Бетонные конструкции обладают высокими прочностными характеристиками при сжатии. Для таких конструкций крайне нежелательным параметром является неспособность воспринимать растягивающие усилия. Поэтому в растянутую зону бетона вводят армирование плоскими и пространственными каркасами таким образом, чтобы совокупность внутренних силовых факторов сжатой зоны бетона и растянутой арматуры находились в равновесии. Так достигается несущая способность изгибаемых элементов конструкций: балок, ригелей, плит перекрытия и покрытий, монолитных плитных и ленточных фундаментов. Эксплуатация железобетонных конструкций в нормальных условиях окружающей среды (при температуре 20°С) и полном отсутствии агрессивности окружающей среды создает тенденцию к высоким показателям долговечности, т.е. к длительной эксплуатации строительных конструкций без последующих ремонтно-восстановительных работ. На территории Российской Федерации с учетом изменчивости не только климатических параметров, но и геологических (сезонное изменение уровня грунтовых вод, их агрессивности) достичь высоких параметров по долговечности крайне сложно. Для решения этого вопроса применяются бетоны с модифицирующими добавками и меры по защите строительных конструкций от коррозии – гидроизоляция. Результатом введения модифицирующих добавок в бетон являются высокие начальные физико-механические характеристики. В то же время плохо исследован вопрос влияния модифицирующих добавок на функцию деградации бетона: ряд исследователей считает, что применение только модифицирующих добавок в значительной мере увеличивает «старение бетона». В практике применения железобетона по мере появления новых технологических идей ужесточаются и требования к строительным конструкциям. В ряде случаев применение как первичной, так и вторичной защиты строительных конструкций от коррозий оказывается недостаточным и необходимы новые материалы, доступные и простые с точки зрения применения на строительной площадке и в то же время обладающие завышенными прочностными и деформационными характеристиками. Одним из таких материалов является фибробетоны с дисперсно-армированными углеродными и стальными волокнами.
Почему углерод и сталь? – дело в том, что сталь и углерод как элементы обладают высоким модулем упругости, что напрямую влияет на жесткость и несущую способность элементов конструкций. С точки зрения физико-механических характеристик дисперсного армирования очевидно преимущество стальных волокон над углеродными по ряду причин: более однородное распределение в объеме бетонной смеси без использования специальных бетоносмесителей и способность воспринимать не только растягивающие, но и сжимающего усилия. В то же время существует однозначный недостаток: коррозионная устойчивость стали значительно ниже углерода. Поэтому в настоящее время дисперсно-армированные стальные волокна изготавливаются с высоким содержанием углерода, обеспечивая таким образом коррозионную стойкость в минерализованной среде. Дисперсное армирование из стальных высокоуглеродистых фибр называется ФСВ (фибра стальная высокоуглеродистая). При добавлении в бетонную смесь ФСВ получается композитный строительный материал, называемый СФБ – сталефибробетон.
Конкретными примерами применения сталефибробетона на практике являются опытные партии труб диаметром 500 мм, длиной 5000 мм и толщиной стенок 30 мм, выпущенные и аппробированные в Производственном Объединении «Вологдатяжстрой», рисунок 1. Отмечено увеличение несущей способности в 2 раза по сравнению с типовыми проектами.
Рис. 1. Характер разрушения труб после испытания на механическую прочность. Слева: сталефибробетонная труба, выдержавшая усилие 120 кН/п. м. Справа: железобетонная труба по ТУ 401-08-162-72, выдерживающее усилие 60 кН/п. м.
В ЦНИИпромзданий в сборных конструкциях емкостных сооружений (резервуарах) с сеткой колонн 3х6 м по серии 3.900-3 разработаны панели толщиной 40 мм вместо 80 мм в типовых железобетонных конструкциях, в которых применение сталефибробетона позволило снизить вдвое расход бетона и на 8—10 % — расход стали. Там же разработаны лотки из сталефибробетона для широкой номенклатуры коммуникационных каналов промышленных зданий и лотки для водопровода и канализации, в результате которых удалось достичь: снижение более чем вдвое расхода бетона, на 10—13 % — стали, на 25—50 % — стоимости и почти в 2 раза — трудоемкость их изготовления.
Были проработаны предварительно-напряженные конструкции ребристых плит покрытий, испытанные на Производственном Объединении «Баррикада», взамен типовых конструкций плит покрытий размерами в плане 3х6 м и 3х12 м, результатом которого было снижение полки плиты с 30 мм до 20 мм.
В АО ЦНИИпромзданий разработана номенклатура несъемной опалубки в виде сталефибробетонных плит толщиной всего лишь 15 мм. Применение сталефибробетонной несъемной опалубки вместо инвентарной щитовой позволяет снизить трудозатраты на строительной площадке на 20—25 %, а также сократить сроки строительства.
