В данной статье рассматриваются перспективы применения фибробетона при строительстве уникальных зданий и сооружений . Из СФБ можно изготовить и декоративный элемент, и цельную бионическую форму. Получение фибробетонных конструкций может быть выполнено не только по технологии заливки смеси в форму, но и торкретированием (набрызгом) на форму сложной конфигурации. Физико-механические свойства фибробетона зависят от ряда параметров фибрового армирования, технологии производства и структуры бетонной матрицы. Стеклофибробетон — это современный легкий материал, который сейчас востребован во всем мире. Из него построено много объектов, которые можно отнести к уникальным зданиям и сооружениям: павильон «Мост» в испанской Сарагосе, фасад Музея Фонда искусств TheBroad в Лос-Анджелесе, Национальный музей Катара в Дохе , многоцелевой комплекс Beko Masterplan в Белграде и другие.
Ключевые слова: фибробетон, фибра, стекловолокно, матрица, армирование, испытания, уникальные здания и сооружения.
Фибробетон имеет ряд преимуществ в сравнении с обычным бетоном: повышенная прочность бетона на изгиб; лучшая вибрационную стойкость бетона; удерживает трещины от расширения и от перерастания микротрещин в макротрещины. Физико-механические свойства фибробетона зависят от ряда параметров фибрового армирования, технологии производства и структуры бетонной матрицы. [1].
Фибробетон как композиционный материал действует за счёт совместной работы армирующих волокон и бетона. Наиболее эффективная совместная работа достигается только при высоком уровне сцепления всех материалов [2]. Наиболее существенное влияние на свойства фибробетонов оказывает дисперсность армирования (расстояние между отдельными волокнами, и определяется длиной волокон, их диаметром, а также расходом волокон).
Фибробетон может содержать различные виды волокон, такие как: стекловолокна, углеродные волокна, базальтовые и стальные волокна целлюлозные и полипропиленовые волокна [3]. Предел насыщения бетона волокнами чаще всего составляет 1–2 % по объему.
Торкретирование (набрызг) с добавлением стеклянных фиброволокон представляет перспективное направление в строительстве, так как сочетает использование низкого В/Ц, применение высокомодульного щелочестойкого стеклянного волокна, ориентированного в матрице в одной плоскости, комплекса химических и минеральных добавок [4].
Стеклофибробетон (СФБ) — это современный композитный легкий и сверхпрочный материал, который сейчас востребован во всем мире.
Построенные объекты из стеклофибробетона: павильон «Мост» в испанской Сарагосе, фасад Музея Фонда искусств TheBroad в Лос-Анджелесе, Национальный музей Катара в Дохе и павильон «Заповедное посольство» в парке «Зарядье».
Рис. 1. Фасад павильона в «Зарядье»
Например, криволинейный фасад павильона в «Зарядье» (рис. 1) формировался путем послойного напыления СФБ на металлический каркас. Этот метод вызвал неподдельный интерес специалистов во всем мире.
Рис. 2. Создание 3D-модели
На основе заданных данных получают мастер-модель с помощью робота-фрезировщика, по которым изготавливаются элементы из СФБ любой формы сложности (рис. 2). Формы могут быть из пенопласта, дерева или гипса.
Из стеклофибробетона можно изготовить как декоративный элемент, украшенный сложным растительным орнаментом, так и цельную бионическую форму. При этом предельно быстро и качественно [5].
Преимущества стеклофибробетона:
— долговечность (сопоставимая со сроком службы всего здания).
— малый вес (относительно цельнолитых изделий из бетона),
— стеклофибробетон водонепроницаем,
— не горюч,
— не подвержен коррозии и гниению,
— устойчив к химической агрессии,
— обладает высокой стойкостью к трещинообразованию,
— морозостоек.
Свою популярность СФБ начал обретать только к 2010 году.
