Дисперсное армирование бетонов

В настоящее время получает всё более широкое распространение применение специальных дисперсноармирующих волокон вместо традиционного армирования.

В конце мая 2007 года нам, Санкт-Петербургскому политехническому университету и компании «Северсталь-метиз», удалось провести научно-практическую конференцию по современным методам армирования. Присутствовало достаточно много специалистов и производителей (главным образом — стальной фибры). В кулуарах итог подвёл профессор ГАСУ Юрий Владимирович Пухаренко: «Надо более широко применять фибру в различных видах конструкций, а уж если это нам удастся, то без работы не останется ни один наш отечественный производитель».

Несмотря на значительный рост объёмов потребления стальной фибры российским строительным рынком, он по-прежнему недостаточно оценён. В Европе ежегодно производится и потребляется около 300 тыс. т фибры, тогда как в России — всего около 7 тыс. т.

При этом, к сожалению, на нашем строительном рынке применение фибры традиционно ограничено. Так, если в Европейских странах, той же соседней Финляндии, данный материал используется в разнообразных областях: в гражданском, дорожном строительстве, строительстве гидросооружений, тоннелей, аэропортов, то основная сфера применения фибры (90 %) в России — это укладка полов. Дальше, чем для использования при устройстве горизонтальных плоскостей, фибра не применяется.

Увы, но даже сейчас приходится признать, что данный вид армирования в нашей стране постоянно сталкивается с одной и той же проблемой — отсутствие достаточно внятных рекомендаций, инструкций по расчёту и применению тех или иных видов фибры, а как следствие, невозможность применения данного материала в более широких технологических схемах армирования бетонных конструкций.

Эффективность применения сталефибробетона доказывает зарубежный опыт. Это щирокий ассортимент стальной фибры и большое количество (более 25) фирм и корпораций, производящих фибру на постоянной основе. Надо заметить, что это мощные производители обычной стержневой и проволочной арматуры или металлоизделий.

Впереди — Япония, где 7 крупных фирм выпускают стальную фибру, рубленную из листа или проволоки, фрезерованную из сляба или вытянутую из расплава. Производителями предлагается фибра различных форм, профилей, размеров и прочности, в том числе из коррозионно-стойкой стали.

Уже в 1981 году Япония применила порядка 3 тыс. т стальной фибры, из которых 500 т — из нержавеющей стали. Отставание России от Японии в этой области — 25 лет.

То, что мы имеем на данный момент в России, это армирование фиброй именно бетонных полов, в частности запущенных в производство у нас аналогов производимых на Западе материалов.

Но не всё так печально. Прогресс не стоит на месте, и кому как не нам стать первыми. Тем более, что работы в данной области начинали наши учёные. Хотя ни для кого не секрет, что фибру, в частности различные виды волокон, применяли весьма давно, до того момента, когда она получила самое широкое распространение как в мире в целом и в Европе в частности.

Трудно догнать такие передовые страны как Япония и Германия. Но оценивая потенциал и перспективы наших научных разработок, мы с полной уверенностью можем сказать, что благодаря пытливому уму, незакостенелости мышления и опоре на производственный опыт мы ещё сможем занять, если уже не занимаем, одни из первых позиций в данной области. Это касается именно разработок, но увы не внедрения.

Также известно, что арматурная сетка уменьшает количество усадочных трещин только на 6 %, металлическая фибра — на 20–25 %, а полимерные волокна — на 60–90 %.

Переходя к практической части, необходимо оценить складывающуюся ситуацию по использованию данного вида армирования в строительстве.

Что и зачем?

Фибробетон — это бетон, армированный дисперсными волокнами (фибрами). Такой бетон представляет собой обычную смесь цемента, песка, крупного заполнителя и воды, дополненную определённым количеством стальных или других волокон (фибр). Иногда добавляется пластифицирующая добавка, чтобы улучшить обрабатываемость смеси. Дискретные волокна производятся из различных материалов — от полипропилена до стали, в различных конфигурациях, длинах и поперечных сечениях. (табл. 1).

В настоящее время наибольшая эффективность фибробетона как композита достигается при правильном подборе и сочетании компонентов. Самым эффективным материалом в этом плане, ввиду его относительной стоимости, является стальная арматура.

Модуль упругости арматуры в 56 раз больше аналогичного показателя бетона, однако при достаточной анкеровке в бетоне не может быть полностью использована прочность и получен наибольший вклад арматуры в работу самого материала как до, так и после образования трещин.

