ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОЛИПРОПИЛЕНОВОГО ВОЛОКНА И ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК НА МИКРОСТРУКТУРУ ФИБРОБЕТОНА

JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL д.ф.т.н.Обиджонов Жахонгир Тохир ўғли Ташкентский архитектурно-строительный университет (тел.99-794-45-09, e-mail.: x.j[email protected]) ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОЛИПРОПИЛЕНОВОГО ВОЛОКНА И ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК НА МИКРОСТРУКТУРУ ФИБРОБЕТОНА Аннотатция: В работе представлены результаты экспериментальных исследований по разработке и оценке свойств высокопрочного фибробетона с комбинированным дисперсным армированием. Целью исследования являлось установление научнотехнических 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 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 JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL 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 long-term durability of multicomponent fiberreinforced concrete. The overall findings 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 Современные направления в области технологии бетона всё в большей степени ориентированы на создание композиционных материалов с управляемыми свойствами, обеспечивающими повышенную прочность, трещиностойкость и долговечность при эксплуатации в сложных климатических и нагрузочных условиях. Одним из наиболее эффективных путей достижения данных характеристик является модификация структуры цементного камня путём введения дисперсных армирующих волокон и химических добавок различной природы. Такая стратегия позволяет целенаправленно регулировать процессы гидратации, структурообразования и взаимодействия между матрицей и армирующими элементами. Фибробетон, представляющий собой цементный композит с равномерно распределёнными волокнами, относится к классу многофазных материалов, в которых физико-механические свойства определяются не только составом, но и состоянием межфазных границ. Полипропиленовое волокно, благодаря своей химической инертности, низкой плотности и высокой прочности на растяжение, широко используется в качестве армирующего компонента для повышения трещиностойкости и ударной вязкости бетона [1]. Однако эффективность его работы во многом зависит от сцепления с цементной матрицей, которое, в свою очередь, определяется степенью гидратации клинкерных минералов, морфологией гидратных фаз и микроструктурной плотностью матрицы. Особое значение в этом контексте приобретают химические добавки — суперпластификаторы, модификаторы структуры, нанодобавки и микрокремнезёмы, которые способны активно влиять на кинетику гидратации минералов цемента (C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF) и на формирование геля C–S–H — основного носителя прочности в цементных системах. Поликарбоксилатные суперпластификаторы, взаимодействуя с поверхностью частиц цемента, обеспечивают их диспергирование, уменьшают водоцементное отношение и создают благоприятные условия для формирования более плотной микроструктуры [2,3]. Минеральные и кремнеземные добавки, обладая пуццолановой активностью, связывают гидроксид кальция с образованием дополнительных низкоосновных C–S–H фаз, что снижает пористость и повышает долговечность композита [4]. При одновременном присутствии полипропиленового волокна и химических добавок в системе происходит комплексное взаимодействие физических, химических и структурных факторов, в результате которого изменяются механизмы гидратации, распределение пор, JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL морфология гидратных новообразований и состояние зоны контакта «волокно–матрица». Несмотря на значительный объём исследований в области фибробетонов, вопрос о характере этого взаимодействия и его влиянии на фазовую эволюцию цементного камня остаётся недостаточно изученным, особенно в аспекте рентгеноструктурного анализа и микроструктурной идентификации. Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью комплексного понимания процессов структурообразования в фибробетонах, модифицированных химическими добавками, различающимися по механизму действия и химическому составу. Научный интерес представляет не только оценка изменения интенсивности фаз гидратации (C–S–H, Ca(OH)₂, CaCO₃, эттрингит и др.), но и установление закономерностей формирования контактной зоны между полипропиленовым волокном и цементной матрицей, определяющей адгезионные и деформационные характеристики материала. Цель настоящей работы заключается в исследовании влияния химических добавок различной природы (Mixfor FlowCrete 49/2, Sika SF18, Bauchem, Polyplast) на микроструктуру цементного камня фибробетона, армированного полипропиленовым волокном. Для достижения поставленной цели использованы методы рентгенофазового анализа (XRD) и микроструктурного наблюдения, позволяющие определить фазовый состав, интенсивность гидратационных процессов и степень кристаллизации новообразований на разных стадиях твердения. Материалы и методы Исследование направлено на установление закономерностей изменения микроструктуры и фазового состава цементного камня фибробетона при совместном применении полипропиленового волокна и различных химических добавок, отличающихся по механизму действия и химической природе. В качестве основного вяжущего использовался портландцемент марки CEM II 42,5N, соответствующий требованиям ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические условия». По минералогическому составу цемент содержал трикальцийсиликат (C₃S) — 55–62 %, дикальцийсиликат (C₂S) — 15–20 %, трёхкальциевый алюминат (C₃A) — 5–8 % и тетракальциевый алюмоферрит (C₄AF) — 8– 11 %. В качестве дисперсного армирующего компонента применялось полипропиленовое волокно длиной 6–18 мм и диаметром 15–30 мкм, соответствующее требованиям ГОСТ 34028-2016 «Волокна синтетические строительные. Технические условия». Массовая доля ввода волокон составляла 0,6–1,0 кг/м³, что обеспечивало равномерное распределение и предотвращало развитие усадочных микротрещин в ранний период твердения бетона. Полипропиленовое волокно отличалось химической инертностью, низкой водопоглощаемостью и высокой стойкостью к щелочной среде цементного камня, что делает его эффективным при эксплуатации в условиях повышенной влажности и циклического замораживания. Для модификации цементной матрицы применялись следующие добавки, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 24211-2021 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические требования» и соответствующие положениям ШНК 2.03.01-19 «Бетонные и железобетонные конструкции». JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL Таблица 1. Характеристика применяемых химических добавок Наимено вание добавки Химическая основа Назначение Особенности действия Mixfor FlowCrete 49/2 комбинированная система на основе поликарбоксилатов и лигносульфонатов пластифицирующая и модифицирующая добавка обеспечивает водоредуцировани е и ускоренное формирование C– S–H фаз Sika SF 18 модифицированный поликарбоксилатный эфир высокоэффективный суперпластификатор регулирует кинетику гидратации C₃S и способствует уплотнению структуры Bauchem SP поликарбоксилатный сополимер пластификатор и регулятор структуры обеспечивает стабильную дисперсию цементных частиц Polyplast SP-1 поликарбоксилатная система с воздухововлекающими компонентами пластифицирующая и морозостойкая добавка улучшает поровую структуру и воздухонасыщенн ость цементного камня Дозировки добавок подбирались опытным путём в пределах 0,4–1,0 % от массы цемента, что соответствовало оптимальному диапазону по удобоукладываемости и сохранению прочности при раннем твердении. Проектирование состава фибробетона проводилось с учётом положений КМК 2.01.03-19 «Бетоны и растворы. Правила подбора состава». Среднее водоцементное отношение составляло W/C = 0,32–0,35, что обеспечивало требуемую подвижность смеси без расслоения и потери однородности. Бетонные смеси готовились в лабораторных условиях в соответствии с ГОСТ 27006-2018 «Бетоны. Правила подбора состава» и ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Образцы-кубы размером 20×20×20 мм формовались из цементного теста без крупного заполнителя, что позволило изолировать влияние вяжущего и добавок на микроструктуру цементного камня. Твердение осуществлялось в нормальных условиях (температура 20 ± 2 °C, влажность 95 ± 5 %) в течение 7 и 28 суток, согласно ГОСТ 18105-2018 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности». JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL Оценка структурных изменений цементного камня проводилась методом рентгенофазового анализа (РФА) с использованием излучения CuKα (λ = 1,5418 Å). Диапазон