Дисперсное армирование бетонов

Рассматривается применение специальныхдисперсноармирующих волокон в технологии бетонов.

В настоящее время получает всёболее широкое распространение применение специальных дисперсноармирующихволокон вместо традиционного армирования.

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

Несмотря на значительный ростобъёмов потребления стальной фибры российским строительным рынком, онпо-прежнему недостаточно оценён. В Европе ежегодно производится и потребляетсяоколо 300 тыс. т фибры, тогда как в России — всего около 7 тыс. т.

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

Увы, но даже сейчас приходитсяпризнать, что данный вид армирования в нашей стране постоянно сталкивается содной 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 технологическихсхемах армирования бетонных конструкций.

Эффективность применениясталефибробетона доказывает зарубежный опыт. Это щирокий ассортимент стальнойфибры и большое количество (более 25) фирм и корпораций, производящих фибру напостоянной основе. Надо заметить, что это мощные производители обычнойстержневой и проволочной арматуры или металлоизделий.

Впереди — Япония, где 7 крупныхфирм выпускают стальную фибру, рубленную из листа или проволоки, фрезерованнуюиз сляба или вытянутую из расплава. Производителями предлагается фибраразличных форм, профилей, размеров и прочности, в том числе изкоррозионно-стойкой стали.

Уже в 1981 году Япония применилапорядка 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 данныймомент в России, это армирование фиброй именно бетонных полов, в частностизапущенных в производство у нас аналогов производимых на Западе материалов.

Но не всё так печально. Прогрессне стоит на месте, и кому как не нам стать первыми. Тем более, что работы вданной области начинали наши учёные. Хотя ни для кого не секрет, что фибру, вчастности 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 передовыестраны как Япония и Германия. Но оценивая потенциал и перспективы наших научныхразработок, мы с полной уверенностью можем сказать, что благодаря пытливомууму, незакостенелости мышления и опоре на производственный опыт мы ещё сможемзанять, если уже не занимаем, одни из первых позиций в данной области. Этокасается именно разработок, но увы не внедрения.

Также известно, что арматурнаясетка 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 видаармирования в строительстве.

Что и зачем?

Фибробетон — это бетон,армированный дисперсными волокнами (фибрами). Такой бетон представляет собойобычную смесь цемента, песка, крупного заполнителя и воды, дополненнуюопределённым количеством стальных или других волокон (фибр). Иногда добавляетсяпластифицирующая добавка, чтобы улучшить обрабатываемость смеси. Дискретныеволокна производятся из различных материалов — от полипропилена до стали, вразличных конфигурациях, длинах и поперечных сечениях. (табл. 1).

В настоящее время наибольшаяэффективность фибробетона как композита достигается при правильном подборе исочетании компонентов. Самым эффективным материалом в этом плане, ввиду егоотносительной стоимости, является стальная арматура.

Модуль упругости арматуры в 56раз больше аналогичного показателя бетона, однако при достаточной анкеровке вбетоне не может быть полностью использована прочность и получен наибольшийвклад арматуры в работу самого материала как до, так и после образованиятрещин.

Если мы используем стальнуюфибру, то проблема с анкеровкой не стоит вовсе, так как анкернение фибрыдостаточно высокое.

В отличие от проволочной сеткиили арматуры, которая устанавливается в одной плоскости, стальная фибраодинаково распространяется по всей бетонной матрице (диспергирует).Стальная фибра выполняет множество функций в зависимости от пропорций, которыемогут варьировать в пределах 15–120 кг/м3. Одна из первоначальныхфункций — уменьшение микро- и макротрещин. Определяя трещины на начальнойстадии их появления, стальная фибра препятствует их распространению.Традиционная классическая арматура, или проволочная сетка, предназначена длятого, чтобы предохранить бетон от образования самых первых усадочных трещин, ане предотвратить их распространение.

Многие производители имеют ипродают компьютерные программы, которые позволяют пересчитывать и применятьопределённые пропорции фибры для замены арматуры или арматурной сетки. Данныепрограммы предоставляет «Арселор» и другие импортные производители.

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

Основные свойства и показателиразличных видов волокон приведены ниже в табл.1.

