Отчет о НИР. Исследование свойств фибробетона с использованием синтетической микро - и макрофибры производства «Руссеал»

ВВЕДЕНИЕ

Замечательные свойства бетона и железобетона, проверенные десятилетиями практического использования, позволяют им прочно удерживать главенствующее положение в ряду других строительных материалов в течение длительного времени. Вместе с тем, в своем традиционном исполнении они уже не вполне удовлетворяют современным тенденциям развития архитектурных форм, конструктивных решений и технологии возведения строительных объектов. Ряд существенных недостатков этих материалов побуждает к дальнейшему совершенствованию их физико-механических характеристик и созданию новых эффективных материалов на их основе.

Известно, что значительное количество стали в железобетонных конструкциях, расходуется на монтажную, поперечную и распределительную арматуру. Учитывая масштабы применения железобетона, на эти цели ежегодно расходуется до 20 % всего проката черных металлов, выпускаемого в стране. Таким образом, потребление металла в строительстве настолько велико, что его можно сравнить с потреблением в такой металлоемкой отрасли, как машиностроение. Очевидно, что армирование бетона приводит к соответствующему повышению его энергоемкости и, одновременно, к увеличению трудоемкости изготовления изделий. Для предохранения стали от коррозии требуется устройство защитного слоя, что увеличивает массивность конструкций, и нередко до половины их несущей способности затрачивается не восприятие собственного веса. В тех же условиях выпуск эффективных тонкостенных конструкций представляется довольно сложной задачей, решение которой требует особой тщательности и аккуратности при производстве работ. Из вышеизложенного следует, что обычные бетон и железобетон отчасти исчерпали свои возможности и в ряде случаев не могут удовлетворить запросы современного строительства в получении эффективных армированных бетонных конструкций, к которым предъявляются все более высокие требования. Таким образом, для дальнейшего повышения технико-экономической эффективности и универсальности бетонных материалов необходимо предусматривать не только совершенствование собственных показателей бетона и железобетона, но и развитие на их основе производства новых конструкционных материалов, в том числе композиционных, в которых воедино собраны лучшие качества различных составляющих.

Развитию отечественного рынка композитов способствует Постановление Правительства РФ № 328 от 15 апреля 2014 г., которым утверждена Государственная Программа «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности», предусматривающая создание в России конкурентоспособной, устойчивой, структурно-сбалансированной промышленности, способной к эффективному саморазвитию на основе интеграции в мировую технологическую среду, разработку и применение передовых промышленных технологий, нацеленных на формирование и освоение новых рынков инновационной продукции, эффективно решающих задачи обеспечения экономического развития. Указанная Программа содержит 21 подпрограмму, в том числе подпрограмму 14: «Развитие производства композиционных материалов (композитов) и изделий из них». Учитывая это, приоритетным направлением в строительстве является разработка и применение фиброармированных бетонов, отличительными признаками которых являются повышенные прочность и трещиностойкость, морозостойкость и непроницаемость, стойкость к истирающему воздействию и ударная прочность, что позволяет выделить их в самостоятельную группу конструкционных материалов с присущими только им особенностями структуры и свойств. В результате армирования бетона волокнами существенно снижается возможность образования и раскрытия трещин, появляющихся в результате усадки в процессе твердения бетона и его последующей эксплуатации. Контроль процесса возникновения и развития трещин приводит к повышению несущей способности, долговечности и эксплуатационной надежности конструктивных элементов, а также к повышению способности к защите от проникновения газов и жидкостей в бетон, тем самым обеспечивая повышение коррозионной стойкости.

Следует отметить, что в настоящее время только металлическая фибра прочно заняла свои позиции в строительстве. Вместе с тем, отечественный и зарубежный опыт показывает, что сегодня одним из перспективных направлений в строительной индустрии является применение фибробетонных конструкций различного назначения, в которых все чаще используется инновационная синтетическая фибра. Таким образом, актуальность, научная и практическая значимость настоящей работы не вызывает сомнений.

1. ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ ФИБРЫ В БЕТОНЕ

Многочисленные исследования, проводимые в России и за рубежом, убедительно показывают, что дисперсное армирование теми или иными волокнами обеспечивает:

• улучшение механических характеристик бетонов: повышение трещино-, ударо- и износостойкости, прочности, в первую очередь на растяжение и изгиб;
• повышение эксплуатационной надежности конструкций, что выражается в стойкости к агрессивной среде за счет улучшения поровой структуры бетона;
• повышение экономичности в результате сокращения рабочих сечений конструкций, в ряде случаев уменьшения расхода или полного отказа от использования стержневой арматуры;
• возможность создания автоматизированных линий по выпуску различных видов фибробетонных изделий массового назначения.