Сейчас активно работают над усовершенствованием технологии напыления СФБ. Например, инновацией является волнистая бетонная оболочка (рис. 3), изготовленная на основе ультралегкой трикотажной опалубки, представляющая собой бесшовный двухслойный текстиль, изготовленный в виде единого куска. Эти настилы легко транспортируются, уменьшают потребность в дополнительной несущей конструкции и строительных лесах, а также упрощают логистику. Бетонные поверхности свободных форм теперь могут строиться эффективно, без необходимости сложной отливки.
Рис. 3. Волнистая бетонная оболочка KnitCandela
Проект Zaha Hadid Architects основывается на объединении гиперболических параболоидных поверхностей («hypars») для создания многоразовых опалубок, ведущих к сокращению строительных отходов [6]. В большинстве проектов присутствуют гибкие линии, гладкие текстуры, зеркальные поверхности, в них много воздуха (рис. 4). Благодаря этому здания, несмотря на всю монументальность, не «утяжеляют» окружающее пространство, а гармонично вписываются в него [7].

Рис. 4 Многоцелевой комплекс Beko Masterplan в Белграде
Также одним из ярких реализованный проектов это штаб-квартира BEEAH Group (рис. 5). Форма постройки ZHA вдохновлена этими дюнами, она как-будто состоит из двух барханов — а между ними устроен узкий внутренний двор, помогающий обеспечить в помещениях естественную вентиляцию и освещение, сократив при этом площадь остекления. Основной материал фасадов — стеклофибробетон. Вентиляции помогает и купольное перекрытие вестибюля высотой 15 м [8].
Рис. 5 Штаб-квартира BEEAH Group
Одной из главных проблем использования таких технологий, для создания уникальных зданий и сооружений в России является отсутствие достаточного финансирования для реализации проектов. Также можно выделить из причин еще: недостаточное количество производств и квалифицированного персонала, стоимость материлаиотсутствие нормативных документов, удовлетворяющих международным стандартам.
Методы и материалы исследования
Для своего исследования мы использовали цементно-песчаный раствор и стеклянную фибру разной длины, которые в дальнейшем можно было бы применить в технологии торкретирования. В работе оценивались прочностные характеристики стеклофибробетона.
Сырьевые материалы:
— Цемент М500 «ЦЕМРОС нормальная густота цементного теста = 31 %;
— Вода водопроводная;
— Кварцевый песок с модулем крупности Mк = 2,2; насыпная плотность 1550 кг/м 3 ;
— Фибра стеклянная класса E-CR, без содержания бора, длиной волокон 6, 12 и 18 мм.
Для определения прочностных характеристик цементно-песчаных смесей с фиброй были подобраны четыре состава: состав № 1- контрольный (без фибры); состав № 2 с фиброй длиной 6 мм; состав № 3 с фиброй длиной 12 мм; состав № 4 с фиброй длиной 18 мм. Составы приготавливали в смесителе, после чего укладывали в формы и уплотняли. Полученная цементно-песчаная смесь с фиброй представлена на рисунке 6.
Рис. 6. Цементно-песчаная смесь с фиброй
Образцы-балочки размерами 4*4*16 см хранились в шкафу нормального твердения 28 суток для набора ими прочности, после чего их испытывали на гидравлическом прессе. Для каждого состава было изготовлено по три образца-балочки, которые сначала испытывали на изгиб (рис.7), а затем каждую половинку образца-балочки на сжатие. Результаты испытаний сведены в таблицу 1.

