hybrid fiber-reinforced finegrained concretes // Arxitektura. Qurilish va Dizayn. – 2024. – № 3. – С. 45–52. 2. Volodchenko A.A., Lesovik V.S., Chkhin S. Structure formation and performance of fiberreinforced cement composites // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. – 2019. – Vol. 24, No. 6. – P. 67–75. 3. Yao W., Li J., Wu K. Mechanical properties of hybrid fiber reinforced concrete // Cement and Concrete Research. – 2003. – Vol. 33 (1). – P. 27–30. 4. Afroughsabet V., Biolzi L., Ozbay E. High-performance fiber reinforced concrete: A review // Construction and Building Materials. – 2018. – Vol. 197. – P. 636–660. 5. Zhang J., Li V.C. Development of durable concrete through hybrid fiber reinforcement // ACI Materials Journal. – 2017. – Vol. 114 (4). – P. 569–578. 6. Obidjonov J.T. Effect of basalt and polypropylene fibers on the microstructure of finegrained concretes // Arxitektura Qurilish Jurnali. – 2024. – № 2. – С. 33–40. 7. Научные и практические основы формирования структуры и свойств фибробетонов. – Москва, 2020. – С. 8–14. 8. Scrivener K.L., John V.M., Gartner E. Eco-efficient cements: potential, economically viable solutions for a low-CO₂ construction industry // Cement and Concrete Research. – 2018. – Vol. 114. – P. 2–26. 9. Xu L., Jin Z., Li B. Microstructure and mechanical behavior of basalt fiber reinforced cementitious composites // Cement and Concrete Composites. – 2021. – Vol. 122. – 104123. 10. Li W., Xu J. Mechanical performance and microstructure of hybrid fiber-reinforced cement-based composites // Construction and Building Materials. – 2023. – Vol. 401. – 133089.