При этом, масса полученной информации позволяет выделить основные закономерности, которые могут считаться общепризнанными:

• свойства фибробетона определяются видом и качеством применяемых волокон и бетона, их количественным соотношением и во многом зависят от состояния контактов на границе раздела фаз;
• существенное повышение прочностных характеристик композита по сравнению с исходным бетоном с сохранением достигнутого уровня во времени обеспечивается использованием высокотехнологичных волокон, химически устойчивых по отношению к матрице и с большим, чем у нее, модулем упругости;
• вид волокон, их относительная длина (l/d) и процентное содержание в смеси (μ) должны назначаться, исходя из требований к изделиям и конструкциям с учетом принятой технологии. Отступление от оптимальных значений указанных параметров в большую или меньшую сторону снижает эффективность дисперсного армирования;
• при оптимальных параметрах армирования введение волокон способствует улучшению структуры и свойств исходного бетона, повышению его стойкости и долговечности.

Одним из важных преимуществ фибробетона является высокая ударостойкость, благодаря которой этот композит находит широкое применение, например, при производстве забивных свай.

Известно, что применение свайных фундаментов взамен ленточных позволяет уменьшить объем земляных работ на 50-70 %, расход железобетона на 30 % и более, трудоемкость до 25 % и сметную стоимость до 30 %. Устройство свайных фундаментов, и, следовательно, изготовление свай, можно вести круглогодично без снижения темпов работ в зимних условиях. Однако отмеченный экономический эффект часто не достигается из-за многочисленных случаев преждевременного разрушения оголовков, а иногда и стволов, железобетонных свай, в результате чего они не могут быть погружены до проектных отметок, что приводит к снижению расчетных сопротивлений и надежности свайных фундаментов. Результаты обследования свайных полей в Санкт-Петербурге показали, что при погружении забивных свай в тяжелые и средние грунты около 30 % железобетонных свай не достигают проектных отметок, и более чем у 80 % свай приходится срезать головы и стволы перед устройством ростверка.

В свое время на основании проведенных исследований Фундаментпроект, ЦНИИпромзданий, НИИЖБ и ЛенЗНИИЭП разработали рабочие чертежи для широкой номенклатуры свай с применением сталефибробетона, а на Экспериментальном заводе (Санкт-Петербург) разработана промышленная технология и организовано первое в России производство сталефибробетонных свай.

Изготавливаемые ЗАО «Экспериментальный завод» сваи с применением сталефибробетона прошли широкую проверку в условиях реального строительства, в результате которой установлено, что они обладают высокой ударостойкостью, обеспечивающей бездефектное погружение до проектных отметок и возможность отказа от применения свай-дублеров. Новые сваи можно забивать на одинаковую глубину, что позволяет избежать срезки стволов перед устройством ростверка. Способность к восприятию значительной энергии удара сокращает время погружения свай до 50 %, повышает возможности сваебойного оборудования и производительность сваебойных работ. Таким образом, открывается возможность решения механической системы «молот-свая-грунт» с наилучшими технико-экономическими показателями (рис. 1.1) [1].

Рисунок 1.1 – Свайное поле из сталефибробетонных (вверху) и железобетонных свай

В то же время, исследования, проведённые в том числе и на базе СПбГАСУ, определили положительное влияние дисперсного армирования неметаллическими полимерными волокнами на стойкость фибробетона к ударным воздействиям. Установлено, что при концентрации армирующих волокон в объеме тяжелого бетона в пределах μ = 1-3 % применение низкомодульных полимерных волокон обеспечивает получение композита, не уступающего по ударостойкости сталефибробетону и при этом более экономичного. Тем не менее, утверждается, что с точки зрения значительного повышения ударостойкости бетона наиболее эффективны высокомодульные волокна [2].

Одновременно с этим, принимая во внимание наличие в Санкт-Петербурге сложных грунтов, считается целесообразным армировать волокнами не только оголовки забивных свай, но и основной ствол по всей их длине. Это связано с тем, что сваи в грунте, и особенно в зоне границ раздела грунтов, имеющих разную плотность и способных к подвижке, подвергаются воздействию изгибающих нагрузок и срезу. В процессе погружения зачастую происходит отклонение сваи от вертикального положения с возникновением эксцентриситета прилагаемой нагрузки, в связи с чем свая начинает работать в нештатных условиях, часто – за пределами допустимой нагрузки.