Если мы используем стальную фибру то проблема с анкеровкой не стоит вовсе, так как анкернение фибры достаточно высокое.

В отличие от проволочной сетки или арматуры, которая устанавливается в одной плоскости, стальная фибра одинаково распространяется по всей бетонной матрице (диспергирует). Стальная фибра выполняет множество функций в зависимости от пропорций, которые могут варьировать в пределах 15–120 кг/м3. Одна из первоначальных функций — уменьшение микро- и макротрещин. Определяя трещины на начальной стадии их появления, стальная фибра препятствует их распространению. Традиционная классическая арматура, или проволочная сетка, предназначена для того, чтобы предохранить бетон от образования самых первых усадочных трещин, а не предотвратить их распространение.

Многие производители имеют и продают компьютерные программы, которые позволяют пересчитывать и применять определённые пропорции фибры для замены арматуры или арматурной сетки. Данные программы предоставляет «Арселор» и другие импортные производители.

В дальнейшем мы более подробно рассмотрим основные технико-физические показатели на примере различных фибр, производимых как в нашей стране, так и за рубежом. Основным показателем считается вр?менное сопротивление разрыву, или, как его ещё называют, прочность на растяжение.

Основные свойства и показатели различных видов волокон приведены ниже в табл. 1.

В зависимости от вида материала и способа изготовления мы имеем различные значения параметров и, как следствие, различные дозировки и способы применения.

Волокно	Плотность, г/см3	Прочность на растяжение, МПа	Модуль упругости, МПа	Удлинение при разрыве, %
Полипропиленовое	0,90	400–700	3500–8000	10–25
Полиэтиленовое	0,95	600–720	1400–4200	10–12
Нейлоновое	1,10	770–840	4200–4500	16–20
Акриловое	1,10	210–420	2100–2150	25–45
Полиэфирное	1,40	730–780	8400–8600	11–13
Хлопковое	1,50	420–700	4900–5100	3–10
Асбестовое	2,60	910–3100	68 000–70 000	0,6–0,7
Стеклянное	2,60	1800–3850	7000–8000	1,5–3,5
Стальное	7,80	600–3150	190 000–210 000	3–4
Углеродное	2,00	2000–3500	200 000–250 000	1,0–1,6
Карбоновое	1,63	1200–4000	280 000–380 000	2,0–2,2
Полиамидное	0,90	720–750	1900–2000	24–25
Вискозное сверхпрочное	1,20	660–700	5600–5800	14–16
Базальтовое	2,60–2,70	1600–3200	7000–11 000	1,4–3,6

Таблица 1. Свойства различных видов волокон для изготовления фибры

Подробно мы остановимся на стальной, базальтовой и полипропиленовой фибрах.

Стальные фибры

Стальная фибра представляет собой отрезки стальных волокон специальной формы и длины, в определённых дозировках (от 20 кг/м3) добавляемых в бетонную матрицу для осуществления объёмного армирования.

В результате фибрового армирования создаётся композитный материал — сталефибробетон, обладающий рядом преимуществ перед неармированным бетоном и бетоном с традиционными видами армирования. Повышается:

— прочность на растяжение при изгибе — в 2–3 раза;

— прочность на сжатие — до 10–50 %;

— прочность на осевое растяжение — до 10–40 %;

— ударная прочность — в 8–12 раз;

— сопротивление истираемости — до 2 раз;

— трещиностойкость — в 2–3 раза;

— морозостойкость и водонепроницаемость — не менее чем на класс.

Использование технологии фибрового армирования позволяет существенно снизить время выполнения и трудоёмкость работ за счёт отказа от вязки арматуры и укладки сеток, а в ряде случаев — сэкономить строительные материалы за счёт достижения проектных характеристик при меньшей толщине и/или металлоёмкости конструкций.

Рассмотрим перспективные направления применения стальной фибры.

В случае применения в бетонных полах. Снижение трудоёмкости и времени выполнения работ, существенное повышение долговечности и межремонтных интервалов.

В дорожном строительстве. Повышенная устойчивость трещинообразованию, образованию ям и рытвин, более ровная поверхность, меньшее количество швов и стыков, повышенное шумопоглощение, существенная экономия на ремонте.

