Фибробетон
ФИБРОБЕТОН. Особенности и перспективы применения в строительных конструкциях
В настоящее время для фибрового армирования бетонов наиболее широко применяются стальные и стеклянные волокна. Расширяется применение синтетических волокон. В незначительных объемах применяются базальтовые, углеродные и др. волокна. Наибольшая эффективность фибробетона достигается при правильном сочетании свойств составляющих его компонентов. Свойства фибробетон как композиционного материал определяются свойствами составляющих его компонентов. В определенной степени важнейшим компонентом в этом плане является фибра - стальная или неметаллическая.
В этом плане достаточно эффективной, с учетом относительной стоимости, является стальная фибровая арматура. Так как ее модуль упругости в 5-6 раз превышает модуль упругости бетона, то при достаточной анкеровке в бетоне может быть полностью использована прочность и получен наибольший вклад фибры в работу композита в стадиях до и после образования трещин.
В случае стальной фибры достаточно просто решаются вопросы обеспечения ее анкеровки в бетоне, что значительно сложнее, например, для синтетической фибры.
Стальная фибра производится в основном следующими способами: резкой из тонкой проволоки или тонкого стального листа; вытяжкой (экструдированием) из стального расплава; фрезерованием специальных слябов.
Фибра может иметь различное поперечное сечение - круглое, прямоугольное и др. размерами от 0,2 мм до 1,6 мм и длину от 5 мм до 160 мм. Прочность на растяжение -400-1100 МПа.
Фибробетон выгодно отличается от традиционного бетона, имея в несколько раз более высокие по сравнению с ним:
прочность на растяжение и срез;
ударную и усталостную прочность;
трещиностойкость и вязкость разрушения;
морозостойкость;
водонепроницаемость;
сопротивление кавитации;
сопротивление истиранию.
По показателю работы разрушения фибробетон может в 15-20 раз превосходить бетон. Это обеспечивает ему высокую технико-экономическую эффективность при применении в строительных конструкциях и при их ремонте.
Пожалуй, важнейшей характеристикой фибробетона является его прочность на растяжение. Она важна как прямая характеристика материала, так и косвенная, отражающая его сопротивление другим воздействиям, а также долговечность.
Важной характеристикой фибробетона является ударная прочность (вязкость разрушения). Значение этой характеристики для фибробетона в 3-5 и более раз выше, чем для обычного бетона.
При этом могут изготавливаться конструкции как чисто фибробетонные (только с фибровым армированием), так и с комбинированным армированием, т. е. фиброй и стержневой или проволочной арматурой.
В настоящее время налажено отечественное массовое производство стальной фибры резанной из тонкой листовой стали и фрезерованной из слябов (в Москве, Магнитогорске и Челябинске).
Для изготовления фибры могут быть также использованы выработавшие технический ресурс или некондиционные, специально очищаемые, канаты с диаметром проволок от 0,2 мм до 1,0 мм.
Фибра, фрезерованная из сляба стали марок СтЗ ПС,СтЗ СП и др., производится в Санкт-Петербурге, Челябинске и Кургане. Эта фибра имеет прочность 600-900 МПа, длину 25-32 мм трапециевидное сечение шириной до 3 мм и толщиной 0,2-0,6 мм.
Фибра, резанная из тонкого холоднокатаного листа, в массовом порядке выпускается в г. Магнитогорске. Эта фибра имеет значительно более широкий сортамент: толщину от 0,3 до 1,0 мм; ширину от 0,4x0,6 мм и длину от 30 до 40 мм. Прочность этой фибры - от 480 до 600 МПа.
Как видно, ассортимент стальной фибры отечественного производства довольно широк и может удовлетворить современным, пока скромным, потребностям строительной индустрии. Годовой объем выпуска фибры - 5-8 тыс. т.
Убедительным подтверждением эффективности сталефибробетона в строительстве является зарубежный опыт его применения, широкий ассортимент стальной фибры и большое количество фирм, производящих фибру на постоянной основе. Производством стальной фибры заняты более 20 зарубежных фирм и корпораций. Причем это, как правило, мощные производители обычной стержневой и проволочной арматуры или металлоизделий.
