Авторы статьи: Марочкин О.А., к.т.н., руководитель направления, Марочкин С.А., индивидуальный предприниматель
В настоящее время, с целью увеличения прочностных характеристик бетона, используемого в строительстве, в том числе при отделочных работах, применяют металлические (стальфибра) и синтетические армирующие элементы (фиброволокна). Необходимость в таких элементах обусловлена повышенными требованиями к прочности конструкций, высокой хрупкостью и низким сопротивлением на разрыв традиционного бетонного состава без армирующих элементов.
Основными материалами для изготовления фиброволокна (фибры) являются: металл, полипропилен, полиамиды, асбест, карбон, полиэфиры, полиэтилен, базальт, акрил и стекловолокно.
Бетоны, включающие в состав металлическую фибру (сталефибробетоны) могут быть применены при изготовлении промышленных полов, подвесных панелей, подвальных стен, свай, бесшовных полов, а также при обустройстве фундаментов, уличных и опорных панелей. Кроме этого, сталефибробетоны могут применяться для изготовления плит пролетных строений мостов [1]. Требования к стальной фибре регламентированы ГОСТ-ами на элементы, из которых она изготавливается. Преимуществами сталефибробетона являются: повышение надежности конструкций, снижение трудозатрат на арматурные работы и экономия строительных материалов за счет сокращения или полного отсутствия стержневой арматуры в готовой конструкции. Недостатками сталефибробетона являются: недостаточная сцепляемость фибры с бетонным массивом, высокий вес изделия, высокая стоимость изготовления стальной фибры и низкая стойкость к щелочам и коррозии. Так же, стальная фибра подвержена эрозии, что приводит к выходу стальных элементов на поверхность конструкции и может угрожать безопасности объектов, взаимодействующих с поверхностью.
Полипропиленовая фибра способна значительно снизить риск трещинообразования, повышает ударную и усталостную прочность, прочность при изгибе и растяжении, препятствует расслаиванию бетонной смеси, увеличивает морозостойкость и водонепроницаемость, уменьшает истираемость и улучшает качество поверхности изделия. Кроме этого, полипропиленовая фибра обладает высокой стойкостью к воздействию щелочей и не подвержена коррозии.
Британский (Европейский) стандарт [2] в зависимости от физической формы подразделяет полимерные волокна на два основных класса: класс I — микро волокна (монофиламентные и фибриллированные) с диаметром менее 0,3 мм и класс II — макро волокна с диаметром более 0,3 мм. Микроволокна могут быть использованы для увеличения сопротивления ударной нагрузке, уменьшения расслаивания, уменьшения риска трещинообразования (пластической усадки), увеличения огнестойкости и пожаробезопасности. Однако, такие волокна не могут быть использованы в качестве армирующих элементов и в конструкции обязательно должны присутствовать стержневые элементы и/или сварная сетка.
Структурные макроволокна (класс II) могут быть использованы для замены металлической сетки с целью увеличения прочности при растяжении и изгибе и уменьшения трещинообразования. Макроволокна также применяют в составе торкрет (набрызг) бетонов, что уменьшает отскок смеси от поверхности (экономия за счет уменьшения расхода смеси), улучшает адгезию и снижает расслоение смеси.
Как правило, волокна, обладающие вышеуказанными свойствами изготавливаются из первичного 100% высокоориентированного или направленного полиэтилена, поэтому стоимость такого волокна в настоящее время высокая.
Недостатки фиброволокон из полипропилена и других полимеров: низкий модуль упругости (3500 МПа), низкая температурная стойкость (температура плавления 160 °С, температура воспламенения — 320 °С).
Существенным недостатком полимерных фиброволокон, производимых в настоящее время (на территории РФ) является большой разброс по качеству исходного сырья у различных производителей, вследствие чего установить четкие границы физических характеристик (разрывная нагрузка, коэффициент удлинения волокна, ударопрочность) не представляется возможным, так как определить реальную разрывную нагрузку полипропиленового волокна затруднительно, а производители дают весьма противоречивые значения, в большинстве случаев значительно завышая реальные показатели качества волокна, при отсутствии ТУ, протоколов испытаний и сертификатов.
Фибра, изготавливаемая из неорганического стекловолокна (стеклофибра) обладает высокими прочностными характеристиками. Бетонные растворы с добавлением стеклофибры и композитов на ее основе применяют для создания пенобетонов, ячеистых и газобетонов, в стяжках и стеновых панелей, в сухих и штукатурных смесях. Следует учесть, что не все марки стекловолокна обладают устойчивостью к щелочам. Требования к стеклофиброволокну регламентированы [3].
Углеродная фибра, состоящая из волокон, получаемых из углерода посредством его термической обработки обладает повышенными прочностными характеристиками, низким коэффициентам удлинения и высокой стойкостью к агрессивным средам. Однако, стоимость такой фибры очень высока — от 1000 руб./кг.
Базальтовая фибра, кроме свойств, характерных для фиброволокон из первичного 100% полиэтилена обладает экологической чистотой и абсолютной негорючестью. Благодаря природному происхождению, отсутствует разброс по показателям качества у различных производителей, в сравнении с синтетическими волокнами. При этом, стоимость базальтового волокна приближена к стоимости стекловолокна и в 4-5 раз ниже стоимости фибры из первичного полиэтилена. Область применения базальтовой фибры: при производстве пено и полистиролбетона, при заливке полов, изготовлении стяжек и фундаментов под опалубку.
Сравнительные характеристики фибробетонов [4], получаемых с добавлением рассмотренных материалов приведены в таблице 1
| Материал/вид фибры | Характеристики | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Прочность на растяжение, МПа | Модуль упругости, ГПа | Удлинение при разрыве, % | Расход фибры на 1 м3 бетонной смеси, кг | Стоимость 1 кг фибры, руб. | |
| Сталь | 600…1500 | 190 | 3…4 | 40…120 | от 52 |
| Полипропилен 100%:Микроволокно | 300…600 | 4 | 150…250 | 0,3…1,8 | от 165 |
| Полипропилен 100%:Макроволокно | 600 | 4 | 15…250 | 2,0…6,0 | от 500 |
| Полипропилен (композитный) | 400…770 | 3,5…8,0 | 150…200 | 0,3…10,0 | от 120 |
| Стекловолокно | 845…1000 | 70 | 1,5…3,5 | 0,6…1,2 | от 200 |
| Углерод | 2000 | 245 | 1,0 | 0,3…0,6 | от 1000 |
| Базальт | 1500…2850 | 21 | 200 | 0,6…2,7 | от 151 |
Область эффективного использования материалов для изготовления фибробетонов показана на рисунке 1
Рисунок 1 — Область эффективного применения материалов в строительстве
Данные исследований [5] физико-механических свойств цементных блоков с дисперсным армированием фибрами из различных материалов показаны на рисунке 2.
Рисунок 2 — Зависимость ударной выносливости бетона от объемной концентрации различных видов фибры.
Таким образом, наиболее перспективным направлением в развитии производства фибробетона и строительных смесей с добавлением фибры является снижение стоимости исходного сырья и снижение затрат на изготовление фибры при улучшении предельных характеристик (максимального напряжения на разрыв, модуля упругости волокна, ударной вязкости готового изделия) существующих решений. Так же, для значительного уменьшения максимального растяжения на разрыв, требуется разработать совершенно новую конфигурацию волокон. В случае со стале-, стекло-, угле-, бальзатовой фибры сделать это не представляется возможным (из-за невозможности снизить стоимость исходного первичного сырья и значительно упростить технологический процесс изготовления фибры из этих материалов). Для полимерной спиралевидной фибры задача снижения себестоимости при расширении области применения, улучшении физических свойств готового продукта, может быть решена за счет:
Получаемая при этом спиралевидная фибра обладает следующими характеристиками:
- Твердостью и временным сопротивлением на разрыв, сопоставимыми со сталью;
- Легким весом в сравнении со сталью (в 1 кг большее количество фибры);
- Экономичностью расхода из расчета 1 кг на м2.
Внешний вид полученной универсальной спиралевидной фибры сечением 2-4 мм2 и длиной 25-30 мм показан на рисунке 3.
Рисунок 3 — Внешний вид полученной спиралевидной фибры
Список используемой литературы
- ГОСТ Р 52751-2007 Плиты из сталефибробетона для пролетных строений мостов. Технические условия
- BS EN 14889, «Волокна для бетона, часть 2»
- ВСН 56-97 Проектирование и основные положения технологий производства фибробетонных конструкций
- Дисперсноармированные бетоны. М. — Стройиздат, 1989 г. Авт. Рабинович Ф. М.
- Парфенов Александр Владимирович. Ударная выносливость бетонов на основе стальной и синтетической фибры / автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук.
