Ключевые слова: сталефибробетон, волокно, развитие трещин, повышение прочности, дисперсное армирование.
Большая часть зданий в строительной сфере строится из железобетона. В некоторых случаях необходимо изменить массу элементов, чтобы обеспечить их надежность и долговечность, при этом учитывая экономическую целесообразность. Однако введение предварительно напряженных конструкций в производство строительных конструкций не всегда возможно из-за ограничений материально-технологической базы. Один из способов решения этой проблемы — использование стальных фибр, которые повышают трещиностойкость растянутых элементов, позволяя лучше использовать их сечение. Следовательно, введение дисперсного армирования стальными фибрами значительно повышает эффективность работы железобетонных конструкций.
Сталефибробетон обладает повышенной растяжимостью и сжимаемостью, что обусловлено работой фибры после образования трещины. Фибровое армирование изменяет характер разрушения материала, делая его вязким и защищая от прогрессирующего разрушения.
Сталефибробетон особенно актуален для использования в северных регионах с низкими температурами, поскольку бетон, содержащий волокна, обладает более высокой морозостойкостью и считается долговечным, не уступая бетону с использованием воздухововлекающих добавок. Морозостойкость сталефибробетонных конструкций в основном зависит от их трещиностойкости. Однако необходимо учесть, как отрицательные температуры могут повлиять на их деформацию в условиях знакопеременных низких температур (вторая группа предельных состояний).
Сталефибробетоном (далее фибробетон) называют композиционный строительный материал, состоящий из цементной матрицы (плотной или пористой, с заполнителем или без него) с равномерным или заданным распределением по ее объему стальных волокон (фибр) различных размеров и формы. [1]
При изготовлении дисперсно-армированных бетонов важное значение имеет правильный подбор и сочетание исходных материалов. Так же большой вклад в повышение прочности фибробетона вносит технология его изготовления. Свойства получаемых дисперсно-армированных бетонов в большей степени связаны с решением задач, которые рассматривают обеспечение равномерности распределения фибр в бетоне, их ориентацию и анкеровку. Это в значительной мере определяет способность композиции оказывать сопротивление внешним воздействиям. [2]
Для получения высокопрочных композиций необходимо выполнить ряд условий [2]:
– надо иметь достаточное количество одинаково высокопрочных волокон;
– в ходе технологического процесса волокна должны сохранять значительную часть своей прочности;
– волокна должны иметь хорошее сцепление с раствором и бетоном;
– волокна надо равномерно распределять по всему объему матрицы, однако они не должны непосредственно соприкасаться друг с другом;
– матрица должна быть химически инертной по отношению к волокнам;
– волокна должны иметь более высокий по сравнению с матрицей модуль упругости.
Существует мало научных данных о прочности фибробетона на изгиб при низких температурах. Обычно считается, что по мере увеличения влажности бетона и снижения температуры скорость роста его прочности на изгиб постепенно увеличивается. Однако также было высказано предположение, что прочность на изгиб не продолжает расти при снижении температуры и достигает максимума при -60 °C. Это различие вызвано различной пористостью, распределением пор по размерам, скоростью охлаждения и классом прочности бетона. В данном случае предполагается, что по мере снижения температуры бетона раствор в порах постепенно замерзает, и внутри образуется сетчатая структура, состоящая из льда.
Волокна, при добавлении в бетон, незначительно вносят некоторое количество воздуха, следствием которого увеличивается количество пор и следовательно льда.
Повышение температуры вызывает деформации расширения льда и матрицы. Появление воды и перенапряжение в мелких капиллярах, возрастание деформаций, расширение на 2…3 % приводят к понижению упругости и прочности до первоначального уровня в водонасыщенном состоянии в климатическом диапазоне II и существенно влияют на свойства бетона при циклическом замораживании — оттаивании. [3]
При анализе результатов проведенных экспериментов и исследований можно сделать вывод о том, что дисперсное армирование обеспечивает повышение прочности сжатых, растянутых и изгибаемых элементов конструкций, увеличивает их трещиностойкость, ударную вязкость, термическое сопротивление и другие физико-механические показатели. При этом, как строительный материал, фибробетон дает так называемый отложенный экономический эффект за счет более высокой долговечности и эксплуатационной надежности, увеличения межремонтного ресурса и повышения безопасности сооружений. [4]
Развитие трещин в строительных материалах вызвано различными факторами, в том числе характером армирования элементов. Например, в случае элементов из фибробетона трещины развиваются медленно, а при увеличении нагрузки образуются новые трещины, только благодаря которым происходит деформации. В железобетонных элементах процесс трещинообразования протекает по-другому: образовавшаяся трещина немедленно раскрывается до определенной величины, а количество трещин практически не меняется. Деформация таких элементов зависит от развития трещин по ширине и высоте, как показано на рисунке 1.