В зависимости от вида материалаи 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. Свойстваразличных видов волокон для изготовления фибры

Подробно мы остановимся настальной, базальтовой и полипропиленовой фибрах.

Стальные фибры

Стальная фибра представляетсобой отрезки стальных волокон специальной формы и длины, в определённыхдозировках (от 20 кг/м3) добавляемых в бетонную матрицу дляосуществления объёмного армирования.

В результате фибровогоармирования создаётся композитный материал — сталефибробетон, обладающий рядомпреимуществ перед неармированным бетоном и бетоном с традиционными видамиармирования. Повышается:

— прочность на растяжение приизгибе — в 2–3 раза;

— прочность на сжатие — до 10–50%;

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

— ударная прочность — в 8–12раз;

— сопротивление истираемости —до 2 раз;

— трещиностойкость — в 2–3 раза;

— морозостойкость иводонепроницаемость — не менее чем на класс.

Использование технологиифибрового армирования позволяет существенно снизить время выполнения итрудоёмкость работ за счёт отказа от вязки арматуры и укладки сеток, а в рядеслучаев — сэкономить строительные материалы за счёт достижения проектныххарактеристик при меньшей толщине и/или металлоёмкости конструкций.

Рассмотрим перспективныенаправления применения стальной фибры.

В случае применения в бетонных полах. Снижение трудоёмкости ивремени выполнения работ, существенное повышение долговечности и межремонтныхинтервалов.

В дорожном строительстве. Повышенная устойчивостьтрещинообразованию, образованию ям и рытвин, более ровная поверхность, меньшееколичество швов и стыков, повышенное шумопоглощение, существенная экономия наремонте.

Взлётно-посадочные полосы. Повышение долговечности, более ровнаяповерхность, меньшее количество швов и стыков, повышение безопасности взлётов ипосадок, понижение износа деталей шасси самолетов, устойчивость к воздействиямвнешней среды и сложным условиям эксплуатации.

В мостостроении. Повышение эксплуатационной надёжности, снижениетрудоёмкости за счёт частичного или полного отказа от традиционногоармирования, улучшение гидроизоляционных свойств, армирование труднодоступныхучастков.

В гидротехнических сооружениях. Повышение прочностныххарактеристик, водонепроницаемости и сроков эксплуатации, снижение трудоёмкостистроительства.

Изготовление свай и шпунтов. Применение свай с оголовком изсталефибробетона обеспечивает возможность забивки свай до проектной отметки безповреждений, отпадает необходимость забивки свай-дублёров.

Изготовление сборных железобетонных конструкций. Применениесталефибробетона в кольцах стеновых колодцев, водоотпускных и коллекторныхтрубах, плитах перекрытий позволяет увеличить срок эксплуатации изделий присущественном 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 Россиисуществует несколько производителей базальтовой фибры.

Наиболее «узнаваемы» два типаматериала: микрофибра и рубленое волокно.

Микрофибра базальтовая модифицированная (МБМ)

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

Для обеспыливания МБМ применяюторганические вещества, перечень которых приведён ниже.

В качестве модификатораиспользуют углеродный наномодификатор фуллероидного типа по ТУ2166-001-13800624-2003.

СоставМБМ, в масс. %:

Ватабазальтовая с органической пропиткой 99,3–99,6

Наномодификатор 0,0001–0,01

Едкийнатр 0,05–0,10

Вода 0,3–0,5

Основныехарактеристики 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

МБМпредназначена 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.

МБМтермоустойчива вплоть до 300 °С.

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

Методикавведения и конкретное содержание микрофибры в композите регламентируетсяспециализированными инструкциями.

Приармировании минеральных смесей и бетонов используется смеситель принудительногодействия, причём микрофибра добавляется в сухую смесь непосредственно переддобавлением жидких компонентов. Время перемешивания — не менее 10 мин.

Приармировании асфальтобетонов и пластмасс МБМ добавляется в расплав материала, ипринудительное 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 базальтовогоровинга 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, обеспечиваеттрёхмерное упрочнение (традиционная арматура — лишь двухмерное).

Имеет следующие сферы применения.

Возведениеобъектов гражданского строительства.

Реконструкцияхранилищ и банковских сейфов.

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

Изготовлениереакторных отделений атомных электростанций, контейнеров для захоронениярадиоактивных отходов.