Такая упаковка позволяет сравнительно просто утилизировать фибру, и для ее сохранения требуются относительно меньшие площади. Так, например, фибра из проволоки "Драмикс" (Бельгия) изготавливается в виде блок-пластин, состоящих из десяти фибр, склеенных водорастворимым клеем. Такая фибра не комкуется при транспортировке и подаче в смеситель, хорошо распределяется в объеме бетонной смеси после растворения клея водой затворения.
Другим видом волокон для фибрового армирования бетонов являются стеклянные волокна. Для дисперсного армирования бетона используют, как правило, специальное щелочестойкое стекловолокно, так как обычное алюмоборосиликатное (бесщелочное) стекловолокно быстро корродирует в щелочной среде твердеющего бетона и требует специальной защиты.
В отечественной практике для армирования бетона используется выпускаемое НПО "Стекло" в опытно-промышленном масштабе (90-200 т. в год) щелочестойкое стекловолокно марок СЦ-6.
Фибра из синтетических волокон наиболее дешева и химстойка. Но она имеет низкий модуль упругости и высокую предельную деформативность, что предопределяет деформативность фибробетона, особенно после трещинообразования. Тем не менее, она может эффективно использоваться для улучшения реологических свойств фибробетонных смесей, структурообразования бетона-матрицы на стадии твердения и повышения его долговечности.
Наиболее эффективными с позиций прочности и долговечности фибробетона, в т. ч. при экстремальных химических, температурных и пожарных воздействиях, являются углеродные волокна. Но фибра из них пока слишком дорога, а снижение ее стоимости - вопрос будущего.
В ряде типовых железобетонных конструкций, таких как блоки фундаментов, подвалов, пригрузов, дорожные плиты, стальная арматура может быть с успехом заменена на базальтовую фибру - более химически стойкую и относительно дешевую.
Зарубежный и отечественный опыт показывает, что фибробетон является в большой мере универсальным строительным материалом, находящим все более широкое применение в различных областях строительства.
Экономическая эффективность сталефибробетонных конструкций по сравнению с железобетонными обуславливается за счет:
большого снижения трудоемкости;
снижения материалоемкости;
повышения долговечности;
увеличения межремонтного ресурса;
исключения недостатков, присущих стержневому армированию.
Имеется достаточно большой отечественный опыт применения сталефибробетона в строительстве (Москва, Санкт-Петербург, Липецк, Челябинск, Магнитогорск, Барнаул, Волхов).
Сейчас в России производится в год более 10 тыс. т стальной фибры и этот объем может быть увеличен в несколько paз нa уже освоенных производствах (Магнитогорск, Курган, Санкт-Петербург). Но при этом большая часть фибры продается за рубеж.
Применение этой фибры в отечественной практике было бы очень выгодно для строительной индустрии и государства в целом.
...
Новое время диктует правила использования и внедрения новых конструкционных материалов в совокупности с новыми технологиями. Создание «новых материалов из прежних» возможно путем возможного армирования широко известных материалов. Так, армированный бетон по экономическим показателям и прочностным характеристикам превосходит обычный марочный бетон.
Одним из наиболее прогрессивных видов армирования бетона является фибровое армирование, таким образом, фибровое армирование бетона дает начало материалу - фибробетон. Соответственно по типу используемых фибровых отрезков различают классы фибробетона. Самые распространенные виды фибр для бетона следующие:
фибра стальная;
фибра из щелочестойкого стекловолокна;
фибра из обычного стекловолокна;
фибра из синтетических волокон.
Из них экономически выгодным и одновременно технологически простым является фибровое армирование стекловолокном.
Стеклофибробетон (СФБ) – является разновидностью фибробетона и изготавливается из мелкозернистого бетона (бетон-матрица) и армирующих его отрезков стекловолокна ( фиброволокно ), равномерно распределенных по объему бетона изделия или отдельных его частей (зон). Совместность работы бетона и фиброволокна обеспечивается за счет сцепления по их поверхности; тем самым работает огромная площадь перекрытия бетона и фибр (от 10000 до 50000 м2 в зависимости от назначения получаемого материала), формируя качественно новые свойства нового материала – стеклофибробетона.