Рис. 1. Схематическое представление трещины
Под трещиностойкостью понимают способность конструкции сопротивляться образованию и развитию трещин. Трещиностойкость бетона зависит от предела прочности его на растяжению R bt,ser и предельной растяжимости бетона bt,u . Указанные характеристики взаимосвязаны и в свою очередь зависят от большого числа факторов [5]:
– от уровня и условий начального микротрещинообразования, возникающего вследствие усадки цементного камня из-за неоднородности деформативных свойств последнего и заполнителя; и температурновлажностных градиентов;
– от однородности бетона, определяемой подбором гранулометрического состава заполнителей и зависящей от технического уровня укладки и уплотнения бетонной смеси, от водоцементного отношения.
– шероховатости и качества поверхности заполнителя.
– состояния поверхности арматуры, расстояния между арматурой в бетоне, качества сцепления арматуры с бетоном.
Так же известно, что бетон обладает свойством ползучести, проявляющимся при любых уровнях напряженного состояния. Это свойство через бетон передается и фибробетону. Как видно из рисунка 2., ползучесть фибробетона существенно меньше ползучести бетона. Теоретические и практические исследования, проведенные российскими и зарубежными исследователями, показали, что снижение деформации результате усадки и ползучести фибробетона происходит за счет сокращения трещинообразования и ширины раскрытия трещин. [6]
Рис. 2. Меры ползучести фибробетона и бетона по теории упруго-ползучего тела
Таким образом, основной целью представленной статьи являлось исследование вопроса влияния циклов замораживания-оттаивания (ЦЗО) на деформационные и эксплуатационные свойства сталефибробетона.
В заключении можно отметить, что при добавлении стальной фибры в бетон, при понижении температуры могут немного улучшать сопротивление материала разрушительному эффекту мороза на раннем этапе. Волокна по всему объему равномерно укрепляют бетон, что после многократных ЦЗО позволяют обеспечивать эксплуатационную надежность сооружений, а также повышает безопасность.
Литература:
- Пухаренко Ю. В. Эффективные фиброармированные материалы и изделия для строительства и реставрации. В сб.: Материалы научно-практической конференции «Реставрация в храме-памятнике» (Санкт-Петербург, 6–7 декабря 2006 г.). № 2, 2006.
- Рабинович, Ф. Н. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции / Ф. Н. Рабинович. — 4-е изд. — Москва: Издательство Асоциации строительных вузов, 2011. — 642 c.
- Прочность, трещиностойкость и долговечность конструкционного бетона при температурных и коррозионных воздействиях: монография: в 2 ч. Ч. 1 / С. Н. Леонович [и др.], под ред. С. Н. Леоновича. — Минск: БНТУ, 2016. — 393 с.
- Жаворонков М. И. Развитие методов определения характеристик трещиностойкости фибробетона: специальность 05.23.05 «Строительные материалы и изделия»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Жаворонков Михаил Ильич; Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. — Санкт-Петербург, 2017. — 199 c.
- ОПБУЛ Э. К. Эффективное использования высокопрочной арматуры в изгибаемых элементах без предварительного напряжения: специальность 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / ОПБУЛ Эрес Кечил-оолович; Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. — Санкт-Петербург, 2005. — 151 c.
- Смирнов, Д. А. Упругость и ползучесть сталефибробетона: специальность 05.23.17 «Строительная механика»: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Смирнов Дмитрий Александрович; Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. — Санкт-Петербург, 2011. — 21 c.