Укрепление иремонт сводов шахт и тоннелей.

Создание различныхвидов дорожных покрытий, сборных и монолитных плит, бордюров, разделительныхполос и тротуарной плитки.

Изготовлениедеталей 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 сдругим 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.

Полипропиленовоеволокно

Микроармирующееволокно из полипропелена применяется в гражданском, промышленном и дорожномстроительстве как компонент строительных растворов и смесей, модифицирующийструктуру вяжущих веществ и предотвращающий образование и развитие внутреннихдефектов цементных композиций. Материал носит наименование волокно строительноемикроармирующее (ВСМ).

Рис. 1.

В ходеэкспериментов выяснено, что добавление в бетонную смесь ВСМ приводит к изменениюследующих параметров:

— уменьшениерасслаивания бетонной смеси — на 25 %;

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

— увеличениемарочной прочности бетона — на 25 %; то есть при добавлении в марку бетона М300волокна в количестве 600 гполучаем марку М350.

Такоеприменение ВСМ позволяет повысить производительность предприятий, занимающихсяпроизводством бетонных конструкций, качество и долговечность строительныхконструкций и сооружений, снизить номинальную стоимость строительного продукта.

Основныеобласти 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, штукатурныесмеси, торкрет-бетон.

Монолитное дорожное покрытие, дорожныеплиты, шпалы железных дорог.

Фундаменты динамического и ударногодействия.

Строительство сооружений с повышеннымитребованиями к пожароустойчивости.

Производительразделяет ВСМна следующиетипоразмеры:

— ВСМ-II-20/18(резка волокна длиной 18 мм)— микроармирующий компонент для жёстких и сверхжёстких бетонов, изготавливаемыхс применением крупного и среднего заполнителя (песок, гравий, щебень) иприменяемых 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, впенобетонах для улучшения геометрической формы.

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

Дозировка:

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

— ВСМ-II-20/12в бетон — 0,6–1,2кг/м3;

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

Еслибетон для работы готовится на предприятии по изготовлению сборных бетонных ижелезобетонных конструкций и изделий, то сухие компоненты смеси смешиваются втехнологическом порядке, предусмотренном рецептом изготовления бетона идозатором, 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 отдельныеэлементарные волокна распределены гомогенно.

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

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

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

Несмотряна то, что при введении волокна в бетонную смесь осадка конуса несколькоуменьшается, удобоукладываемость смеси даже возрастает, так как увеличиваетсяэластичность, пластичность и гомогенность смеси. Следовательно, после введения волокна нетребуется добавление воды затворения для увеличения осадки конуса.

Пенобетон.

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

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

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

Заключение

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

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

Раньше здание эксплуатировалось как бетонный узел, егопродукция поставлялась непосредственно на строительство Ленинградскогометаллического завода. Срок его эксплуатации продолжался с 1946 по 1979 год.Впоследствии цеха использовались по разному назначению. В 90-х годах, в эпохубезвременья, цех совсем обветшал и в начале XXIвека был выкуплен серьёзным инвестором, для того чтобы впоследствии бытьперепрофилированным под производства тяжёлых грузовиков.

Был произведён капитальный ремонт старого бетонногооснования. Выполнен частичный демонтаж старого бетонного покрытия, а в техместах, где образовались пустоты и размывы, произведена засыпка щебнем ивыполнена стяжка с применением арматуры, так как эти места обладалиопределённой нестабильностью грунтов.

Основным материалом несущей плиты было предложено выбратьбетон армированный стальной и полипропиленовой фиброй. Исходя изпредварительных данных и опираясь на зарубежный и отечественный опыт, былорешено использовать фибру анкерного типа в количестве 25 кг. На 1м3бетона полипропиленовую фибру дозировали в количестве 0,6 кг/м3.Толщина плиты составляла 200 мм. Также был применён пластификатор «FM», которыйпозволил правильно регулировать водоцементное отношение и улучшитьудобоукладываемость смеси.

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

Были получены хорошие результаты, подтверждённыелабораторными испытаниями. Единственным недостатком применения полипропиленовойфибры стало появление на поверхности отдельных волокон, которые впоследствиибыли удалены газовой горелкой.

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