ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФИБРОБЕТОНА КАК СОВРЕМЕННОГО СТРОИТЕЛЬНОГО КОМПОЗИТА

Во все времена прогресс в любой отрасли промышленности основывался на применении конструкционных материалов прочных, долговечных, удобных в работе и экономичных. В строительстве такими материалами являются бетон и железобетон, которые, благодаря своим замечательным свойствам, прочно удерживают главенствующее положение в течение длительного времени. Вместе с тем, ряд существенных недостатков этих материалов побуждает к дальнейшему совершенствованию их физико-механических характеристик и созданию новых эффективных материалов на их основе. В числе таких недостатков может быть названа невысокая прочность бетона на растяжение, составляющая 1/10…1/5 часть прочности на сжатие, что вызывает необходимость усиления растянутых зон конструкций стальными стержнями и сетками. Кроме того, 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 объема 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 дисперсно-армированных бетонов-композитов, в которых собраны воедино лучшие качества различных составляющих.

1.1. Состояние и перспективы производства дисперсно армированных бетонов

В настоящее время понятие “дисперсно-армированные бетоны” объединяет довольно широкий класс материалов на основе неорганических связующих (цементных, гипсовых, магнезиальных, фосфатных, керамических и др.), отличающихся по составу, свойствам, способам изготовления и назначению. Однако особое место и популярность в этой группе материалов принадлежит цементным композитам, и в частности, хорошо изученным и широко применяемым асбесто- и армоцементу, а также фибробетону, который является предметом интенсивных исследований.

В общем случае фибробетоном называют композиционный материал, состоящий из цементной (плотной или поризованной, с заполнителем или без него) матрицы с равномерным или заданным распределением по ее объему ориентированных или хаотично расположенных дискретных волокон (фибр) различного происхождения.

Следует отметить, что процесс становления и развития фибробетона был хотя и поступательным, но весьма неравномерным. Первые сведения о нем в технической литературе относятся к началу века и связаны с именем русского инженера В.П.Некрасова, результаты исследований которого были опубликованы в журнале “Зодчий” (1908 г.) и более подробно изложены в монографии “Метод косвенного вооружения бетона” (1925 г.). В тот же период выводы В.П.Некрасова о перспективности упрочнения бетона отрезками стальной проволоки нашли подтверждение в ряде работ зарубежных исследователей [151, 149, 138, 152, 148, 150 ], которые, однако, носили единичный характер, так как научно-технические силы всех стран были направлены на изучение и расширение использования железобетона, возможности которого в то время представлялись безграничными. В начале 30-х годов рост скоростей в авиации, колесных нагрузок и интенсивности движения по автострадам повысили требования к конструкциям и материалам дорожных и аэродромных покрытий. Железобетон, в своем обычном исполнении, не удовлетворял новых условий прочности, износо-, ударо- и трещиностойкости, и тогда, параллельно с совершенствованием традиционного стержневого армирования, впервые начали искать альтернативу в фибробетоне. В странах Европы и в США были построены и сданы в эксплуатацию экспериментальные участки объектов инженерного строительства из сталефибробетона:

- рулежная дорожка в аэропорту Хитроу, протяженностью 200м (Англия, 1936 г.);

- участок автодороги в штате Айова, длиной около 1 км, и покрытие пола прессового цеха на одном из заводов Форда (США, 1938 г.).

Во всех случаях для дисперсного армирования применяли отрезки стальной проволоки диаметром 0,3…0,8 мм и длиной 20…60мм, а процесс приготовления и укладки смесей был сопряжен с высокой долей ручного труда.

В этих условиях еще раз возобладал приоритет российской науки и практики: в целях повышения ударо- и износостойкости полов промышленных зданий в качестве упрочнителя бетона была использована более технологичная, по сравнению с проволокой, стальная стружка, получаемая на основе отходов фрезерования металла, подвергнутых специальной обработке. Однако это техническое решение не было защищено надлежащим образом и поэтому осталось незамеченным.

Выполненные работы, хотя и продемонстрировали возможности фибробетона, не привели к созданию промышленной технологии подобных материалов, и постепенно, с развитием цементной промышленности, совершенствованием способов изготовления бетонных изделий и, особенно, с успешным распространением предварительного напряжения, идеи дисперсного армирования были вытеснены из технологии бетона.

