Фибробетон
1.2.1 Общие сведения
Фибробетон - бетон, армированный дисперсными волокнами (фибрами). С давних пор велись армирования строительных материалов для повышения их прочности и устойчивости. В пример можно привести саман, т.е. материал, в котором глину запрессована рубленая солома, (иногда шерстью животных армировали гипс). Для интерьера использовали формовочный гипс с волокнистыми добавками (пеньки).
В начале ХХ века начали применять асбестоцемент, который состоит из смеси цементного теста с асбестовыми волокнами (прочность асбестовых волокон на растяжении 300-1000 МПа). Асбестоцемент широко применяется в самых различных областях (для устройства кровли, изготовление труб, обшивочных листов, теплоизоляции и т.д.)
Как только появились пластмассы, их начали армировать различными волокнами. По крайней мере 60 лет назад было доказано, что реальные материалы, которыми пользуется человечество, теоретически могут быть во много раз прочнее. Ученые обнаружили и причины снижения прочности.
Это микроскопические трещины, дефекты в структуре материала. Как их избежать или хотя бы уменьшить их количество? Оказалось, что наиболее эффективный путь - превратить материал в тончайшее волокно. В том случае в сечении волокна для дефектов просто не остается места.
Практика подтвердила прогнозы теоретиков: удельная прочность материалов при их превращении в волокна возросла в 10, в 210, даже в 100 раз. Нити стали делали из стекла, карбида кремня, оксида алюминия, бора, органических веществ.
Тончайшие стальные проволочки уступили пальму первенства углеродным волокнам. Самые лучшие из них легче стали, а по прочности они не уступают её лучшим маркам. Но прочность отдельных волокон еще ничего не решает. Надо найти возможность их совместной работы, защитить от ударов и других разрушающих воздействий. Для этого и были найдены новые материалы-композиты, в которых волокна утоплены в матрице или связующем матрице (матрица-затвердевший полимерный материал).
Цементное тесто в бетоне тоже можно считать волокнистым материалом. При рассмотрении образцов в электронный микроскоп видно длинные волокна кальция (тоберморита) толщиной в несколько сотен ангстрем или длиной в несколько микрон.
Наблюдая за свойствами всевозможных материалов, армированных волокнами самого разного происхождения, специалисты в строительной области решили добавлять волокна в бетон с целью улучшения его характеристик. Ряд изобретений был получен еще в довоенное время, однако исследования в этой области развернулись лишь в начале 50-х годов. Большое развитие эти работы получили в 60-е годы. В качестве армирующего материала использовали в основном стекловолокна и стальную фибру.
Новые материалы объединили под общим названием «композитные бетоны», хотя и обычные бетоны состоят из таких разнородных компонентов, как вода, цемент, добавки, заполнители и также могут быть отнесены к разряду композитных или комбинированных, материалов.
Дисперсно-армированный бетон обладает рядом положительных свойств, повышенной трещиностойкостью, прочностью на растяжение и изгиб, ударной вязкостью, сопротивлением истираемости.
1.2.2 Виды и свойства волокон
К волокнам, применяемым при дисперсно-армировании, предъявляются следующие требования: достаточная длина, малый диаметр и гибкость, высокий модуль упругости (иногда он намного превышает модуль упругости цементного камня), высокая прочность при растяжении, хорошее сцепление с цементом, стойкость к агрессивным воздействиям, низкая токсичность, не высокая стоимость.
В настоящее время известно несколько способов получения стальных фибр:
Из проволоки с резким профилированием на специальных станах;
Из стальной полосы, заданной ширины с поперечной резкой спиральными фризами (А. с. 1054517)
Из стального слитка путем фрезерования;
Вытяжкой волокон из расплава
Первые три способа основаны на переработке дефицитной металлургической продукции, стоимость получаемых фибр весьма высока (от 240 до 450 руб.). При вытяжке фибр из расплава возникают технологические сложности, что затрудняет широкое использование этого метода в промышленном производстве.
Одним из перспективных путей получения стальных фибр является использование стальных отходов - отработанных канатов некондиционного тонкого стального листа и обрезков, отходов проволоки и т.д.
Применение отходов позволяет утилизировать вторичные ресурсы, значительно снизить стоимость исходного материала (30…50 р\т).
Ежегодно в СССР сдавалось около 650 тыс. тонн отработанных канатов, среднее количество отходов тонколистовых прокатных станов равно 5…6%, при работе только одного стана мощностью 500 тыс. тонн получается около 25…30 тыс. тонн отходов.