Согласно ГОСТ 19804-2012 к некоторым типам свай для зданий и сооружений I уровня ответственности предъявляются высокие требования по морозостойкости – вплоть до марок F600 – преимущественно для свай, работающих в условиях агрессивных сред. Использование дисперсного армирования может повысить марку бетона по морозостойкости без применения бетонов завышенных классов по прочности. Таким образом, при производстве забивных свай возможно использование как металлических, так и полимерных волокон – макро- и микросинтетической фибры для повышения их прочности, ударостойкости и морозостойкости [3, 4, 5].

Одной из проблем, с которой столкнулись строители при устройстве фундаментов на основе монолитных свай, например буронабивных, является вымывание цементного раствора из бетона грунтовыми водами, в том числе агрессивными, и сегрегация составляющих бетонную смесь компонентов в процессе бетонирования. В связи с этим, очевидна целесообразность применения фибрового армирования полимерными (синтетическими) волокнами для структурирования бетонной смеси, снижения её расслаиваемости и повышения сплошности структуры затвердевшего бетона.

Следующую группу эффективных фиброармированных изделий и конструкций составляют тонкостенные оболочки, несъёмная опалубка, элементы навесного вентилируемого фасада и др. [1, 6], которые требуют высоких показателей прочности на растяжение при изгибе для восприятия нагрузок в процессе монтажа, а также в процессе и после бетонирования основной конструкции. Класс бетона по прочности на сжатие для этих конструкций должен быть не менее B50, марка по морозостойкости F300, марка по водонепроницаемости W12. Такие высокие показатели могут быть достигнуты, благодаря применению дисперсного армирования, в том числе полимерной фиброй.

К тонкостенным конструкциям можно отнести также безнапорные и низконапорные трубы, кольца смотровых колодцев, использование фибробетона в которых позволило уменьшить толщину стенок, отказаться от арматурного каркаса и проблем с его правильной установкой, а также повысить прочность и трещиностойкость, сократив количество некондиционных изделий, разрушающихся в процессе разгрузки путём сбрасывания с кузова бортовых грузовиков. В СПбГАСУ разработана вибрационная технология сталефибробетонных безнапорных труб и низконапорных труб методом центрифугирования. При этом предложена новая схема формования центрифугированных труб, исключающая смещение фибр и обеспечивающая равномерное их распределение по сечению изделия. Результаты исследований были апробированы ПО «Вологдатяжстрой» при выпуске опытной партии труб диаметром 500 мм, длиной 5000 мм и толщиной стенок 30 мм. Армирование производилось фиброй из проволоки диаметром 0,5 мм в количестве 1 % от объема бетона. Анализ результатов исследований показал, что по сравнению с типовыми железобетонными трубами несущая способность сталефибробетонных труб безнапорных и низконапорных выше в 2 и 1,5 раза соответственно. НИИЖБ разработаны рабочие чертежи безнапорных сталефибробетонных труб диаметром 1000 и 1200 мм и длиной 3500 мм с уменьшенной на 10-15 % толщиной стенок. При технической помощи НИИЖБ организовано опытное производство сталефибробетонных труб методом радиального прессования ПО «Липецкстройиндустрия» [1]. При этом, опыт исследований, проведенных в последние годы, свидетельствуют о возможности достижения положительных результатов в данном направлении, благодаря применению дисперсного армирования бетона полимерной фиброй.

Представляет интерес применение сталефибробетона в кольцах водопроводных и канализационных сетей. НИИЖБ запроектированы кольца смотровых колодцев диаметром 1000 и 1500 мм с уменьшенной на 25 % толщиной стенки, в которых сетчатая арматура полностью заменяется стальной фиброй. Производство разработанных конструкций колец было организовано на Волховском КСК специалистами ПО «Железобетон» совместно с сотрудниками СПбГАСУ (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 – Первая очередь опытно-промышленного производства Волховского КСК

Для армирования колец используется фибра волнистого профиля из проволоки диаметром 0,5-0,7 мм, которая изготовляется этим предприятием, а также фибра из полипропилена. Испытания колец на прочность, морозостойкость и водонепроницаемость, проведенные НИИЖБ, показали, что они отвечают проектным требованиям. Применение фибробетонных колец позволяет резко снизить трудозатраты и материалоемкость конструкций, улучшить их качество и полностью устранить производственный брак.