Рис. 7. Испытание на изгиб образцов на гидравлическом прессе
Таблица 1
Результаты испытаний образцов
Размер стекловолокна |
Прочность при изгибе, МПа |
Среднее значение прочности при изгибе, МПа |
Прочность при сжатии, МПа |
Среднее значение прочности при сжатии, МПа |
Состав № 1 Контрольный (без фибры) |
4,57 |
4,24 |
23,7 |
23,48 |
22,67 |
||||
4,22 |
22,7 |
|||
24,3 |
||||
3,94 |
22,7 |
|||
24,8 |
||||
Состав № 2 Фибра 6мм |
8,04 |
7,98 |
39,78 |
36,11 |
30,10 |
||||
8,13 |
37,6 |
|||
38,01 |
||||
7,78 |
35,14 |
|||
36,04 |
||||
Состав № 3 Фибра 12мм |
8,95 |
8,5 |
35,58 |
37,06 |
37,30 |
||||
8,00 |
39,18 |
|||
34,44 |
||||
8,55 |
38,37 |
|||
37,46 |
||||
Состав № 4 Фибра 18мм |
6,82 |
7,51 |
37,42 |
33,24 |
35,94 |
||||
7,78 |
30,76 |
|||
37,2 |
||||
7,92 |
37,98 |
|||
20,12 |
Выводы
По результатам проведенных испытаний видно, что введение стеклянной фибры существенно увеличило предел прочности при изгибе и сжатии по сравнению с составом № 1 примерно в 2 раза. Состав № 2 (с фиброй длиной 6 мм) характеризуются неоднородностью свойств, а использование фибры длиной 18 мм (состав № 4) не рационально, поскольку прироста прочности при изгибе не наблюдается. Оптимальный размер фибры по результатам испытания дают волокна длиной 12мм, так как они имеют высокие прочностные показатели по результатам испытаний на сжатие и изгиб, с сохранением необходимой удобоукладываемость смеси.
В дальнейшем планируется продолжить исследование свойств СФБ с фиброй длиной 12 мм и подобрать ее оптимальное соотношение и рассчитать состав, подходящий для торкретирования данных смесей на форму.
Заключение
В целом, СФБ представляет собой материал с улучшенными свойствами и возможностями, применение которого позволит перейти России на новый этап, как в строительстве промышленных и гражданских зданий и сооружений, так и уникальных. Высокая прочность СФБ позволяет получать тонкостенные облицовочные элементы малой массы, экологически чист и безопасен, не боится коррозии и долговечен, устойчив к трещинообразованию.
Сегодня существуют сложности во внедрении в сферу строительства уникальных зданий и сооружений, которые требуют дальнейшего решения.
Литература:
1. Садовская Е. А., Леонович С. Н., Будревич Н. А. Закономерности для прочности фибробетона при испытании на сжатие кубов и цилиндров // Вестник ИШ ДВФУ. 2021. № 2 (47). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/zakonomernosti-dlya-prochnosti-fibrobetona-pri-ispytanii-na-szhatie-kubov-i-tsilindrov (дата обращения: 25.01.2025)
2. Пухаренко Ю. В., Пантелеев Д. А., Жаворонков М. И. Влияние вида фибры и состава матрицы на их сцепление в фибробетоне // Вестник СибАДИ. 2022. № 3 (85). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-vida-fibry-i-sostava-matritsy-na-ih-stseplenie-v-fibrobetone (дата обращения: 25.01.2025).
3. Седых С. А. Фибробетон перспективы современного строительства // Colloquium-journal. 2023. № 14 (173). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/fibrobeton-perspektivy-sovremennogo-stroitelstva (дата обращения: 25.01.2025).
4. Букенова Г. Ж. Технология приготовления и нанесения на обрабатываемую поверхность торкрет-фибробетона // Вестник науки. 2024. № 11 (80). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tehnologiya-prigotovleniya-i-naneseniya-na-obrabatyvaemuyu-poverhnost-torkret-fibrobetona (дата обращения: 25.01.2025).
5. https://stroi.mos.ru/interviews/vpiervyie-na-bkl-mietro-nastalo-vriemia-stieklofibrobietona (дата обращения: 25.01.2025).
6. https://www.interior.ru/architecture/4761-zaha-hadid-architects-eksperiment-s-betonom.html (дата обращения: 25.01.2025).
7. https://skillbox.ru/media/design/zakha-khadid-avangardnaya-arkhitektura-i-kosmicheskie-korabli-iz-betona/ (дата обращения: 25.01.2025).
8. https://archi.ru/world/96405/barkhany-iz-steklofibrobetona (дата обращения: 25.01.2025).