Однако в 60-е годы фибробетон вновь привлек к себе внимание специалистов во всем мире, что было обусловлено, во-первых, необходимостью внедрения в практику строительства новых эффективных конструкций, в том числе сложной геометрической формы и тонкостенных, с высокой трещиностойкостью, сопротивляемостью ударным и знакопеременным нагрузкам, а во-вторых, появлением различных видов волокнистых материалов, восполняющих существовавший до того времени дефицит дисперсной арматуры. В результате серии экспериментов, предпринятых украинскими, а затем, американскими исследователями, было установлено, что в присутствии достаточного количества стеклянных или стальных волокон в бетоне, коренным образом изменяется его поведение в условиях приложения растягивающей нагрузки, существенно улучшаются прочностные и деформативные характеристики материала. Возникший интерес, естественно, потребовал большого объема экспериментальной информации, накопление которой вскоре приобрело лавинообразный характер. Все чаще значительные усилия и инвестиции многих предприятий во всем мире стали привлекаться для исследований и опытных работ в области фибробетона. Благодаря этому, в настоящее время зарегистрировано огромное количество результатов испытаний, позволяющих судить о влиянии вида и количества добавляемых волокон, их геометрических и физико-механических характеристик, а также способов изготовления конструкций на свойства и долговечность получаемого материала. Более ста фирм в Европе, США и Японии используют фибробетон для ремонта и реконструкции дорожных и аэродромных покрытий, в гидротехнических сооружениях и подземном строительстве, при производстве тонкостенных конструкций, огнеупорных футеровок и т.д.

В России практическое применение фибробетона началось в середине 70-х годов, и, буквально, первый опыт оказался удачным. При строительстве очистных сооружений на острове Белом (Ленинград) возникли трудности с устройством свайного основания цеха обезвоживания осадка: лишь одна из шести железобетонных свай достигала проектной отметки из-за преждевременного разрушения оголовков, и работы пришлось приостановить. В этой ситуации трестом “Леноргинжстрой” и ЛенЗНИИЭПом была разработана конструкция ударопрочной железобетонной сваи со сталефибробетонным оголовком, и проблема была решена, а полученные в ходе выполнения работы результаты послужила началом широкомасштабного использования дисперсно-армированного бетона в фундаментостроении и основанием для составления институтами ЦНИИпримзданий, ЛенЗНИИЭП, Фундаментпроект и др. альбома чертежей “Сваи с применением сталефибробетона”.

В последующие годы рядом отраслевых НИИ в содружестве с ведущими ВУЗами и строительными организациями сначала в порядке собственной инициативы, а затем в рамках целевой программы Госстроя 0.55.16.034 “Разработать и внедрить эффективные конструкции из фибробетона”, выполнен значительный объем рабом по проектированию и опытному внедрению широкого спектра конструкций с применением дисперсно-армированных бетонов (табл. 1.1).

Таблица 1.1.

Опыт применения фибробетона

Следует отметить, что наряду с указанными конструкциями получили апробацию и способы изготовления фибробетонов, которые позволяют применять, кроме традиционного виброформования, такие эффективные приемы, как раздельную укладку, торкретирование, погиб свежеотформованных плоских заготовок, прессование, пневмонабрызг, роликовую обкатку и другие.

Параллельно с этим решались вопросы получения самой фибры, отсутствие которой в промышленных объемах существенно сдерживает широкое и повсеместное применение дисперсно-армированных бетонов. Долгое время единственным способом заготовки стальных фибр являлась рубка проволоки с одновременным изменением ее формы и поверхности (Ленинград, Магнитогорск). В последние годы созданы опытные установки по изготовлению фибры из отработанных стальных канатов (Караганда, Ленинград), рубленой из листа и строганной из сляба (Челябинск, Ленинград). При этом, есть основания считать, что по своим технико-экономическим показателям фибра в виде стружки может составить серьезную конкуренцию стальным волокнам, изготавливаемым другими способами.

В числе перспективных неметаллических волокон следует отметить фибру из щелочестойкого стекловолокнистого ровинга (ГИС), базальтового волокна (НИИСК) и синтетических волокон (ЛИСИ).

Накопленный опыт позволил НИИЖБу совместно с другими организациями-участницами Программы разработать “Рекомендации по проектированию и изготовлению сталефибробетонных конструкций”, основные положения которых согласованы с требованиями СН 366-77 “Инструкция по проектированию армоцементных конструкций” и СНиП П-21-75 “Нормы проектирования. Бетонные и железобетонные конструкции” с учетом особенностей дисперсного армирования – дискретности и разнонаправленности волокон.