Взлётно-посадочные полосы. Повышение долговечности, более ровная поверхность, меньшее количество швов и стыков, повышение безопасности взлётов и посадок, понижение износа деталей шасси самолетов, устойчивость к воздействиям внешней среды и сложным условиям эксплуатации.

В мостостроении. Повышение эксплуатационной надёжности, снижение трудоёмкости за счёт частичного или полного отказа от традиционного армирования, улучшение гидроизоляционных свойств, армирование труднодоступных участков.

В гидротехнических сооружениях. Повышение прочностных характеристик, водонепроницаемости и сроков эксплуатации, снижение трудоёмкости строительства.

Изготовление свай и шпунтов. Применение свай с оголовком из сталефибробетона обеспечивает возможность забивки свай до проектной отметки без повреждений, отпадает необходимость забивки свай-дублёров.

Изготовление сборных железобетонных конструкций. Применение сталефибробетона в кольцах стеновых колодцев, водоотпускных и коллекторных трубах, плитах перекрытий позволяет увеличить срок эксплуатации изделий при существенном снижении трудозатрат и экономии материалов.

Прочие области применения: взрыво- и взломоустойчивые сооружения, элементы фундаментов, трубопроводы, тонкостенные и декоративные конструкции, ёмкости для воды и других жидкостей.

Базальтовая фибра

В настоящий момент в России существует несколько производителей базальтовой фибры.

Наиболее «узнаваемы» два типа материала: микрофибра и рубленое волокно.

Микрофибра базальтовая модифицированная (МБМ)

МБМ получается путём пропитки измельченной минеральной ваты, производимой из расплава базальтовых пород. Рекомендуемое содержание — 1,5–20 %, в зависимости от вида и назначения композиционного материала.

Для обеспыливания МБМ применяют органические вещества, перечень которых приведён ниже.

В качестве модификатора используют углеродный наномодификатор фуллероидного типа по ТУ 2166-001-13800624-2003.

Состав МБМ, в масс. %:

Вата базальтовая с органической пропиткой 99,3–99,6

Наномодификатор 0,0001–0,01

Едкий натр 0,05–0,10

Вода 0,3–0,5

Основные характеристики МБМ приведены в табл. 2.

Характеристика	Норма
Средний диаметр волокна, мкм	8–10
Средняя длина волокна, мкм	100–500
Содержание неволокнистых включений, % по массе	?10
Плотность насыпная, кг/м3	?800
Влажность, % по массе	?2
Содержание органических веществ, % по массе	?2
Цвет	От жёлтого до коричневого
Содержание наномодификатора, % по массе	0,01–0,0001
Модуль на разрыв, ГПа	18

Таблица 2. Основные характеристики МБМ

МБМ предназначена для дисперсного армирования пластмасс, бетонов, асфальтобетонов, минеральных смесей и т. д. с целью улучшения их свойств — прочность на сжатие, растяжение, изгиб, срез, водопоглощение, морозостойкость, трещиностойкость и т. п.

МБМ термоустойчива вплоть до 300 °С.

Рекомендуемое содержание микрофибры — 1,5–20% от массы цемента, в зависимости от вида, назначения и стоимости композиционного материала.

Методика введения и конкретное содержание микрофибры в композите регламентируется специализированными инструкциями.

При армировании минеральных смесей и бетонов используется смеситель принудительного действия, причём микрофибра добавляется в сухую смесь непосредственно перед добавлением жидких компонентов. Время перемешивания — не менее 10 мин.

При армировании асфальтобетонов и пластмасс МБМ добавляется в расплав материала, и принудительное перемешивание осуществляется до получения однородной массы.

 

Добавка	Нормативный документ	Вредные вещества
Битумы нефтяные строительные Битумы нефтяные дорожные вязкие Масла индустриальные Масла цилиндровые тяжелые Масло сланцевое топливное Экстракты нефтяные Эмульсии битумные дорожных марок ЭБА-1 и ЭБА-2	ГОСТ 6617-76 ГОСТ 22245-90 ГОСТ 20799-88 ГОСТ 6411-76 ГОСТ 4806-79 ТУ 38-101714-84 ГОСТ 18659-81	Пары углеводородов То же То же. Масляный туман Пары углеводородов То же То же То же

Таблица 3. Органические вещества, применяемые в качестве обеспыливающих добавок

Базальтовое рубленое волокно (чопсы).

Данная фибра производится методом рубки базальтового ровинга на волокна заданной длины.

Свойства:

— высокая прочность и долговечность;

— высокая термостойкость, абсолютная негорючесть;

— стойкость к агрессивным средам;

— экологическая чистота.

Базальтовая фибра, как и любая фибра, обеспечивает трёхмерное упрочнение (традиционная арматура — лишь двухмерное).

Имеет следующие сферы применения.

Возведение объектов гражданского строительства.

Реконструкция хранилищ и банковских сейфов.

Сооружение мостов, взлётно-посадочных полос, гидротехнических сооружений (береговых дамб и плотин, шлюзов и каналов рек).

Изготовление реакторных отделений атомных электростанций, контейнеров для захоронения радиоактивных отходов.

Укрепление и ремонт сводов шахт и тоннелей.

Создание различных видов дорожных покрытий, сборных и монолитных плит, бордюров, разделительных полос и тротуарной плитки.

Изготовление деталей объёмного промышленного оборудования — прокатные станы, молоты, гидравлические прессы и др.

Характеристика	Значение
Диаметр единичного волокна, мкм	13, 17
Длина, мм	6; 12; 18; 24
Тип замасливателя	4С*
Диапазон рабочих температур, °С	–260...+700
Массовая доля замасливателя, %	?0,3
Массовая доля влаги, %	?1,0
Гигроскопичность, %	?0,2

Таблица 4. Технические характеристики базальтовой фибры

* По согласованию с потребителем возможен выпуск ровинга с другим типом замасливателя

Длина, мм	Область применения	Количество фибры, кг/м3
6	Лёгкие бетоны Сухие смеси	0,5–1,0
12	Тяжёлые бетоны	0,5–1,0

Таблица 5. Рекомендации к применению

Чопсы поставляются в полипропиленовых мешках весом 25 кг.

Полипропиленовое волокно

Микроармирующее волокно из полипропелена применяется в гражданском, промышленном и дорожном строительстве как компонент строительных растворов и смесей, модифицирующий структуру вяжущих веществ и предотвращающий образование и развитие внутренних дефектов цементных композиций. Материал носит наименование волокно строительное микроармирующее (ВСМ).

 

Рис. 1.

В ходе экспериментов выяснено, что добавление в бетонную смесь ВСМ приводит к изменению следующих параметров:

— уменьшение расслаивания бетонной смеси — на 25 %;

— сокращение времени первичного и окончательного твердения, то есть ускорение оборота форм — на 45 %;

— увеличение марочной прочности бетона — на 25 %; то есть при добавлении в марку бетона М300 волокна в количестве 600 г получаем марку М350.

Такое применение ВСМ позволяет повысить производительность предприятий, занимающихся производством бетонных конструкций, качество и долговечность строительных конструкций и сооружений, снизить номинальную стоимость строительного продукта.

Основные области применения микроармирующего волокна — такие же, как и у любой фибры.

Монолитное и высотное домостроение.

Наливные полы и стяжки.

Сваи забивные фундаментные.

Сухие монтажно-ремонтные смеси, штукатурные смеси, торкрет-бетон.

Монолитное дорожное покрытие, дорожные плиты, шпалы железных дорог.

Фундаменты динамического и ударного действия.

Строительство сооружений с повышенными требованиями к пожароустойчивости.

Производитель разделяет ВСМна следующие типоразмеры:

— ВСМ-II-20/18 (резка волокна длиной 18 мм) — микроармирующий компонент для жёстких и сверхжёстких бетонов, изготавливаемых с применением крупного и среднего заполнителя (песок, гравий, щебень) и применяемых для гидротехнических сооружений, дорожных покрытий, мостостроения.

— ВСМ-II-20/12 (резка волокна длиной 12 мм) — для плит перекрытия, наливных бетонных полов, гидротехнических сооружений, фундаментной и свайной продукции и других тяжёлых и лёгких бетонов.

— ВСМ-II-20/6 (резка волокна длиной 6 мм) — для применения в цементно-песчаных (кладочных, штукатурных, затирочных, монтажно-ремонтных и др.) растворах и сухих смесях на основе цемента, в пенобетонах для улучшения геометрической формы.

ВСМ способно перемешиваться в любом типе смесителей (гравитационного или принудительного действия), может вводится как непосредственно после добавления воды, так и в сухую или готовую бетонную смесь, может добавляться в бетонную смесь, транспортируемую бетоновозами (автомиксер). Подача бетононасосом смеси, содержащей ВСМ, не составляет труда.

