Фибробетон. Особенности и перспективы применения в строительных конструкциях

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. Основные физико-механические свойства сталефибробетона и стеклофибробетона приведены соответственно в табл. 2 и 3. 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. Экспериментально-теоретические исследования физико-механических свойств фибробетонов и опыт их применения позволили выявить эффективную номенклатуру конструкций, сооружений изделий из них (табл. 4). 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. Практически все, указанные в этой таблице конструкции в вариантах из фибробетона, широко применяются за рубежом, и имеется положительный опыт их эффективного применения в отечественном строительстве. 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. Наиболее ярким примером в этом плане является Япония, где 7 крупных фирм выпускают стальную фибру рубленную из листа или проволоки, фрезерованную из сляба, вытянутую из расплава. При этом производителями предлагается фибра различных форм, профилей, размеров и прочности, в т. ч. и из коррозионностойкой стали. Уже в 1981 г. Япония применяла около 3 тыс. т стальной фибры. �з которых 2,4 тыс. т были изготовлены из обычной углеродистой стали и около 500 т — из нержавеющей. За последнее десятилетие в Японии производство, применение и поставка стальной фибры за рубеж в несколько раз увеличились. При высокоорганизованном производстве стальную фибру упаковывают в прочные картонные коробки, где она располагается аккуратными рядами или слоями. 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 зарубежной практике для изготовления стеклофибробетона широко используется щелочестойкое стекловолокно марки «Цем-Фил», разработанное и выпускаемое в Великобритании. �сследования фирмы в направлении совершенствования стекловолокна привели к созданию улучшенных щелочестойких волокон, увеличивающих долговечность, прочность и вязкость разрушения стеклофибробетона. В Японии производится массово щелочестойкое стекловолокно «Эрфайб», а для специального применения создано более стойкое к воздействию щелочей стекловолокно «Эрфайб-супер». В отечественной практике для армирования бетона используется выпускаемое НПО «Стекло» в опытно-промышленном масштабе (90—200 т. в год) щелочестойкое стекловолокно марок СЦ-6. В г. Судогда (Владимирская обл.) освоен массовый выпуск ровинга из базальтового волокна. Однако фибра из него недостаточно изучена (по работе в бетоне). 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. По опыту Японии представляется, что в ближайшее врем широкое применение для армирования строительных конструкций найдет фибра из высокомодульного полипропилена. Эту фибру отмечает относительно высокий (до 8000 МПа) модуль упругости, высокая химическая стойкость и механическая прочность (до 500 МПа), широкий температурный диапазон применения (-60 —320 оС), неэлектропроводность и радиопрозрачность. В Москве организовано опытное производство фибры из полипропилена на Московском нефтеперерабатывающем заводе. Зарубежный и отечественный опыт показывает, что фибробетон является в большой мере универсальным строительным материалом, находящим все более широкое применение в различных областях строительства. В начале 90-х гг. в Российской Федерации произошел резкий рост банковской деятельности, сопровождавшийся бурным строительством новых зданий и сооружений государственных и коммерческих банков. По условиям страхования этих банков необходимо было обеспечить требуемую степень защищенности ценностей, хранящихся в них в соответствии с требованиями мировых норм. Следует отметить, что тогда отечественной нормативной базы в этой области практически не было и приходилось опираться на зарубежный опыт. Первый нормативный документ с участием Н��ЖБ, ВНП-001-95 Банка России был разработан в 1995 г. В 1996 г. был впервые разработан ГОСТ Р 50862-96, в котором были сформулированы требования к конструкциям и их классы по устойчивости к взлому (взломоустойчивости), методы ее определения. Как показывал международный опыт, наиболее эффективными, с учетом стоимости, зарекомендовали себя защитные банковские сооружения из сталефибробетона. Лаборатория фибробетонов и фибробетонных конструкций Н��ЖБ с самого начала приняла активное участие в решении проблемы создания эффективных защитных конструкций высокой взломоустойчивости для банковского строительства. В лаборатории были проведены исследования и разработаны составы сталефибробетона для защитных ограждающих конструкций различного класса взломо- устойчивости — от V до Х по ГОСТ Р 50862 (при максимальном ХШ классе) с соответствующей сертификацией качества. Разработаны фибробетоны и технология производства монолитных фибробетонных конструкций на стальной фибре, рубленной из проволоки или тонкого листа и фрезерованной из слябов. Расход фибры от 50 кг до 120 кг на 1 куб. м фибробетонной смеси. Применялась фибра длиной от 34 мм до 60 мм с прочностью на растяжение от 400 МПа. Фибробетонные конструкции в большинстве своем представляют полы, стены и перекрытия банковских помещений — хранилищ ценностей, депозитариев и т.п. Технологии возведения указанных конструкций предусматривают приготовление сталефибробетонных смесей требуемой удобоукладываемости (до П5 по ГОСТ 7473) с различным содержанием фибры как в заводских, так и построечных условиях. Были разработаны и применялись сталефибробетоны классов ВЗО-В50 по прочности на сжатие и W12 — по водонепроницаемости. С участием Н��ЖБ было возведено более десятка различных банковских сооружений в Москве, Рязани, Кургане, Калуге и др. �спытания конструкций на взломоустойчивость проводились при участии Н��ЖБ, а их сертификация — в АНО «ОС и МЗ» Москвы. Опытные сталефибробетонные фрагменты конструкций для испытаний изготавливались в Н��ЖБ. Наиболее интересным объектом с применением сталефибробетонных защитных конструкций Х класса взломоустойчивости является здание ГРКЦ ГУ Центрального Банка России в Москве (Волоколамское шоссе, вл. 75). В конструкциях пола, стен, колонн и перекрытий применялся сталефибробетон класса В45 с подвижностью СФБ — смесей ПЗ-П4. �спользовалась фибра отечественного производства, рубленная из листа и строганная из слябов. Общий объем уложенного сталефибробетона составил около 5 тыс. куб. м. Это был первый опыт такого широкого применения сталефибробетона на одном объекте. При этом он зарекомендовал себя с наилучшей стороны, как по техническим, так и технологическим свойствам. С учетом накопленного опыта по заданию Центрального Банка России при участии Н��ЖБ были разработаны более совершенные нормативные документы по банковскому строительству ВСП 103-97 и основополагающий, ВНП 001-01 (2001 г.) Банка России, позволяющие широко применять сталефибробетонные конструкции в этой области строительства. За участие в строительстве и разработку нормативных документов Н��ЖБу объявлялись благодарности руководством ЦБ России. Следует сказать, что в настоящее время строительство банковских и подобных защитных сооружений полностью обеспечено как отечественными материалами, в т. ч. фиброй и высокопрочным бетоном, так и нормативной и др.технической документацией, что позволяет выполнять его на уровне мировых стандартов. Технология производства и возведения сталефибробетонных конструкций и сооружений достаточно отработана и не вызывает серьезных затруднений при использовании серийного оборудования, применяемого для железобетона. Зарубежный опыт за последние 30 лет показывает высокую технико-экономическую эффективность применения сталефибробетона в строительных конструкциях и сооружениях различного назначения. Только в Европе применяется в год более 150 000 т стальной фибры, т. е. около 3 млн. куб. м сталефибробетонных конструкций. 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. �меется достаточно большой отечественный опыт применения сталефибробетона в строительстве (Москва, Санкт-Петербург, Липецк, Челябинск, Магнитогорск, Барнаул, Волхов). Экономическая эффективность, например, для конструкций индустриальных полов, составляет до $6 на 1 кв. м. 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.