Расширение производства и применение конструкций из стеклофибробетона является важным резервом снижения стоимости строительства, экономии трудозатрат, повышения эксплуатационной надежности и долговечности строительных конструкций.
Дисперсное армирование повышает не только прочностные свойства бетона, но, что особенно важно, улучшает эксплуатационные характеристики конструкций, например, устойчивость к динамическим, температурно-влажностным воздействиям, износу и т.п., что позволяет получить существенный эффект при производстве и эксплуатации стеклофибробетонных конструкций.
По своему назначению стеклофибробетоны разделяются на конструкционные, гидроизоляционные, декоративные и специальные. Исходя из назначения стеклофибробетонов, им придаются соответствующие свойства за счет комбинации коротковолокнистых и длинноволокнистых элементов стекловолокнистой арматуры и технологии изготовления.
Стеклофибробетон имеет исключительно высокие технологические свойства при формировании изделий практически любой нужной формы, обладает высокими показателями прочности при изгибе, большой ударной прочностью, упругостью, трещиностойкостью, водонепроницаемостью, а в нужных случаях и декоративной поверхностью.
Стеклофибробетон предоставляет архитектору такое средство воплощения его замысла, с которым по пластичности, способности передавать рельеф поверхности, а также легкости не может соперничать ни один другой материал. Стеклофибробетон отличается малым весом, простотой обработки, низкими затратами на монтаж и транспортировку; создает понижение нагрузки на несущую конструкцию зданий, что дает существенное снижение затрат на сооружение фундамента и каркаса здания, что важно при реставрации и реконструкции; обладает низкой водопроницаемостью; огнестоек. Одно из направлений использования стеклофибробетона - архитектурный декор.
СФБ-конструкции в зависимости от их армирования подразделяют на следующие виды конструкций:
C фибровым армированием – при их армировании только фибрами из стекловолокна, равномерно распределенными по объему бетона всего элемента или его части;
С комбинированным армированием – при их армировании фибрами из стекловолокна, равномерно распределенными по объему (сечению) элемента, в сочетании со стержневой, проволочной стальной арматурой.
СФБ применяется в тонкостенных элементах и конструкциях зданий и сооружений, для которых существенно важным является: снижение собственного веса, повышение трещиностойкости, обеспечение водонепроницаемости бетона и его долговечности (в том числе в агрессивных средах), повышение ударной вязкости и сопротивления истиранию, наличие радиопрозрачноcти, а также повышение архитектурной выразительности и экологической чистоты.
Стеклофибробетонные стеновые облицовочные панели используются в элементах, выполняемых по заказу для зданий специального назначения (архитектурный декор); в качестве модульных элементов при серийном унифицированном строительстве; в виде облицовочных панелей при реконструкции старых зданий.
Наглядно представить процесс нанесения стеклофибробетона на поверхность можно, просмотрев АНИМАЦИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА торкетирования стены (нажмите сюда чтобы скачать ролик ~1 Mb).
Решение для каждого конкретного случая может быть выполнено посредством следующих вариантов:
однослойные панели с ребрами жесткости;
несъемная опалубка с заливкой.
Изготовленные соответствующим образом формы из металла, древесины, пластика или полиуретана дают возможность рельефной отделки поверхности изделий от строгого рисунка до свободных форм, элементов геральдики и орнаментов. Используя основу белого или серого цементов с незначительной примесью неорганических красителей, а также песка и других заполнителей, можно создать широкую гамму цветов и отделки.
Наносимый отделочный слой, не превышающий по толщине 5 - 6 мм, делает затраты на материалы минимальными. Тонкий слой отделки под природный камень, шифер или керамическую плитку выполняется на стеклофиброцементной панели, являющейся частью конструкции с несущей рамой.
Конструкционная гибкость стеклофибробетона предоставляет возможность для ухода от монотонности стальных крашенных конструкций, пластмасс, массивности и ограниченности форм бетона.