Одним из перспективных направлений является применение фибробетона в конструкциях покрытий с безрулонной кровлей взамен традиционного железобетона с гидроизоляционным покрытием. НИИЖБ разработана конструкция складчатых панелей для зданий и сооружений различного назначения и отработана их технология на экспериментальной базе в пос. Некрасовка (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Крытый рынок из гнутоформованных сталефибробетонных элементов в пос. Некрасовка

Панели изготавливаются в специальных поддонах с паровой рубашкой методом погиба свежеотформованных плоских листов. После натяжения проволочной арматуры формуется плоский фибробетонный лист, затем благодаря шарнирному соединению борта формы поднимаются для образования складчатого сечения, после чего складчатая панель подвергается термообработке. Для армирования таких элементов может применяться как стальная, так и полипропиленовая фибра. Натурные испытания и опыт эксплуатации конструкций показали их высокую надежность. При этом резко снижаются расходы на изготовление, монтаж и эксплуатацию покрытий.

Эффективно применение фибробетона в преднапряженных ребристых плитах покрытий взамен типовых железобетонных размерами 3х6 и 3х12 м. ЦНИИпромзданий совместно с НИИЖБ были разработаны, изготовлены и испытаны на ПО «Баррикада» (Санкт-Петербург) опытные образцы плит из сталефибробетона размерами 3х6 м. В полке сталефибробетонных плит полностью отсутствует сетчатая арматура, а в продольных ребрах стержневая напрягаемая арматура сохранена в соответствии с типовым решением в железобетонном варианте, в поперечных ребрах имеется только по одному стержню с анкерами. Полка сталефибробетонной плиты уменьшена на 10 мм и составляет 20 мм против 30 мм в типовой плите. В плитах использовалась фибра из проволоки диаметром 0,5-0,8 мм, класс бетона аналогичен типовому решению. Результаты дальнейших исследований свидетельствуют о возможности и определенной эффективности применения для этой цели полипропиленовых и других синтетических волокон.

Монолитный фибробетон впервые был использован при устройстве днищ очистных сооружений и резервуара для технической воды. Применение сталефибробетона позволило исключить из конструкции днищ значительную часть стержневой арматуры, облегчить производство работ, снизить трудозатраты почти на 30 % и тем самым сократить сроки возведения сооружений. При строительстве днища резервуара на Северной водопроводной станции в Ленинграде сталефибробетонную смесь с расходом фибры, равным 1,5 % по объему, готовили на бетонном узле ЗЖБИ и доставляли на строительную площадку автосамосвалами. Качество смеси после транспортирования было вполне удовлетворительным, расслоения бетона не наблюдалось, фибра в бетоне распределялась равномерно. В дальнейшем ЦНИИпромзданий были разработаны конструктивные решения монолитных днищ из стале- и стеклофибробетона для емкостных сооружений широкой номенклатуры [1].

В СПбГАСУ разработан состав фибробетона, армированного синтетическими волокнами, предназначенный для изготовления сборных декоративных элементов и изделий малых архитектурных форм с применением немедленной распалубки. При средней плотности 1300-1400 кг/м³ легкий фибробетон характеризуется пределом прочности при сжатии до 35-40 МПа, маркой по морозостойкости до F300-F400 и маркой по водонепроницаемости до W10-W16. Композит с указанными характеристиками успешно применяется для производства легких, прочных и долговечных облицовочной плитки и декоративного камня, а также используется в монолитном варианте при выполнении реставрационных работ [1, 5].

Разработка дорожных бетонов на основе портландцемента за рубежом (в основном, в США, Великобритании и Германии) с переменным успехом продолжается с конца XIX века. С середины 50-х гг. на территории США возведение бетонных дорог с применением портландцемента, в качестве вяжущего, было внедрено почти во всех штатах [7, 8]. В это же время была разработана технология слипформинга – непрерывного безопалубочного формования дорожных плит. Опыт эксплуатации покрытий автодорог из бетона на отечественных объектах, а также анализ зарубежного опыта показывает, что при правильном проектировании состава и производстве бетонных работ долговечность таких  покрытий значительно выше, чем у асфальтобетона: выше стойкость к истирающему воздействию (от автомобильных шин, в большей степени – от шипованных) и морозостойкость, не образуется колея при высоких температурах. В то же время дороги из цементного бетона имеют и недостатки, главными из которых являются разрушение поперечных температурных швов и образование множественных трещин, обусловленных недостаточной прочностью бетона на растяжение при изгибе. Еще одним негативным фактором является вредное цементное пыление, образовавшейся в результате истирающего воздействия автомобильных покрышек, в связи с чем требуется разработка мер по повышению стойкости дорожных бетонов к истиранию. Исследования, проведённые на кафедре ТСМиМ СПбГАСУ показали, что макросинтетическая фибра способствует повышению стойкости фибробетона к истирающему воздействию на 20-25 %, однако не оказывает существенного влияния на морозостойкость композита. Микросинтетическая фибра из-за своей недостаточной длины и слабого сцепления с матрицей в меньшей степени способствует снижению истираемости, однако, располагаясь на микроуровне, структурируя матрицу и создавая в ней сетку замкнутых пор, благоприятно влияет на морозостойкость фибробетонов и увеличивает количество циклов замораживания-оттаивания в 1,5-2 раза [3, 4, 9-16]. Отмеченное выше свойство повышения стойкости к ударным воздействиям (с одновременным повышением истираемости) позволило разработать аэродромные плиты ПАГ с верхним слоем из фибробетона, обеспечив их повышенную долговечность в условиях сочетания агрессивного воздействия противогололёдных реагентов, ударного воздействия шасси самолётов при приземлении, истирания от покрышек и попеременного замораживания и оттаивания.

Аналогичным нагрузкам подвергаются плиты трамвайных путей. В НИИЖБ совместно с Академией коммунального хозяйства проводились исследования сталефибробетонных плит трамвайных путей. Исследовались плиты размерами 1730х680х120 мм, изготовленные по вибрационной технологии и методом роликового формования. Армирование плит, изготовленных по вибрационной технологии, предусматривалось в двух вариантах – фибровое и комбинированное. При первом варианте армирование осуществлялось фиброй из проволоки диаметром 0,5 мм и длиной 50 мм в количестве 1,25 % по объему, а во втором варианте – фиброй и сеткой из стержневой арматуры в нижнем слое. Плиты изготавливали из мелкозернистого бетона класса В30 с пластифицирующими добавками. Плиты испытывали по балочной схеме и доводили до разрушения. Испытания плит показали, что проектным требованиям отвечают лишь плиты с комбинированным армированием. При этом дисперсное армирование верхнего слоя плит повышает их износостойкость, ударную вязкость и морозостойкость, в результате чего срок службы может увеличиваться почти в 2 раза. Целесообразно плиты с комбинированным армированием изготавливать методом роликового формования, позволяющего получать бетон более плотной структуры, способствующей увеличению срока эксплуатации плит [1]. Учитывая условия работы указанных конструкций, замена металлической фибры на полимерную представляется весьма плодотворной. При этом следует помнить о том, что требования, предъявляемые к данным конструкциям, не могут быть нижеизложенных в п. Б.2 ГОСТ 26633 и должны определяться в соответствии с проектной документацией [17].

После нескольких разрушительных пожаров в зарубежных тоннелях (к примеру, пожар в тоннеле под г. Монблан на границе Франции и Италии в 1999 году) активизировалась разработка составов дисперсно армированных бетонов для устройства тоннельной обделки. Результатом стало создание цементных композитов на основе микросинтетической фибры, которые могут применяться как для сборных конструкций (тюбингов), так и монолитной обделки методом набрызга (торкрет-бетон). Зарубежные исследователи выдвинули гипотезу, согласно которой наиболее опасным фактором при нагревании бетона является его взрывное разрушение. При пожаре вода мгновенно переходит в пар и расширяется, тем самым вызывая «отстрелы» кусков поверхностного слоя бетона и ослабляя конструкции, оголяя рабочую стержневую арматуру, теряющую свои прочностные свойства под воздействием высокой температуры. Введение микросинтетической фибры позволяет не допустить взрывного разрушения. Механизм этого воздействия, следующий: фибра под воздействием высокой температуры плавится, образуя сетку сообщающихся пор. Испаряющаяся вода свободно выходит через поры, не вызывая резкого скачка давления на их стенки, являющегося первопричиной взрывного разрушения тоннельной обделки. Для железобетонных колонн предел огнестойкости обычно находится в пределах R90-R150, для стен – R80-R280 (в зависимости от толщины) [18].