Наконец, в числе важнейших мероприятий следует назвать создание, усилиями специалистов треста №61 “Железобетон” и ЛИСИ, опытно-промышленного производства на Волховском КСК, задачей которого является доведение результатов лабораторных исследований и конструкторских разработок до стадии промышленных технологий и конструкций с обеспечением их взаимного соответствия. Особенностью ОПП является наличие гибкой технологической схемы и оборудования, что позволяет путем оперативной переналадки осуществлять любой из процессов, представляющихся перспективными для заводского производства.

Кроме того, ОПП располагает высокопроизводительным оборудованием для получения в промышленных объемах металлической и неметаллической фибры различного профиля, длины и поперечного сечения. В отличие от ранних моделей, сконструированный КБ треста №61 “Железобетон” роторный станок обеспечивает профилирование и рубку стальной проволоки со скоростью до 600 м/мин., что позволяет, при необходимости, осуществлять подачу готовой фибры прямо в бетоносмеситель, минуя трудоемкие и нетехнологичные промежуточные операции по ее транспортированию, хранению и дозированию. Результатом тесного сотрудничества с Санкт-Петербургским Техническим университетом стало создание технологии и инструмента для изготовления разнообразных фибр прерывистым вибрационным резанием в ходе токарного процесса или фрезерования полос и слябов. Такие волокна, по оценкам специалистов, выгодно отличаются от других видов стальной дисперсной арматуры своей технологичностью и значительно меньшей стоимостью. Для получения в условиях ОПП неметаллической фибры в виде отрезков моноволокон, комплексных нитей или фибриллированных пленок ЛИСИ предложена рубочная машина РКО-2 завода “Вулкан”, предусматривающая использование для этой цели промышленных отходов соответствующих производств.

Таким образом, в России создан научно-технический потенциал, объективно способный решать самые разнообразные задачи теории и практики фибробетонов. Многочисленные исследования, в том числе упомянутые выше, убедительно показывают, что дисперсное армирование обеспечивает:

- улучшение механических характеристик бетонов: повышение трещиностойкости, ударо- и износостойкости, прочности на растяжение и изгиб;

- повышение эксплуатационной надежности конструкций, что выражается в стойкости к воздействию агрессивной среды за счет улучшения поровой структуры бетона;

- возможность сокращения рабочих сечений конструкций, в ряде случаев уменьшение расхода или полный отказ 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:

1. Свойства фибробетона определяются видом и качеством применяемых волокон и бетона, их количественным соотношением и во многом зависят от состояния контактов на границе раздела фаз.

2. 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.

3. 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.

4. При оптимальных параметрах армирования введение волокон способствует улучшению структуры и свойств исходного бетона, повышению его стойкости и долговечности.

Таким образом, целесообразность применения дисперсного армирования в производстве рядовых конструкций, работающих в стандартных условиях, доказана опытом экспериментального, а в ряде случаев и массового строительства и, поэтому, не вызывает сомнений. При этом, как правило, технически состоятельным и экономически оправданным является насыщение бетона волокнами в количестве 1,0…1,5% по объему. В то же время существует ряд конструкций как в строительстве, так и в смежных отраслях техники (фундаменты и станины машин, элементы прессов и другого силового оборудования, емкости высокого давления, контейнеры и хранилища токсичных отходов, элементы подземных сооружений и т.д.), в которых достоинства фибробетона (высокие прочность и вязкость, износостойкость, непроницаемость и долговечность) могут быть реализованы с наибольшей эффективностью. Однако чем отчетливее становится область приоритетного использования фибробетона, тем, порой, более неопределенными и противоречивыми выглядят представления о прочности и эксплуатационных характеристиках этого материала, которыми в первую очередь определяется степень доверия к нему со стороны специалистов. Дело в том, что часто для изготовления подобных конструкций требуется фибробетон с повышенным содержанием дисперсной арматуры, а между тем экспериментальные данные о таком материале в технической литературе практически отсутствуют.

Отмеченные выше закономерности конструирования фибробетонов не объясняют их сущности как сложного композиционного материала, так как не затрагивают вопросов взаимодействия волокон с цементной матрицей на различных стадиях структурообразования и последующей эксплуатации. Очевидно, перечень указанных закономерностей должен быть продолжен, а некоторые известные положения уточнены в связи с тем, что позволяют изготавливать фибробетон заданной прочности лишь в узких рамках проведенных до сих пор исследований, т.е. при объемном содержании волокон, не превышающем 2,0…2,5%. Ниже показано, что выход за пределы этих границ приводит к значительным отклонениям.

1.2. Влияние дисперсного армирования на свойства

цементных бетонов.