Мосинжпроект при совместной работе с НИИЖБ разработали чертежи сталефибробетонных плит для покрытий городских дорог взамен железобетонных по ГОСТ 23009—78 при которой удалость достичь уменьшение плиты на 20мм.
Положительно зарекомендовал себя опыт применения сталефибробетона в строительстве участков тоннеля «Петербургского метрополитена», которые эксплуатируются и в настоящее время. А также при строительстве днища резервуаров на Северной водопроводной ГУП Водоканал Санкт-Петербурга.
В таблицах приведены данные по массовому применению сталефибробетона в России и за рубежом, полученные для разработанных конструкций на основе СФБ, соответствуют заданным эсплуатационным характеристикам типовых конструкций - аналогов.
Таблица 1 – Опыт массового применения сталефибробетона в России
| НАИМЕНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ, РЕКОМЕНДУЕМЫХ К МАССОВОМУ ПРОИЗВОДСТВУ | ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ |
| Панель покрытия преднапряженная складчатая сталефибробетонная, 1985 г. | Снижение веса конструкции на 20% |
| Сталефибробетонные кольца круглых колодцев для водоснабжения и канализации, 1985 г. | Снижение стоимости на 13%, трудоемкости изготовления - на 20% |
| Неотапливаемое здание универсального назначения из сталефибробетона. (Для экспериментального строительства), 1984 г. | Мобильность изготовления и сборки |
| Сборные сталефибробетонные предварительно напряженные плиты размером 6x1,5 м для покрытий производственных зданий, 1981 г. | Снижение расхода бетона на 19%, арматуры - на 17% |
| Отстойники канализационные радиальные первичные диаметром 18, 24, 30 и 40 м с днищем из дисперсно армированного бетона (сталефибробетона), 1985 г. | Снижение себестоимости на 18-22% и трудоемкости изготовления на 32 - 38% |
| Сваи забивные сталефибробетонные ударопрочные сплошного квадратного сечения (цельные и составные), 1983 г. | Снижение приведенных затрат на 6 - 16,4 руб./м3 и трудозатрат на погружение - 0,4 - 0,9 чел.-дн./м3 |
| Плита жестких покрытий аэродромов. ПАФ – I, 1976 г. | Снижение расхода бетона на 7%, арматуры - на 12%, трудоемкости изготовления на 26% |
| Анкерная опора трубопроводов свайная АОП - Iф | Увеличение срока службы в 1,5 раза, cнижение трудозатрат на 20% |
| Плита дорожная напряженная, 1986 г. | Увеличение срока службы вдвое, снижение расхода: металла - на 6,9%, цемента - на 7,5%. Снижение приведенных затрат на 3,43 руб./м2 |
| Сборные предварительно напряженные плиты перекрытий из сталефибробетона размером 6x1,5 и 5,55x1,5 м под нагрузку 25 КН/м2, 1982 г. | Снижение расхода бетона на 18%, стоимости на 2-5%, трудоемкости изготовления - на 35% |
| Опытные сталефибробетонные предварительно напряженные плиты размером 3x6 м для покрытий производственных зданий, 1983 г. | Снижение стоимости на 3%, трудоемкости изготовления - на 9%, снижение веса на 17% |
| Сборные железобетонные конструкции емкостных сооружений. Конструкции с применением фибробетона. Технические решения, 1986 г. | Снижение трудозатрат на 31% |
| Номенклатура лотков из фибробетона для подпольных каналов промышленных зданий, 1985 г. | Снижение приведенных затрат на 50%, трудоемкости - на 35%, затрат на сталь - на 85%, на бетон - на 40% |
| Плита покрытия территории портов размером 160x123x10 см под нагрузку КВ 35, 1986 г. | Снижение приведенных затрат на 181,7 руб./м3 или 18,7 руб./м2 |
| Трехслойные сталефибробетонные стеновые панели отапливаемых зданий с шагом колонн 6 м, 1982 г. | Снижение расхода стали в 2 раза, стоимости почти на 20%, трудоемкости - на 31% |
Таблица 2 – Опыт массового применения сталефибробетона за рубежом
| НАИМЕНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ,РЕКОМЕНДУЕМЫХ К МАССОВОМУ ПРИМЕНЕНИЮ | СТРАНА |
| Конструкции перегонных тоннелей метрополитена | Норвегия |
| Крепь гидротехнического тоннеля диаметром 2,34 м | Великобритания |
| Тоннель Хеггура и газопроводные тоннели под дном Северного моря | Норвегия |
| Железнодорожные тоннели | Канада |
| Коллекторные тоннели метрополитена | ФРГ, Франция |
| Автодорожный тоннель (8,63 км) на глубине до 1,0 км | Япония |
| Конструкции дорожных одежд, конструкции плотин | Япония |
| Конструкции мостов | Япония |
| Конструкции угольных шахт | США |
| Жаропрочные конструкции | США |
| Монолитные конструкции полов промышленных зданий | США |
| Устройство откосов | Япония |
| Возведение оболочек, резервуаров, ремонт различных сооружений. Фибробетон для торкретирования | ФРГ |