Важным дополнением к облицовочным панелям могут служить декоративные элементы под старину при реставрации и реконструкции зданий. Также стеклофибробетон незаменим при обрамлении оконных проемов, изготовлении портиков, карнизов, солнцезащитных экранов и др.
Стеклофибробетон - превосходный материал для различных видов кровли. Им можно имитировать традиционные кровельные материалы, такие как шифер, керамическая черепица. Но в отличие от них он не хрупкий и не тяжелый. Для крыш со скатами стеклофибробетоном можно имитировать натуральный шифер как по внешнему виду, так и по фактуре. Для его крепления используются обычные шиферные гвозди без предварительного сверления отверстий, так как стеклофибробетон прочен и не раскалывается при креплении.
Стеклофибробетон играет важную роль при проектировании городских зон отдыха с эстетической стороны объектов строительства и малых архитектурных форм. Он может использоваться для обустройства живописных декоративных водоемов, фонтанов, скамеек, цветочниц, балюстрады, киосков и др. Малые архитектурные формы из стеклофибробетона имеют более привлекательный вид, т.к. стеклофибробетон позволяет передавать любую форму, рельеф и отделку поверхности для сочетания с окружающим пейзажем. Штукатурные покрытия при использовании стеклофибробетона обладают высокой прочностью, а также высокой стойкостью к растрескиванию и отслаиванию.
Стеклофибробетон имеет высокую устойчивость к химикатам, включая городское загрязнение и растворы солей. Он также имеет высокие акустические свойства, не ржавеет, не гниет, не корродирует и не горит. Поэтому из стеклофибробетона могут формоваться различные изделия сложной конфигурации, которые применяются в гражданском строительстве при сооружении автострад, водопроводов и резервуаров для хранения воды, шахт и туннелей.
Стеклофибробетон также может использоваться для изготовления труб большого диаметра. Армируется он как рубленным волокном, так и сетками из щелочестойкого стекловолокна.
Малая толщина стенок труб и отсутствие муфтовых соединений позволяет уменьшить размер канавы и объем засыпки. Трубопроводы могут прокладываться под до-рогами с большой транспортной нагрузкой, т.к. стеклофибробетон долговечен и обладает высокими прочностными свойствами при применении щелочестойкого стекловолокна в качестве армирующего компонента.
Стеклофибробетон является идеальным материалом для мостов, где используется для изготовления элементов парапетов, шумозащитных ограждений. Эти элементы могут быть достаточно большой протяженности при небольшом весе. Кроме того, стеклофибробетон обеспечивает более высокий уровень защиты стальной арматуры и более высокую сопротивляемость проникновению хлоридов, чем бетон той же толщины.
Малый вес изделий и тонкостенность позволяют использовать стеклофибробетон для изготовления элементов каналов и водопроводов, которыми заменяют короткие и тяжелые отлитые из бетона элементы. Снижение веса изделия в 3 раза облегчает работу при сооружении дренажных и ирригационных систем на пересеченной местности. Кроме того, при сооружении подземных водных или кабельных каналов снижаются строительные затраты в результате уменьшения числа требуемых опор.
Элементы кабельных, дренажных и ирригационных каналов из стеклофибробетона могут также использоваться в качестве несъемной опалубки. В этом случае элементы из стеклофибробетона устанавливаются на место, а затем заливаются бетоном, при этом роль стеклофибробетона - образовать внутренний профиль канала с гладкой поверхностью и исключить применение сложной временной опалубки.
***ФИБРОБЕТОН — разновидность цементного бетона, в котором достаточно равномерно распределены обрезки «фибры» или фиброволокна. Под собирательным названием "Фибра" подразумеваются волокна из металла, отрезки тонкой стальной проволоки, отходы гвоздевого производства и др., а также из стекла, полимеров (главным образом пропилена) и т, п. Фибра или фиброволокно выполняют функции армирующего компонента, что способствует улучшению качества бетона, повышает его трещиностойкость и деформативность.
Фибробетоны применяют в сборных и монолитных конструкциях, работающих на знакопеременные нагрузки.