Еще одной весьма эффективной и интересной областью применения фибробетона являются малые архитектурные формы – павильоны, навесы, цветочные вазы и другие элементы благоустройства. НИИЖБ совместно с КТБ НИИЖБ разработали пространственные конструкции сводов и оболочек из сталефибробетонных ромбических элементов. Ромбические элементы изготавливаются погибом свежеотформованного плоского листа на гибкой опалубке, которая представляет собой развертку криволинейного элемента. В Московской области построены рыночный и остановочный павильоны с применением таких конструкций. Сборные ромбические элементы размерами 3300х6500 мм изготавливали из мелкозернистого бетона класса В20, армированного стальной фиброй из проволоки диаметром 0,5 мм и длиной 50 мм и стержневой арматурой диаметром 10 мм класса А-ІІІ, располагаемой в контурных ребрах. Толщина поля ромбического элемента составляет 20 мм, сечение контурного ребра 100х150 мм. Из двух типов ромбических элементов могут быть собраны своды различного пролета и оболочки различного очертания.

Учитывая высокую технологичность фибробетона, разработано техническое решение, согласно которому подобные элементы изготавливаются методом пневмонабрызга. По рекомендации и при технической помощи СПбГАСУ, данная технология была применена в Санкт-Петербурге для изготовления «кронштейнов» и другой отделочной фурнитуры на фасадах Смольного собора в период его последней реставрации. При этом, в качестве конструкционного материала использовался фибробетон с комбинацией фибр из нержавеющей стали и щелочестойких стеклянных волокон.

Перспективным материалом для ограждающих конструкций и теплоизоляционных изделий является ячеистый фибробетон неавтоклавного твердения. Результаты исследований, проведенных в этом направлении, использованы Изоляционно-сварочным заводом (Санкт-Петербург) при выпуске опытно промышленных партий стальных труб для прокладки тепловых сетей с изоляцией из фибропенобетона, а также при организации производства строительных материалов ООО «Красное» и ЗАО «Фиброн», освоивших серийный выпуск изделий из бетонов, армированных синтетическими волокнами. В настоящее время фибропенобетонные плиты, обладающие повышенной прочностью, ударостойкостью, необходимыми тепло- и звукоизоляционными свойствами, успешно применяются для возведения межкомнатных и межквартирных перегородок, а также в многослойных конструкциях наружных стен зданий и сооружений (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 – Применение фибробетонных перегородок в Санкт-Петербурге

Из плотного бетона, в котором синтетическая фибра служит для увеличения ударо- и морозостойкости, снижения усадочных трещин, изготавливаются элементы сборных ограждений и изделия малых архитектурных форм с применением немедленной распалубки.

Таким образом, приведенные и другие примеры, а также анализ состояния и перспектив развития строительной индустрии России показывает, что многопрофильное применение фибробетонных конструкций позволяет получить значительный народно-хозяйственный эффект. Тем не менее, несмотря на значительный рост объёмов потребления фибры российским строительным рынком в последние годы, потенциал фибробетона по-прежнему остается недооценённым.

В Европе ежегодно производят и потребляют около 300 тыс. т фибры, тогда как в России – всего около 7 тыс. т. В то время как в европейских странах этот материал используют в разнообразных областях (в гражданском, дорожном строительстве, строительстве гидросооружений, тоннелей, аэропортов), в России до 90 % – это верхний слой промышленных полов.

Данный вид армирования в нашей стране постоянно сталкивается с одной и той же проблемой – отсутствием внятной нормативной и технической базы, инструкций по расчёту и применению тех или иных видов фибры, и, как следствие, невозможностью применения данного материала для армирования бетонных и железобетонных конструкций различного назначения в массовом строительстве.

Уместно еще раз отметить, что свойства дисперсно-армированного бетона значительно зависят от свойств армирующих волокон (состав, длина, диаметр) и их расхода [19]. В области разработок дисперсно-армированных бетонов проведено много исследований, но, несомненно, требуется дальнейшеее изучение вопроса использования синтетических макро- и микроволокон, имеющих определенные перспективы. Необходимо установить влияние синтетического макро- и микроволокна на характеристики различных бетонов. В литературе, посвященной дисперсному армированию, этому вопросу уделено недостаточно внимания.

Исходя из этого, целью настоящей работы является изучение влияния полимерной фибры производства «Руссеал» на формирование свойств тяжелого бетона и определение условий и правил ее эффективного применения при строительстве зданий и сооружений различного назначения.

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ИСХОДНОГО БЕТОНА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИБРОБЕТОННЫХ ОБРАЗЦОВ

Результатом разработки состава бетона должно стать такое соотношение между исходными составляющими, при котором будет достигнута прочность бетона и его другие заданные свойства, необходимая подвижность бетонной смеси и экономичность.

Процесс определения номинального состава бетона включает следующие этапы:

• выбор и определение характеристик исходных материалов для бетона;
• расчет начального состава;
• расчет дополнительных составов бетона с параметрами, отличающимися от принятых в начальном составе в большую и меньшую сторону;
• изготовление пробных замесов начального и дополнительных составов, отбор проб, испытание бетонной смеси, изготовление образцов и их испытание по всем нормируемым показателям качества;
• обработка полученных результатов с установлением зависимостей, отражающих влияние параметров состава на нормируемые показатели качества бетонной смеси и бетона и предназначенных для назначения номинального, а также назначения и корректировки рабочих составов бетона;
• назначение номинального состава бетона, обеспечивающего получение бетонной смеси и бетона требуемого качества при минимальном расходе вяжущего.

2.1. Выбор исходных компонентов для проведения исследований

Заполнители

Дисперсно-армированные бетоны могут производиться как на основе мелкозернистой матрицы, так и обычного тяжёлого бетона с крупным заполнителем. Выбор исходного бетона определяется, исходя из вида конструкций и условий их работы.

Фибробетоны на основе мелкозернистой матрицы преимущественно используются в тонкостенных конструкциях, бетонных полах промышленных и общественных зданий, конструкциях из торкрет-бетонов. Применяемые в данном случае мелкие заполнители следует выбирать таким образом, чтобы их характеристики удовлетворяли требованиям п. 4.7. ГОСТ 26633 в зависимости от проектного класса бетона. В мелкозернистой матрице наблюдается наилучшее распределение волокон по объёму, как макро- так и микросинтетических. Волокна могут применяться совместно с песками различной природы и гранулометрического состава. Роль синтетических волокон заключается в структурировании бетонной смеси и упрочнении композита путём увеличения числа и протяженности границ раздела между упрочнителем и цементным тестом в смеси и, соответственно, между упрочнителем и цементным камнем в готовом фибробетоне.

Матрица, в составе которой имеется крупный заполнитель, используется для получения фибробетона в конструкциях, которые при армировании традиционной арматурой производятся из тяжёлого бетона: сваях, ригелях, фермах, дорожных и аэродромных плитах, плитах трамвайных путей и т.д. Требования к крупному заполнителю изложены в ГОСТ 26633 и нормативно-технической документации на конкретные виды строительной продукции. В большинстве изделий и конструкций верхняя граница крупности заполнителя устанавливается на уровне 20, реже 40 мм. При больших значениях наибольшей крупности зерен эффективность от введения синтетической фибры снижается.

Таким образом, в качестве крупного и мелкого заполнителей могут применяться материалы, удовлетворяющие требованиям действующей нормативно-технической документации на конкретные виды продукции, в том числе и местные материалы при соответствующем технико-экономическом обосновании целесообразности их применения. Общими для всех заполнителей являются требования ГОСТ 26633:

• содержание пылевидных и глинистых частиц в мелком заполнителе не должно быть более 3 % по массе;

• содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм в крупном заполнителе не должно превышать 35 % массы;

• при проектных требованиях к бетону марки по морозостойкости F₁200 (F₂100) и выше должен применяться крупный заполнитель из изверженных и метаморфических пород с водопоглощением не более 1 %, из осадочных пород – с водопоглощением не более 2,5 %;

• марка по морозостойкости крупного заполнителя в зависимости от температуры эксплуатации конструкций и изделий, кроме покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов, заглубленных конструкций бетонных подготовок и фундаментов, гидротехнических сооружений,  должна быть не ниже указанной в табл. 3 ГОСТ 26633;

• содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне из изверженных и метаморфических пород, щебне из гравия и в гравии для бетонов классов по прочности на сжатие В25 и выше не должно превышать 1 % массы. Содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне из осадочных пород для бетонов класса В25 и выше не должно превышать 2 % массы [17].

Учитывая вышеизложенное, в данной работе применялись следующие виды заполнителей:

• содержание пылевидных и глинистых частиц в мелком заполнителе не должно быть более 3 % по массе;
• содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм в крупном заполнителе не должно превышать 35 % массы;
• при проектных требованиях к бетону марки по морозостойкости F₁200 (F₂100) и выше должен применяться крупный заполнитель из изверженных и метаморфических пород с водопоглощением не более 1 %, из осадочных пород – с водопоглощением не более 2,5 %;
• марка по морозостойкости крупного заполнителя в зависимости от температуры эксплуатации конструкций и изделий, кроме покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов, заглубленных конструкций бетонных подготовок и фундаментов, гидротехнических сооружений,  должна быть не ниже указанной в табл. 3 ГОСТ 26633;
• содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне из изверженных и метаморфических пород, щебне из гравия и в гравии для бетонов классов по прочности на сжатие В25 и выше не должно превышать 1 % массы. Содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне из осадочных пород для бетонов класса В25 и выше не должно превышать 2 % массы [17].