| Тротуары, дорожные одежды, ремонтные работы, торкрет, сборные конструкции | Австралия |
У СФБ существуют также разновидность: ВСФБ – высокопрочный сталефибробетон, по прочности равный или превосходящий бетоны классов В60 и выше. Зачем добавлять стальную фибру в бетон В60? Ведь там высокие запасы прочностных характеристик? – по достижению предельных характеристик при сжатии данного класса бетона характер разрушения становится взрывным и хрупким, что необходимо избегать при полноценном использовании всех прочностных характеристик. Стальное фибровое армирование при сжатии обеспечивает квазипластический характер разрушения с постепенным растрескиванием. Увеличивается деформативность и трещиностойкость. Аналогичная тенденция отмечается и в растянутой зоне. Кроме того, в растянутой зоне увеличиваются прочностные характеристики при растяжении в несколько раз. Это позволяет использовать неармированный ВСФБ (без использования рабочей арматуры) в самонесущих конструкциях, где толщина оказывает значительное влияние на вес конструкции и в неконструкционном ремонте. Создаются условия для более рационального использования рабочей арматуры несущих конструкций. В частности, как говорилось ранее, все железобетонные конструкции проектируются исходя из условия равновесия внутренних и внешних силовых факторов. Крайне нерациональны в применении переармированные элементы конструкции рабочей арматурой, также как и использование бетона ниже или выше расчетного класса по прочности: любое из вышеуказанных явлений приводит к неправильной эксплуатации и в конечном итоге выключении из работы элемента конструкции. Дисперсное стальное армирование позволяет увеличить процент продольной рабочей арматуры без изменения геометрических характеристик самой конструкции и класса по прочности бетона. В результате снижается расход и вес строительных материалов. Кроме того, для выключения элемента конструкции из ВСФБ необходима бОльшая по величине энергия разрушения, нежели для бетона того же класса без дисперсного армирования.
В настоящее время ограничение по применению сталефибробетона связано с прежде всего с такими недостатками, как:
– полное отсутствие необходимой методики проведения силовых (механических) испытаний для оценки влияния дисперсного армирования на напряженно-деформированное состояние конструкций при расчете по методу предельных усилий (что зачастую используют проектные институты) и нелинейной деформационной модели (для моделирования состояния элемента конструкции в таких расчетных программах как Lira, SCAD, Ansys и др.). Нормативные документы СП 360.1325800.2017 и ГОСТ 10180-2012 не предоставляют исчерпывающей информации при расчетах строительных конструкций как на стадии проектирования, так и на стадии ремонтно-восстановительных работ и работ по реконструкции;
– ограничения по количеству введения дисперсного армирования. Решается этот вопрос благодаря введению модифицирующих добавок (введением химическо-активной части);
– слишком быстрые сроки схватывания сталефибробетонной смеси, транспортируемой с бетонного узла (завода). Решением этого вопроса способствует применение сухих строительных смесей, готовых к применению непосредственно на строительной площадке;
– стремление производителей продать как можно больше. В то же время, у таких производителей зачастую отсутствует необходимые протоколы и заключения по применению материала.
На основании вышесказанного, компанией ГК Кальматрон при совместной работе с учеными СПбГАСУ был разработан состав «Фибробетон АСФ-1». Результатом послужили экспериментальные данные прочностных характеристик и полные диаграммы деформирования состава с учетом работы материала в минерализованной среде.
Работа выполнена в виде опытно-конструкторских работ (отчета ОКР), что позволяет использовать полученные количественные и качественные данные в:
– монолитных конструкциях и сооружениях (промышленные полы, площадки, стены, перегородки, емкостные сооружения и т.д.);
– сборных железобетонных изделиях (плиты, сваи, балки, шпалы и т.д.);
– гидротехнических сооружениях (дамбы, волноломы, причалы и т.д.);
– сооружениях, конструкциях и изделиях для транспортной инфраструктуры (тоннели, мосты, дорожные и аэродромные плиты и т.д.);
– особо прочных бетонных конструкции и сооружениях (бункеры, взрыво- и взломоустойчивые конструкции, оборонные сооружения и т.д.);
– тонкостенных конструкциях (настилы, складки, оболочки, купола, шатровые покрытия).
Похожие статьи: