1. Стальные фибры для дисперсного армирования бетонов

Фибры — металлические элементы с круглым или пря­моугольным сечением, с плоской или рифленой поверх­ностью, относительной длиной (отношение длины к диа­метру), равной 50:100 для способа приготовления СФБ перемешиванием (хаотическое армирование) и 100:400 — для фиброкаркасного армирования.

Фиброкаркасное армирование — метод раздельного бетонирования, при котором в форму укладывается фиброкаркас из стальной фибры, на который сверху укладывается мелкодисперсная бетонная смесь с после­дующим виброуплотнением, в результате которого фибры проникают в массу бетона, армируя его [4].

Для дисперсного армирования бетонов - сталефибробетонов (СФБ) в настоящее время применяются стальные фибры различного типа. К основным характеристикам фибр следует отнести:

- геометрические параметры;

- механические свойства;

- технологические характерис­тики;

- специальные свойства.

Геометрические параметры фибр - это длина, диаметр или приведенный диаметр (площадь попе­речного сечения), форма попереч­ного сечения, отношение длины к диа­метру, форма, состояние поверхности.

Длина фибр (I_f) - параметр, в определенных пределах зависящий от технологии их изготовления, тех­нологических и механических требований к ним и сталефибробетону.

Проволочную фибру можно из­готавливать практически любой дли­ны. Длина фибр, изготавливаемых из тонкого листа, ограничивается шириной зуба подвижного ножа и может достигать 100мм. Длина фибр при продольной резке практически не ограничена. Длина фрезерован­ных фибр ограничивается шириной зуба фрезы и может быть до 40мм. Длина фибры из каната ограничива­ется шагом свивки и составляет 1,5 от шага свивки. Длина токарной фибры соответствует ширине режущей кромки резца и достигает 50мм. Данные о длине фибры из рас­плава не приводятся ввиду отсут­ствия достоверной информации.

Выбор длины фибр регламен­тируется конструктивными и техно­логическими требованиями:

- расчетными сопротивления­ми материала (R_fb, R_fbt);

- способом приготовления сталефибробетонной смеси;

- способом введения фибр в смесь;

- требованиями к сцеплению фибр с бетоном (при отсутствии спе­циальных способов по обеспечению заданного τ сцепления)

Фибры большей длины, при оди­наковом диаметре, более склонны к комкованию на всех технологичес­ких переделах: загрузке, транспор­тировке, выгрузке, дозировке, пода­че в смеситель и перемешивании смеси. Соответственно, чем мень­ше длина фибр, при прочих равных условиях, тем меньше их склон­ность к образованию комков.

Однако чем больше длина фибр, тем больше усилие, необхо­димое для их выдергивания из тела затвердевшего бетона и тем выше сопротивление сталефибробетона растяжению. Когда эта величина достигает критического значения, фибра рвется. Дальнейшее увели­чение длины практически не влияет на механические свойства стале­фибробетона.

Диаметр фибр (d_f), как правило, колеблется от 0,1мм до 1,2мм, а по некоторым литературным данным – до 1,8мм. С уменьшением диаметра фибр увеличивается эффективность фиб­рового армирования, но усложня­ется технология приготовления сме­си и изготовления изделий. Для во­локон не круглого сечения произво­дится пересчет по площади попе­речного сечения к кругу и вычисля­ется приведенный диаметр.

По форме поперечного сечения фибры можно разделить на:

- круглые (проволочные и ли­тые);

- овальные (проволочные сплющенные и литые);

- треугольные (фрезерованные из сляба, из тонкого листа). Сечение может быть в виде остроугольного, прямоугольного или тупоугольного треугольника;

- серповидные (фрезерован­ные из сляба и тонкого листа, токар­ные);

- трапециевидные (из тонкого листа).

Достоверные данные о влиянии формы поперечного сечения фибр на технологические характеристики сталефибробетонной смеси и физико - механические характеристики сталефибробетона в литературе от­сутствуют. Поэтому условно следу­ет считать, что, в первом приближе­нии, она не оказывает существен­ного влияния на эти характеристики материала, и при одинаковом пери­метре поперечного сечения волокон их свойства, при прочих равных условиях, можно также считать оди­наковыми.

Форма волокна, в отличие от формы поперечного сечения, существенно влияет как на технологичес­кие характеристики сталефибробетонной смеси, так и на механичес­кие свойства сталефибробетона.

Плоские и объемные армирую­щие элементы замкнутого профиля в виде колец, овалов, многоуголь­ников, октаэдров и т.д. хотя и запа­тентованы в различных странах, но практического применения не нашли. Сведения об их применении в практике строительства отсутству­ют, как отсутствуют сведения об экспериментальных исследованиях СФБ с их применением.

Форма линейных элементов фибр в научной литературе рассматривается широко. Она зависит от технологии изготовления фибр. В одних случаях она формируется случайным образом, например, при разрезании бухты проволоки без размотки, но чаще формообразова­ние осуществляется целенаправлен­но. Отгибы и волны на волокнах, выступы и углубления на поверхно­сти волокон значительно увеличива­ют сцепление фибр с бетонной мат­рицей, и, следовательно, изменяют механические характеристики сталефибробетона и влияют на технологические свойства сталефибробетонной смеси.

По форме фибры можно разделить на следующие группы:

- с гладкой и неупорядоченно шероховатой поверхностью(пря­молинейные, дугообразные и спиралевидные);

- профилированные,

- волнистые;

- с анкерными устройствами.

Фибры с гладкой и неупорядоченно шероховатой поверхностью получают резкой без профилирования проволоки, тонкого листа, фрезерованием слябов и толстого листа, токарной обработкой стальных заготовок.

Профилирование фибры из проволоки осуществляют с помощью одной или нескольких пар роликов поверхностью, обеспечивающей нужный рельеф. При резке тонкого листа, как и при фрезеровании, профилирование обеспечивается рель­ефной заточкой инструмента. При изготовлении фибры из расплава с помощью быстровращающегося, частично погруженного в расплав барабана, профилирование обеспе­чивается формой канавки.

В России технические условия разработаны на фибру из листа, из отработанных канатов, фрезерован­ную фибру и фибру из проволоки. На сегодняшний день официально действуют норматив­ные документы только на два типа фибр - фрезерованную и резанную из листа.

И ранее разработанные, и ныне действующие технические условия содержат требования к конкретному виду стальных фибр, учитывающие особенности рассматриваемого кон­кретного вида.

Практическое применение стальных фибр требует несколько иного подхода. Сталефибробетон применяется для различных целей. В одних случаях в большей степени используется его высокая ударная вязкость (ком­наты хранения ценностей, фунда­менты прессового оборудования, плиты трамвайных путей и т.д.). В других - повышенная износо- и мо­розостойкость (дорожные и аэро­дромные покрытия и др.). В-третьих - высокое временное сопротивление растяжению и изгибу (тонкостенные конструкции, кольца, трубы и пр.).

Различные эксплуатационные и технологические характеристики сталефибробетона обеспечиваются применением фибр с различными характеристиками. К ним, прежде всего, следует отнести механичес­кие показатели: временное сопро­тивление растяжению, модуль упру­гости, относительное удлинение и геометрические характеристики: длина фибр, соотношение длины и диаметра (приведенного диаметра), наличие анкеров, форма и площадь поперечного сечения, состояние поверхности, наличие шероховато­стей, насечки, покрытия.

При обеспечении одинаковых вышеперечисленных характеристик способ производства стальной фиб­ры особого значения не имеет.

Нормативная документация, рег­ламентирующая характеристики стальной фибры, представлена преимущественно техническими усло­виями. Практически все техничес­кие условия на стальную фибру со­держат лишь ограничения по ниж­нему допустимому временному со­противлению при растяжении. Для стальной фибры из листа - это 250 МПа, для фибры из проволоки - 690 МПа, для фибры из канатов - 800 МПа.

При проектировании различных типов конструкций в расчетах учитывается информация о временном сопротивлении фибр при растяже­нии. В связи с этим, думается, це­лесообразно классифицировать фиб­ры по временному сопротивлению при растяжении с шагом 100 МПа, начиная от 300 до 1200 МПа.

При маркировке фибр по клас­сам на первом месте следует раз­мещать индекс, обозначающий спо­соб производства, затем временное сопротивление растяжению.

Для проволочной фибры пред­лагается индекс - П, для фибры из листа - Л, для фибры из канатов -ПК, для фрезерованной - Ф, для токарной фибры - Т, для фибры из расплава - Р.

В известных технических усло­виях в маркировке приводятся либо размеры сечения в мм (для фибры из листа), либо длина и ди­аметр в мм (для фибры из канатов), либо группа по размеру с буквен­ной индексацией (для проволочной фибры). Предлагается в маркиров­ке фибры приводить длину и диа­метр, в мм.

Еще одной важной характерис­тикой при проектировании СФБ кон­струкций является величина сцеп­ления фибр с бетонной матрицей. Эту характеристику определяют рас­четным путем по различным мето­дикам, значительно отличающимся друг от друга, в том числе и резуль­татами, при одинаковых исходных данных. Величина сцепления зависит от большого числа факто­ров: длины заделки фибры в матри­цу, состояния ее поверхности, наличия покрытия, наличия и типа анкерных устройств, формы попе­речного сечения, формы самой фибры и т.д.

Предлагается величину сцепления определять эксперимен­тально по специальной методике и вводить эту величину в маркировку фибр в МПа.