Строительные конструкции на основе сталефибробетона. Основные понятия и свойства



Сегодня бетон, как и прежде, является самым распространенным материалом в любом строительстве, на всех континентах и на всех широтах. Американский эксперт Дж. Келли, писал: «Никому не придет в голову использовать дерево в строительстве дамб, сталь в строительстве дорог или асфальт в строительстве зданий, но бетон может использоваться во всех перечисленных и многих других случаях» [1]. На протяжении многих десятилетий основой строительства и в нашей стране являются бетонные материалы. Так, в РФ сегодня доля промышленности сборного и монолитного бетона составляет более 40 % стоимости валовой продукции и основных фондов всей промышленности строительных материалов. Однако, известно, что бетон — хрупкий материал, и, когда он подвергается растягивающей нагрузке, в нем происходит образование трещин. Результаты обширных исследований отечественных и зарубежных специалистов показали, что решить эту проблему удается, создав новый материал на основе бетона, введением в него произвольно ориентированных коротких стальных волокон — фибр, обладающий повышенной трещиностойкостью и другими характеристиками, превышающими параметры исходного бетона.

Известно, что развитие строительных конструкций (СК) происходит по разным направлениям. Это и разработка новых конструктивных форм с использованием традиционных конструкционных материалов, и использование новых материалов в известных конструктивных формах, или создание новых конструктивных форм, соответствующих новым материалам, и создание новых технологий производства элементов конструкций, и уточнение существующих или формулировка новых методов их расчета и принципов конструирования. Строительный композит — сталефибробетон, признанный во всем мире конструкционный материал, позволяет эффективно реализовывать все перечисленные направления усовершенствования строительных конструкций. Более того, его применение открывает возможность создавать конструкции с заранее заданными свойствами. На сегодняшний день отечественными и зарубежными специалистами разработано немало элементов конструкций с применением СФБ, обладающих по сравнению с традиционными аналогами повышенными технико-экономическими показателями [2, 3, 4, 5, 6].

Решение проблемы создания СФБК и СФЖБК с заданными свойствами следует рассматривать, как важное научное направление в развитии теории и практики строительных конструкций. В представляемой диссертации разработаны технические и технологические решения, внедрение которых вносит вклад в развитие экономики страны.

Исследования, посвященные бетону, косвенно армированному «железным волосом» или «железной соломой», (в современной терминологии — сталефибробетону) были выполнены Российским инженером В. П. Некрасовым в начале двадцатого века (1907–1909 гг. — 1925 г.) [7,8]. К этому времени относятся также работы G. F. Porter (USA, 1910 г.) [10], W. Feiklin (UK, 1914 г.) [9].

Первые упоминания о композиционных материалах специалисты относят к III веку до н. э. [11]. Так египтяне использовали солому, чтобы придать жесткость кирпичам из глины. Существует также свидетельство, что для придания жесткости глиняным столбам использовалось асбестовое волокно, а для обеспечения прочности алебастра использовался конский волос, тогда как асбестовое волокно применялось для портландцемента. В 1910 году H. F. Porter, проведя серию тестов по улучшению прочности бетона, сделал вывод, что наличие коротких волокон в бетоне повышает его прочность при сжатии и при растяжении [10]. После многих лет изучения он писал, что «...действительно, это вполне вероятно, что в очень недалеком будущем будет использоваться армирование, заимствованное у природы, которое передает частицам сопротивление через массу при включении здесь и там коротких волокон стали, особенно при растяжении, таким образом, делая бетон более однородным строительным материалом».

Композиционный материал, чтобы называться таковым, должен удовлетворять следующим требованиям [12]: должен быть изготовлен человеком (в противоположность природным композитам: дереву, бамбуку и т. д.), представлять собой сочетание хотя бы двух разнородных материалов, с четкой границей раздела между ними; быть образован объемным сочетанием его компонентов; обладать свойствами, которыми не может обладать никакой из его компонентов в отдельности. Указанные требования относятся к материалам, как на металлической, так и неметаллической основе, армированных металлическими и неметаллическими волокнами, нитевидными кристаллами, неорганическими частицами. Во всех случаях композицию образуют матрица из элементарного вещества или сплава и распределенная в ней вторая фаза, которая добавляется для улучшения определенного свойства или группы свойств. Эти определения в полной мере применимы и к СФБ. Он состоит как минимум из двух разнородных материалов с четкой границей раздела — бетона и стали, на границе раздела формируется межфазный слой, обладающий свойствами, присущими только ему, образуется объемным сочетанием материалов, его свойства существенно отличаются от свойств компонентов.

Сталефибробетон (СФБ) — это композиционный материал, состоящий, как правило, из бетонной матрицы, дисперсно армированной стальными волокнами (фибрами) диаметром d_f= 0,3... 1,2 мм, с соотношением длины и диаметра If/df= 50... 120, объемным содержанием Щу= 0,5... 3,0 %, в случае использования традиционной технологии производства. Сталефибробетон — название конструкционного композиционного материала соответствует принятой в мировой литературе терминологии: английскому — Steelfiberconcrete, немецкому — Stahlfaserbeton, французскому — Béton de fibres d'acier, чешскому — Drât- kobeton, польскому — Drutobeton. Сталефибробетонная смесь — это бетонная смесь (матрица), с введенными в нее стальными фибрами в процессе ее приготовления. Стальная фибра — стальное волокно (от латинскогоfibra-волокно) конечной длины.

Структура сталефибробетона формируется на основе структуры исходного бетона — матрицы. Однако при этом для рациональной организации структуры СФБ необходимо учитывать наличие «специфического компонента» — остальной фибры. Ее тип (геометрию), длину, диаметр, количество, вводимое в смесь, либо в фибромат, прочность, пластичность или хрупкость. Изучению структуры СФБ посвящены работы отечественных ученых И. А. Лобанова [6], Е. В. Гулимовой [14],, Ф. Н. Рабиновича [15], Г. В. Копайского [16].

Дисперсное армирование бетона стальными фибрами (создание сталефибробетона), повышает физико-механические характеристики бетонных материалов (рисунок 1, 2), в частности, прочности при растяжении и изгибе, высокой трещиностойкости, вязкости разрушения, морозостойкости, коррозионной стойкости, термостойкости, и т. п., и обеспечивает более высокие техникоэкономические характеристики элементов конструкций, по сравнению с существующими аналогами [1,5,32], сокращая расход материалов и снижая затраты в строительстве. На основе обширных исследований, проведенных Австралийскими учеными [17], было установлено, что содержание фибр в любых вариантах бетонной смеси должно превышать 0,6 % по объему (50 кг/м³) для какого-нибудь измеримого выигрыша в статических свойствах. После многих проб составов и сотен испытаний было найдено, что 75 кг фибры на м³ бетона обеспечивает оптимальный баланс между ценой и эксплуатационными качествами.

Рис. 1. График изменения свойств СФБ в зависимости от соотношения 1р^фибр и их объемного содержания: 1 — прочность на сжатие; 2—вязкость; 3 — прочность на растяжение; 4 — удар (нижний предел); 5 — вязкость при максимальном усилии; 6 — удар (верхний предел)

Рис. 2. Кривые «напряжение-деформация» при испытании на растяжение при изгибе: 1 — неармированный бетон; 2 — сталефибробетон

Литература:

1. Рудой, Б. Л. Композиты / Б. Л. Рудой. — М.: Моек, рабочий, 1976. — 144 с.
2. Ааруп, Д. CRC — Сферы применения высокоэффективного фибробетона / Д. Ааруп // CPI — Международное бетонное производство. — 2007. — № 4. — С.108–115
3. Александров, В. Н. Сталефибробетонная тоннельная обделка для строящегося тоннеля метрополитена в Санкт-Петербурге / В. Н. Александров, Ю. И. Тетерин, Э
4. Арончик, В. Б. Проектирование оптимальных вариантов аэродромных покрытий / В. Б. Арончик, В. И. Павленко, Д. Е. Шнейдер // Дисперсно- армированные бетоны и конструкции из них: тез. докл. и сообщ. — Рига: ЛатИНТИ, 1975. — С. 34–38.
5. Войтенко, В. Г.. Обеспечение прочностных и динамических характеристик резцов с корпусами из композиционных материалов: автореф. дис.... канд. техн. наук / В. Г. Войтенко. — Барнаул, 1999. — 16 с.
6. Волков, И. В. Фибробетонные конструкции / И. В. Волков. — М., 1988. — 33 с. — (Серия: Строительные конструкции: обзор, информ. / ВНИИС; вып. 2).
7. Некрасов, В. П. Новые приемы и задачи железобетонной техники / В. П. Некрасов // Зодчий. — СПб., 1908. — № 25. — С. 223–225; № 26. — С. 230–236; № 27. — С. 243–250; № 28. — С. 255–259; № 29. — С. 264–267.
8. Некрасов В. П. Новейшие приемы и задачи железобетонной техники: система свободных связей / В. П. Некрасов // Цемент, его производные и применение: XII съезд русских цементных техников. — СПб., 1909. — С. 294–348.
9. Павлов, А. П. Развитие и экспериментально теоретические исследования сталефибробетона / А. П. Павлов // Исследования в области железобетонных конструкции: сб. тр. — Л., 1976. — № 111. — С. 3–13.
10. Porter, H. F. Preparation of concrete from selection of materials to final disposition // J. Am. Cone. Inst. — 1910. — Vol. 6. — P. 296.
11. Beddar, M. Fiber reinforced concrete: past, present and future / M. Beddar// Бетонижелезобетон- путиразвития: науч. тр. 2-ойВсерос. (Междунар.) конф. по бетону и железобетону: в 5 т. Т.З: Секционные доклады, секция «Технология бетона». — М.: Дипак, 2005. — С. 228–234.
12. Современные композиционные материалы / под ред. Л. Браутмана, Р. Крока. — М.: Мир, 1970. — 240 с.
13. Лобанов, И. А. О структуре дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов / И. А. Лобанов, А. В. Копацкий // Технология строительных изделий и конструкций: крат, содерж. докл. — Л., 1972. — С. 13–16.
14. Гулимова, Е. В. О прогнозировании коррозионной стойкости дисперсной арматуры в сталефибробетонных конструкциях / Е. В. Гулимова //Технология изготовления и свойства новых композиционных строительных материалов: межвуз. тем.сб. тр. — Л., 1986. — С. 10–13.
15. Рабинович, Ф. Н. Об энергетическом подходе к оценке эффективных уровней дисперсного армирования бетонов / Ф. Н. Рабинович // Промышленное и гражданское строительство. — 2002. — № 12. — С. 21–23.
16. Копанский, Г. В. Структура армирования сталефибробетона и ее технологическое обеспечение: автореф. дис.... канд. техн. наук / Г. В. Копанский. — Л., 1985.-24 с.
17. Fibrecrete properties. Pavement design. Aquila Steel Company Ltd. Revesby, NSW 2212. — Australia, 1983. — 20 p.