Дозировка:

— ВСМ-II-20/18 в особо тяжёлые и тяжёлые и жёсткие бетоны — 0,9–2,0 кг/м3;

— ВСМ-II-20/12 в бетон — 0,6–1,2кг/м3;

— ВСМ-II-20/6 в строительные смеси, штукатурки и т. д. — 0,6 кг/м3.

Если бетон для работы готовится на предприятии по изготовлению сборных бетонных и железобетонных конструкций и изделий, то сухие компоненты смеси смешиваются в технологическом порядке, предусмотренном рецептом изготовления бетона и дозатором, либо необходимое количество ВСМ добавляется иным способом. Рекомендуемая продолжительность перемешивания бетонных смесей (ГОСТ 7474-94) увеличивается на 10–20 % для получения смеси бетона, в котором отдельные элементарные волокна распределены гомогенно.

ВСМ может быть добавлено в готовые (товарные) бетонные смеси. Хорошего диспергирования можно достичь в смесителях гравитационного или принудительного действия.

ВСМ может добавляться к смесям на основе цемента в смесители типа «миксер», установленном на автомобиле и доставляющем готовую бетонную смесь непосредственно на место укладки.

Так как ВСМ хорошо диспергируется в смеси, при производстве бетона или раствора, содержащего волокно, не происходит комкования ВСМ в смеси.

Несмотря на то, что при введении волокна в бетонную смесь осадка конуса несколько уменьшается, удобоукладываемость смеси даже возрастает, так как увеличивается эластичность, пластичность и гомогенность смеси. Следовательно, после введения волокна не требуется добавление воды затворения для увеличения осадки конуса.

Пенобетон.

ВСМ-II-R0,02-20/6, дозировка 0,6 кг на 1 м3 — улучшение геометрической формы изделия.

ВСМ-II-R0,02-20/12, дозировка 0,9 кг на 1 м3 — улучшение геометрической формы изделия и повышение прочности.

ВСМ-II-R0,02-20/18, дозировка 0,9 кг на 1 м3 — улучшение геометрической формы изделия, повышение прочности и адгезионной способности к наносимому материалу (при оштукатуривании стен).

Заключение

В заключении хотелось бы отметить, что данный способ армирования хорошо зарекомендовал себя при производстве работ на промышленных объектах как в Санкт-Петербурге, так и в других регионах.

Наиболее яркий пример из моей практики — это выполнение работ по устройству монолитных полов на заводе тяжёлых грузовиков «Яровит-Моторс».

Раньше здание эксплуатировалось как бетонный узел, его продукция поставлялась непосредственно на строительство Ленинградского металлического завода. Срок его эксплуатации продолжался с 1946 по 1979 год. Впоследствии цеха использовались по разному назначению. В 90-х годах, в эпоху безвременья, цех совсем обветшал и в начале XXI века был выкуплен серьёзным инвестором, для того чтобы впоследствии быть перепрофилированным под производства тяжёлых грузовиков.

Был произведён капитальный ремонт старого бетонного основания. Выполнен частичный демонтаж старого бетонного покрытия, а в тех местах, где образовались пустоты и размывы, произведена засыпка щебнем и выполнена стяжка с применением арматуры, так как эти места обладали определённой нестабильностью грунтов.

Основным материалом несущей плиты было предложено выбрать бетон армированный стальной и полипропиленовой фиброй. Исходя из предварительных данных и опираясь на зарубежный и отечественный опыт, было решено использовать фибру анкерного типа в количестве 25 кг. На 1м3 бетона полипропиленовую фибру дозировали в количестве 0,6 кг/м3. Толщина плиты составляла 200 мм. Также был применён пластификатор «FM», который позволил правильно регулировать водоцементное отношение и улучшить удобоукладываемость смеси.

Верхнее покрытие плиты было выполнено по технологии «Топ-Бетон» методом внесения сухого упрочнителя с последующей затиркой бетоноделочными машинами.

Были получены хорошие результаты, подтверждённые лабораторными испытаниями. Единственным недостатком применения полипропиленовой фибры стало появление на поверхности отдельных волокон, которые впоследствии были удалены газовой горелкой.

Очень хочется надеяться, что благодаря нашим общим усилиям по популяризации фибры, удастся расширить круг её применения.