Учитывая вышеизложенное, в данной работе применялись следующие виды заполнителей:

• песок карьерный, M_кр = 2,2, насыпной плотностью 1480 кг/м³, истинной плотностью 2650 кг/м³, водопотребностью 6 % с содержанием пылевидных и глинистых частиц 0,3 %;
• щебень гранитный фракции 5-20 мм, истинной плотностью 2650 кг/м³, насыпной плотностью 1400 кг/м³ с содержанием зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм 12 %, с водопоглощением 0,17 %.

Цемент

Для дисперсно-армированных бетонов в качестве вяжущего вещества обычно применяют портландцементы класса не ниже ЦЕМ II 32,5.

Специфических требований к минеральному составу портландцемента для конструкций промышленного и гражданского назначения не предъявляется ввиду высокой химической стойкости синтетических волокон.

В данной работе в качестве вяжущего вещества применялся портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства «HeidelbergCement» (ОАО "Сланцевский цементный завод "Цесла") со следующими характеристиками:

– Прочность на сжатие в возрасте 2 суток:                        24,3 МПа

– Прочность на растяжение при изгибе в возрасте 2 суток:       4,6 МПа

– Удельная поверхность по Блейну:                                    349 м²/кг

– Начало схватывания:                                                          215 мин

– Нормальная густота цементного теста:                            25,2 %

Минеральный состав клинкера:

– C₃S                                                                                     64,2 %

– C₃A                                                                                    6,4 %

– C₄AF + C₃A                                                                       17,7 %

        Добавки

Опыт показывает, что для получения фибробетонов высокого качества и более полной реализации технического потенциала армирующего волокна следует применять супер- и гиперпластифицирующие добавки последнего поколения на основе эфиров поликарбоксилатов. Для улучшения прочностных и деформативных показателей матрицы, формирования бездефектной микроструктуры цементного камня, снижения расхода воды затворения, оптимизации состава и, как следствие, уменьшения стоимости сырьевой смеси, рекомендуется проводить модификацию пластифицирующих добавок наноструктурирующим компонентом фуллероидного типа [20-22].

Применяемые добавки должны удовлетворять требованиям действующей нормативно-технической и проектной документации. При этом обязательным условием при выборе химических добавок для фибробетонов, армированных синтетическими волокнами является их химическая нейтральность к фибре, т.е. добавки не должны взаимодействовать с волокнами или приводить к их коррозии и другим негативным эффектам.

С учетом данных рекомендаций в настоящей работе использована пластифицирующая добавка – суперпластификатор «Макромер П-17» (наномодифицированный).

Армирующие волокна

В соответствии с заданием, в настоящей работе в качестве дисперсной арматуры использовались синтетические волокна производства «Руссеал», вид и характеристики которых приводятся ниже:

- синтетическая микрофибра производства «Руссеал» RS (рис. 2.1-2.2).

Рисунок 2.1 – Синтетические микроволокна. Общий вид под микроскопом

Рисунок 2.2 – Фотография синтетического микроволокна на микрометрической калибровочной линейке

Отличительной особенностью микроволокон производства «Руссеал» RS является наличие на их поверхности заметного количества замасливателя (вероятно, сопутствующей производству технологической смазки).

Таблица 2.1 – Технические характеристики синтетического микроволокна RS (данные производителя)

- синтетическая макрофибра производства «Руссеал» RS Macro Wave (рис. 2.3-2.6).

Синтетическая макрофибра производства Macro Wave в поперечном сечении представляют собой «гантелю», через каждые 2 мм в направлении, перпендикулярном продольной оси волокна, термомеханическим способом нанесены насечки, причём в каждой насечке производится излом волокна таким образом, что при взгляде на волокно в профиль, видна его зигзагообразная форма. Отмечено, что волокна довольно жёсткие, не склонны к деформациям и «наматыванию» на лопасти смесителя в процессе перемешивании и укладки.

Рисунок 2.3 – Синтетическая макрофибра. Общий вид

Рисунок 2.4 – Макроволокна. Общий вид под микроскопом

Рисунок 2.5 – Синтетическая макрофибра. Поперечное сечение под микроскопом

Рисунок 2.6 – Фотография синтетического макроволокна на микрометрической калибровочной линейке

Таблица 2.2 – Технические характеристики синтетического макроволокна RS Macro Wave (данные производителя)