Канаты предварительно разрезают, отрезки прядей, заданной длины (L\D=100), подают в четырех валковую дробилку, где их расщепляют на отдельные фибры. Из дробилки фибры попадают в дозирующие емкости и на очистку (острым паром с добавкой моющих средств или сухая очистка).
Но наряду с достоинствами такая фибра имеет и недостатки: технологические сложности при удалении сердечника и смазки, при хранении такие установки можно расположить на ЖБИ.
Для централизованного изготовления лучше производить фибру из отходов тонколистовых станов. Она представляет собой стальную стружку, изогнутую в продольном направлении на винтовой линии - хорошая анкеровка объединений фибр в пакеты, препятствует ее познаванию при транспортировании и хранении.
Стальные волокна давно уже использовались при изготовлении железобетонных полов, которые обладали повышенной износостойкостью.
В 1923 году во Франции были взяты патенты на бетонную смесь с добавками из стальных волокон. К этому времени получил распространение армоцемент, в котором армирование осуществлялось тонкими сетками. Однако серьезные исследования начали вести в этой области в послевоенное время. Волокна могут быть не только гладкими прямоугольного сечения, но самых различных форм, с шероховатостями для улучшения сцепления.
Волокна вводят в бетонную смесь в количестве 1-3,5% по объему раствора бетона (по массе 3,5-9% что составляет 80-200 кг. Фибры на 1 м3 смеси). Сопротивление сжатию повышается на 10-30%, резко возрастает сопротивление ударам, износостойкость.
Предпринимались попытки покрывать стальные волокна полимерными материалами для предотвращения коррозии, однако риск коррозии не очень велик, если используется микробетон или раствор с повышенным расходом цемента.
Рекомендуется применять для армирования бетона тонкую проволоку диаметром 0,1-0,5 мм в виде отрезков длиной 10-50 мм. Оптимальные размеры фибр: D=0,3 мм, L=25 мм. В случае увеличения диаметра фибр свыше 0,6 мм резко уменьшается эффективность их влияния на прочность бетона.
Из неметаллических волокон могут применяться природные, искусственные, органические, стеклянные, углеродные, базальтовые, нейлоновые, полиэфирные, полипропиленовые.
Асбестовые волокна обладают рядом ценных преимуществ. Характеризуются высокой прочностью, огнестойкостью, стойкостью к действию щелочей и среды цементного камня. Все эти свойства позволяют использовать их для производства различных асбестоцементных изделий по особой технологии в заводских условиях. Монолитные конструкции из асбестоцемента не нашли применение, поскольку они потребовали бы много асбестового волокна.
Стеклянные волокна обладают высокой прочностью на растяжении 1500-3000 МПа, в некоторых случаях до 6000 МПа. Модуль деформации у них выше примерно в два раза по сравнению с цементным камнем. Коэффициент теплового расширения волокон ненамного отличается от коэффициента для цементного камня.
Применяются стекловолокна диаметром несколько десятков микрон (5-20 мкм) и длиной до 25 мм. Вводят его в качестве 1-4% по объему. К недостаткам стеклянной фибры можно отнести ее быстрое разрушение под воздействием щелочной среды цемента (при содержании 0,1-1,5% Na2O + K2O) Чтобы этот недостаток преодолеть есть несколько путей:
- Применение портландцементов с низким содержанием щелочей;
- Применение глиноземистого цемента, который не содержит щелочей и не оказывает агрессивных воздействий на стекло;
- Использование добавок к цементу, связывающих щелочей;
- Применение волокон из специального стекла не подвергающегося коррозии (боросиликатное, циркониевое, базальтовое);
- Применение покрытий для стекол, например, на основе эпоксидной смолы. В этом случае повышается сцепление стекловолокна с цементным камнем. Кроме того, обработанное стекловолокно обладает высокой ударной вязкостью и огнестойкостью.
Из полимерных волокон применяются полиэфиры, полиарилаты, полипропилен, полиамидный нейлон и другие. Они не подвержены агрессивным воздействиям цемента, модуль упругости их ниже, чем у цементного камня, а коэффициент теплового расширения в 3-9 раза выше. Огнестойкость их не высока (250 С), однако она в изделии защищается цементным камнем. Полимерные волокна имеют не очень высокую адгезию с цементом, поэтому возникает необходимость применять специальную фибру периодического профиля или наносить на специальное покрытие.
Полимерные волокна дороже асбестовых.