В настоящее время для дисперсного армирования бетонов применяют металлические (чаще всего стальные) и неметаллические (минеральные, синтетические и др.) высоко- и низкомодульные волокна различной длины и поперечного сечения. При этом стальную фибру получают резанием низкоуглеродистой проволоки, фольги или листовой стали, формованием из расплава, фрезерованием полос и слябов, а также в результате токарного процесса. Неметаллические фибры (стеклянные, базальтовые, синтетические и др.) представляют собой отрезки моноволокон, комплексных нитей и фибриллированных пленок, для изготовления которых в ряде случаев целесообразно использование промышленных отходов соответствующих производств.

Указанное многообразие оказалось достаточным для создания широкого спектра фибробетонов различного состава, плотности и прочности (рис. 1.1), что, в свою очередь, позволяет достаточно масштабно и объективно оценить влияние дисперсного армирования на физико-механические характеристика и долговечность получаемых материалов.

1.2.1. Механические характеристики

Наиболее полно механические свойства дисперсно-армированных бетонов отражают показатели их прочности и деформативности.

Анализ литературных источников [16, 23, 111, 114, 122] и результаты собственных исследований (рис.1.2) свидетельствуют о повышении трещиностойкости бетона при силовых воздействиях в результате введения высокомодульных волокон. При этом армирующий эффект определяется:

1. Степенью насыщения бетона волокнами. Так при введении стальных фибр размером d х l=(0,25х25,4)мм в количестве 2,3% по объему нагрузка в момент образования первой трещины удваивается по сравнению с неармированным бетоном, а при увеличении их содержания до 4%- возрастает примерно в 3 раза [108];

2. Уровнем дисперсности армирования, обусловленным, в частности, диаметром используемых волокон. Согласно [58], в случае армирования бетона стальными фибрами размером (0,3х25)мм момент трещинообразования увеличился в 1,25 раза по сравнению с бетоном, армированным волокнами размером (1,2х120)мм, при одинаковом содержании их в матрице (μ₀=2%);

3. Степенью однородности бетонной составляющей композита и дисперсностью входящих в ее состав компонентов. В [109] теоретически показано, что предел трещиностойкости фибробетона существенно повышается при уменьшении предельной крупности заполнителя.

Перечисленные факторы во многом определяют и начальную ширину трещин. Например, при использовании стальных фибр d=0,3мм трещины в момент образования носили характер местных разрывов, размер которых не превышал 1…3 мкм. В тех же условиях повышение диаметра волокон до d=0,9мм привело к увеличению начальной ширины трещины до 7…10 мкм [59].

Высокомодульные неметаллические волокна также повышают стойкость бетона к образованию и развитию трещин, хотя и в меньшей степени, чем стальные фибры. Так, при использовании в качестве дисперсной арматуры для мелкозернистого бетона волокон минеральной ваты (d=10…15 мм, l=0,5…12 мкм) зафиксировано увеличение трещиностойкости в изгибаемых элементах на 27…30% лишь при насыщении μ=10% от массы цемента [79]. Подобные результаты получены при введении в бетон низкосортного асбеста и базальтовых волокон диаметром 12…20 мкм [85].

Анализ данных, представленных на рис. 1.2., показывает, что в отличие от высокомодульных (типа СВМ) низкомодульные синтетические волокна (в данном случае капроновые) не оказывают заметного влияния на показатель трещиностойкости цементно-песчаного бетона при механическом нагружении. В этой связи следует отметить лишь некоторую тенденцию к снижению Ктр, наметившуюся по мере удаления от области, очерченной экспериментом, в сторону больших значений μ. В то же время имеется ряд сведений о существенном снижении собственных напряжений и деформаций в бетоне в экстремальных температурно-влажностных условиях при введении в него низкомодульных полимерных волокон [162, 1]. В данном случае позитивное влияние дисперсного армирования Комохов П.Г. связывает с эффектом демпфирования структуры бетона маложесткими включениями (фибрами), тормозящими или останавливающими рост усадочных трещин (рис. 1.3).

Однако наиболее эффективным является использование низкомодульных синтетических волокон для улучшения механических характеристик легких [78] и, особенно, ячеистых бетонов, модуль упругости которых в 2…5 раз меньше по сравнению с данным типом фибр [103, 69].

Исследование закономерностей разрушения фибропенобетона, выполненное Моргун Л.В. по методике и на установках, разработанных Остратом Л.И. (НИПИСиликатобетон), позволило установить следующее (рис. 1.4):