сканирования составлял 2θ = 5–75°, шаг — 0,02°, скорость — 2°/мин. Пробоподготовка включала измельчение фрагментов до порошкообразного состояния и сушку при температуре 40 °C для удаления влаги. Образцы исследовались после 7 и 28 суток твердения. Таблица 2. Основные диагностические пики гидратных и вторичных фаз цементного камня Фаза Химическое обозначение Характерные пики (2θ, °) Примечание Трикальцийсиликат C₃S 29,3; 32,1; 34,3 Главная фаза, отвечающая за раннюю прочность Дикальцийсиликат C₂S 31,1; 33,0 Обеспечивает рост прочности на поздних сроках Гидроксид кальция Ca(OH)₂ 18,0; 34,1; 47,1 Продукт гидратации C₃S и C₂S Кальций-силикатгидрат C–S–H 25–35 (аморфное «плечо») Основной носитель прочности Карбонат кальция CaCO₃ 29,5; 39,4 Вторичная фаза карбонизации Параллельно выполнялся микроструктурный анализ поверхности и срезов цементного камня с применением оптической микроскопии и электронной растровой микроскопии (ЭРМ). Оценивались форма кристаллов, поровая структура, степень уплотнения гидратных фаз и качество сцепления волокон с цементной матрицей. Результаты и обсуждение На рисунке 1 представлены типичные рентгенодифрактограммы цементного камня из цемента CEM II 42,5N без добавок (контроль) и с различными химическими модификаторами при возрасте 7 и 28 суток. 1 2 3 JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL 4 5 6 Рисунок 1 – Рентгенодифрактограммы цементного камня с различными добавками 1 – контроль (CEM II 42,5N); 2 – Mixfor FlowCrete 49/2 (7 сут); 3 – Mixfor FlowCrete 49/2 (28 сут); 4 – Sika SF 18 (28 сут); 5 – Bauchem SP (28 сут); 6 – Polyplast SP-1 (28 сут). Из анализа дифрактограмм следует, что интенсивность пиков, соответствующих Ca(OH)₂ (при 2θ ≈ 18,0°, 34,1°, 47,1°), в образцах с добавками Mixfor FlowCrete 49/2 и Sika SF 18 заметно ниже, чем в контрольных, что свидетельствует о более глубокой гидратации минералов C₃S и C₂S и частичном связывании гидроксида кальция в дополнительные C–S– H фазы. Таблица 3. Сравнение интенсивностей основных дифракционных пиков цементного камня Образец Возраст, сут 2θ (°) Фаза Относительна я интенсивност ь, % Характеристика CEM II (контро ль) 28 18,0 / 34,1 / 47,1 Ca(OH)₂ 100 Преобладание кристаллического портландита Mixfor 49/2 7 29,3 / 32,2 / 34,9 C₃S, C–S–H 120 Активное развитие гидратации, наличие эттрингита Mixfor 49/2 2 8 25– 35 (пл ечо) C– S–H (амо рф.) — Рост аморфной фазы, снижение Ca(OH)₂ на 20–25 % Sika SF 18 2 8 29,5 / 31,8 / 50,2 C–S–H, SiO₂(am.) — Уплотнение структуры, высокая степень связывания Са(ОН)₂ Bauche m SP 28 29,3 / 32,1 / 50,0 C₃S, Ca(OH)₂ 95 Сохранение портландита, замедленная гидратация Polyplas 28 29,3 / 31,8 / C–S–H, 90 Частичная JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL t SP-1 50,0 CaCO₃ карбонизация,умер енная активность Снижение интенсивности пиков Ca(OH)₂ указывает на активное протекание поздних реакций пуццоланового типа, характерных для систем, содержащих кремнезёмистые добавки и поликарбоксилатные модификаторы. Согласно [5], подобная тенденция соответствует переходу системы из состояния «свободной гидратации» к состоянию вторичной перекристаллизации C–S–H, что приводит к уплотнению цементного камня и росту прочности. Добавки различного химического состава оказывают неодинаковое воздействие на кинетику гидратации минералов цемента. Mixfor FlowCrete 49/2 (поликарбоксилаты + лигносульфонаты) обеспечивают ускоренную начальную гидратацию C₃S и образование более крупных кристаллов эттрингита, что согласуется с наблюдениями [6], где описано влияние многофункциональных суперпластификаторов на развитие ранней структуры цементных систем. Sika SF 18, основанная на модифицированном поликарбоксилате, способствует образованию более мелкокристаллического C–S–H-геля с повышенной плотностью, что подтверждается снижением пористости и уменьшением количества свободного Ca(OH)₂. В образцах с Bauchem SP и Polyplast SP-1 сохраняется более высокая доля портландита, что свидетельствует о замедленной гидратации и частичной карбонизации свободного Ca(OH)₂ при контакте с воздухом. Такие различия обусловлены разной молекулярной архитектурой пластификаторов. Как отмечают [7], поликарбоксилатные эфиры образуют стабильные адсорбционные слои на поверхности частиц цемента, увеличивая диспергирование и доступ воды, тогда как нафталинсульфонатные добавки обладают менее выраженным эффектом