1.2.3 Приготовление бетонной смеси с добавлением фибры
При замесе необходимо обеспечивать равномерное распределение волокон в смеси. Бетонная смесь с фибрами склонна к комкованию, а волокна могут спутываться в «ежи». Подобное явление наблюдается в случаях, когда содержание фибры превышает 2% по объему для металлической фибры, при слишком высоком отношении длины волокон к диаметру, при чрезмерном продолжительном замесе, а также когда высоко содержание крупного заполнения (крупность его не превышает, как правило, 10 мм).
Бетонная смесь с добавлением фибры требует несколько большего расхода воды, чем обычно, поскольку осадка корпуса уменьшается. Это свойство может быть положительно при немедленной распалубке. В этом случае целесообразно применять пластифицирующие водопонижающие добавки, увеличивать количество мельчайших частиц (цемента и мелкого заполнителя).
Расход цемента составляет 400-500 кг\м3.
Для лучшего приготовления смеси используются различные приемы: вводят фибру в последнию очередь непосредственно в бетонносмеситель или смешивают сначала заполнители и волокна, а затем добавляют цемент и воду. Вибрование главным образом на виброплощадке может привести к ориентации волокон определенным образом (хотя в некоторых случаях именно для этого и добавляется). Нередко наружное вибрование оказывается наиболее целесообразным.
1.2.4 Особенности поведения фибробетона при воздействии нагрузки
Д
исперсное
армирование позволяет увеличить
прочность на растяжение изгиб, иногда
в 2-3 раза. Исследование Ромуальди и
Манделя показали, что важную роль в
фибробетоне играет величина расстояния
между волокнами. Оно определяется по
следующей формуле:
S=kd 1\p
Где k- коэффициент
d- диаметр волокон
p- объемный процент волокон
Фибра способна играть свою основную роль приостанавливать развитие волосяных трещин. Лишь при расстоянии между отдельными волокнами не более 10-12 мм. Отсюда максимальная крупность заполнителя не должна превышает 10 мм.
Наличие у волокон крючков-значительно улучшает их сцепление с бетоном и позволяет еще более увеличить прочностные показатели материала. Прочность на растяжение может быть увеличена в 3,5 раза (при использовании металлической фибры). Вообще дисперсное армирование повышает прочность на сжатие незначительно (на 10-30%). Резко улучшается сопротивляемость механическим и тепловым ударам.
Разрушение фибробетона происходит не сразу, как у обычного бетона, хотя и происходит образование волосяных трещин, которые можно «прослушать» с помощью ультразвуковой аппаратуры. Вначале в бетоне образуются микротрещины, число которых увеличивается. Образование сплошной трещины, происходит при более значительной величине деформаций, чем в обычном бетоне. Фибра «держит» материал, помогает ему сопротивляться растягивающим напряжениям, одни волокна вырываются, другие разрушаются. Это имеет важное значение, поскольку в случае, когда железобетон подвергается механическим или тепловым ударом (пожар, бетон не выкрашивается и еще долгое время обеспечивает надежную защиту арматуры и бетона в нижних слоях). Это явление связывание вместе кусков бетона при растрескивании наблюдается при разрушении не только от растяжения, но также от сжатия.
Эффективность влияния различных видов волокон на свойства бетона зависит от соотношения модулей упругости армирующих волокон и бетона. При отношении Евол/Ебет>1 возможно получение фибробетонов с повышенной прочностью на растяжение и трещиностойкостью. При Евол/Ебет <1 повышается ударная прочность и сопротивление материала истираемости.
На способность волокон останавливать трещинообразование влияют такие факторы, как длина волокон, их содержание смеси и расстояние между ними. Резкое повышение сопротивляемости механическим и тепловым ударом можно объяснить поглощением волокнами части энергии удара.
1.2.5 Области применения фибробетона
Из фибробетонов и фиброцементов можно изготовлять тонкие плитки, тонкостенные панели фасадов со сложным рельефом ( с применением синтетических волокон), трубы, резервуары, элементы ограждений, лотки, бордюрные камни тротуаров, бункера, покрытия и дорожки аэродромов, настилы мостов, полы промышленных зданий, жаростойкие бетоны, штукатурки, лёгкие бетоны, тонкостенные корпуса судов.
Возможно дисперсное армирование жирных растворов, которое можно экструдировать или прокатывать. Можно обезвоживать армированные материалы, например, при помощи виброотжатия.
Для армирования ячеистых бетонов гипсобетонов могут применяться полимерные волокна, которые имеют низкий модуль упругости.
Полимерные волокна лучше использовать для тонкостенных изделий, подвергающихся ударом в условиях агрессивной среды. В этом случае стальные волокна могут разрушаться от коррозии.