диспергирования и слабее влияют на реакционную способность C₃S. Микроскопический анализ показал, что в образцах с добавками Mixfor FlowCrete 49/2 и Sika SF 18 формируется более плотная и однородная структура цементного камня с мелкопористой текстурой и равномерным распределением полипропиленовых волокон (рисунок 2). В зоне контакта «волокно–матрица» наблюдалось образование переходной оболочки толщиной 10–20 мкм, состоящей из компактного C–S–H-геля, что обеспечивает прочное сцепление и эффективную передачу напряжений. JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL Рисунок 2 – Микроструктура цементного камня фибробетона с добавками: Для добавок Bauchem и Polyplast характерна более рыхлая структура и наличие микропустот, что коррелирует с данными XRD об избыточном содержании Ca(OH)₂. Подобная тенденция отмечалась также в исследованиях [8,9], где указывалось, что эффективное связывание гидроксида кальция микрокремнезёмом и поликарбоксилатами существенно повышает плотность и трещиностойкость матрицы. Сопоставление полученных результатов с данными [5], [6] и [8,9] показывает, что добавки на основе модифицированных поликарбоксилатов (Sika SF 18) и комбинированных систем (Mixfor 49/2) обеспечивают оптимальный баланс между ранней гидратацией и развитием плотной аморфной структуры C–S–H. Формирование тонкодисперсного геля и уменьшение содержания портландита ведут к повышению микроструктурной плотности цементного камня, что является ключевым фактором при армировании полипропиленовым волокном, поскольку улучшает адгезию и снижает риск образования микроразрывов на границе раздела фаз. Полученные результаты полностью согласуются с закономерностями, описанными в фундаментальных трудах [5–10], и подтверждают корректность выбранных методик испытаний, соответствующих требованиям ГОСТ 310.3–76, ГОСТ 31357–2007, ШНК 2.03.01–19 и КМК 2.01.03–19. Список литературы: 1. Piryaei, M., Kazemi, M., Ramezanianpour, A.M., & Banazadeh, M. Influence of polypropylene fiber on mechanical and durability properties of high-performance concrete. Construction and Building Materials, 2022, Vol. 352, 128988. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.128988. 2. Ilg, M., Plank, J. Dispersing mechanism of polycarboxylate superplasticizers in cement explained by competitive adsorption. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2019, Vol. 58(34), pp. 15674–15681. DOI: 10.1021/acs.iecr.9b02077. JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL 3. Yang, S., Zhang, Y., Li, J., et al. Influence of polycarboxylate ether structure on cement hydration kinetics and C–S–H formation: A multi-scale study. Cement and Concrete Research, 2025, Vol. 185, 107320. DOI: 10.1016/j.cemconres.2025.107320. 4. Kujawa, J., Kujawska, A., Rynkowska, E., et al. Polymer-modified cementitious materials: A review on structure, hydration, and performance. Polymers, 2021, Vol. 13(19), 3244. DOI: 10.3390/polym13193244. 5. Mehta, P.K., & Monteiro, P.J.M. Concrete: Microstructure, Properties and Materials. 4th ed. McGraw-Hill Education, New York, 2014. ISBN 978-0-07-179787-0. 6. Bentur, A., & Mindess, S. Fibre Reinforced Cementitious Composites. 2nd ed. CRC Press, Boca Raton, 2007. DOI: 10.1201/9780203963692. 7. Mindess, S., Young, J.F., & Darwin, D. Concrete. 2nd ed. Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 2003. ISBN 978-0130646323. 8. Обиджонов Ж.Т., Рахимов Ш.Т., Бабакулова Н.Б. Анализ синергетических эффектов совместного применения базальтовых и полипропиленовых волокон в матрицах фибробетона // “Me’morchilik va qurilish muammolari” № 3. 2024, b.150-156. (05.00.00. №14) 9. Rakhimov Sh.T., Оbidjonov J.T. Analysis of Technical Literature Allowing Determining Effective Areas of Use of Metal Fibers as Dispersed Reinforcement/ Опубликовано в Международном журнале Trend in Scientific Research and Development (ijtsrd), ISSN: 2456-6470, Special Issue | Комплексные инновации в области технических наук и экономического развития, 2022 г., стр. 147-149, URL: https://www.ijtsrd.com/papers/ijtsrd51858.pdf 10. Rakhimov Sh.T., Оbidjonov J.T. Improvement of hydrotechnical properties of concrete with the use of ash from thermal power plants and fibers/ Journal of Procedia of Theoretical and Applied Sciences Volume 4, Feb 2023 ISSN: 2795-5621 Available: http://procedia.online/index.php/applied/index, P.7-11.