Бетон как строительный материал был популярен с древних времен. Хорошо известно, что бетон был предпочтительным строительным материалом для могущественных цивилизаций прошлого, будь то египетские пирамиды или римский пантеон. В наше время бетон широко используется в различных типах зданий, тротуаров, стадионов, мостов, плотин, резервуаров, труб, туннелей и т.д. Фактически, бетон является наиболее используемым искусственным материалом в мире.
Бетон обладает высокой прочностью на сжатие, но удивительно слаб при растяжении (примерно одна десятая его прочности на сжатие), и поэтому обычно армируется материалами, обладающими высокой прочностью на растяжение (часто сталью). Решения для армирования обычного бетона в виде стальных стержней существуют и изучаются уже давно. Однако относительно новым достижением стало использование волокон в качестве армирования для улучшения свойств обычного бетона при растяжении и удовлетворения множества различных специфических потребностей конструкционного бетона. Были проведены огромные исследования и реализовано множество проектов различного масштаба в различных странах мира, включая Индию.
В частности, волокна имеют тенденцию повышать прочность бетона после растрескивания, пластичность и долговечность. Волокна, равномерно распределенные и хаотично ориентированные в бетонной смеси, выполняют функцию трехмерного армирования. Широко доступные волокна включают стальные волокна, синтетические волокна, стекловолокно, арамидные волокна и натуральные волокна. Следует отметить, что использование различных видов волокон зависит от конкретного применения и не работает как единое лекарство от всех болезней. Из этих волокон сталь и синтетика обладают большей технической и коммерческой приемлемостью по сравнению с другими с точки зрения использования в полевых условиях и, следовательно, также находятся в центре внимания этой статьи.
1. Сталефибробетон (SFRC)
Сталефибробетон (SFRC) определяется как бетон, содержащий прерывистые стальные волокна, которые при введении в бетон улучшают его трещиностойкость, пластичность, энергопоглощение и ударопрочность, а также обеспечивают длительный предел прочности при растяжении после появления трещин. Волокна, особенно при изгибной нагрузке, способны удерживать матрицу вместе даже после значительного растрескивания. Таким образом, стальные волокна превращают хрупкий бетон в пластичный материал. Кроме того, в отличие от традиционной стальной арматуры, стальные волокна являются прерывистыми и трехмерно ориентированными в бетонной матрице.
Благодаря перечисленным преимуществам SFRC широко используется для таких применений, как промышленные полы, фундаментные плиты, торкретирование, туннелирование и сборные элементы. Что касается этих областей применения, SFRC является хорошо зарекомендовавшим себя строительным материалом и значимой альтернативой обычному или армированному бетону. Кроме того, прерывистая форма арматуры в SFRC повышает устойчивость к коррозии, которая является основной проблемой для обычных железобетонных элементов.
Однако влияние волокон на свойства бетона в значительной степени варьируется в зависимости от типа волокна. Доступны различные типы волокон (рис. 1) в зависимости от выбора материалов (высокоуглеродистый, низкоуглеродистый), форм (крючковатый, гофрированный) и различных размеров. Поэтому сталефибробетон, армированный стальными волокнами, никогда не следует упрощать как “бетон со стальными волокнами”. SFRC следует рассматривать как инженерный материал, который при добавлении в соответствующий бетонный состав в соответствии с подходящим типом волокна и соответствующей дозировкой отвечает заданным требованиям.
1.1 Применение SFRC
Как правило, в конструкциях SFRC следует использовать только в качестве дополнительной функции для предотвращения растрескивания, повышения ударопрочности, сопротивления динамическим нагрузкам и разрушению материала. В конструктивных элементах, где возникают значительные напряжения при изгибе и растяжении в осевом направлении, таких как балки, колонны, подвесные / кровельные плиты и т.д., одних стальных волокон недостаточно, и их никогда не следует полностью использовать для замены традиционной стальной арматуры. Ниже перечислены некоторые из наиболее подходящих примеров (рисунок 3) общего конструктивного и неструктурного применения SFRC:-
- Гидротехнические сооружения — плотины, водосбросы, отстойники и шлюзные каналы в виде новых или сменных плит или перекрытий для защиты от кавитационных повреждений
- Мощение и перекрытия аэропортов и автомагистралей – особенно там, где требуется более тонкая, чем обычно, плита
- Промышленные полы — для ударопрочности и устойчивости к тепловому удару
- Огнеупорный бетон — с использованием высокоглиноземистого цемента как для литья, так и для торкретбетонирования
- Фундаментные плиты для жилых зданий
- Настилы мостов — в качестве верхнего слоя, когда основная конструктивная поддержка обеспечивается нижележащим железобетонным настилом
- В торкретбетонных облицовках — для подземной опоры в туннелях и шахтах, обычно с помощью анкерных болтов
- В торкретбетонных покрытиях — Для стабилизации надземных скальных или грунтовых откосов, например, автомобильных и железнодорожных перегонов, а также насыпей
- Тонкослойные конструкции — торкретбетонные “пенопластовые купола”
- Взрывозащищенные конструкции — обычно в сочетании с арматурными стержнями
- Возможное применение в будущем в сейсмостойких конструкциях
1.2 Эксплуатационные характеристики SFRC
Необходимо понимать, что, хотя все различные типы стальных волокон, упомянутые выше, так или иначе улучшают свойства бетона, они делают это с разной степенью эффективности. Например, не все из них соответствуют требованиям, предъявляемым в полевых условиях, и в них отсутствуют технические детали, необходимые проектировщику для оценки характеристик фибробетона в конструкции. Идея состоит в том, чтобы иметь “инженерное волокно”, а не просто какую-либо альтернативу, чтобы заставить решение работать так, как оно предусмотрено в конструкции. Некоторые из важных параметров перечислены ниже:-
- Форма (прямая, крючковатая, волнистая, гофрированная, Скрученная, коническая)
- Длина (от 12,7 до 63,5 мм)
- Диаметр (от 0,4 до 1,0 мм)
- Предел прочности при растяжении (1000-2500 Н /мм2)
Влияние параметров фибробетона
Существует несколько способов, с помощью которых можно быстро оценить эксплуатационные характеристики различных типов волокон. В зависимости от формы, волокна с крючковатыми концами прошли проверку временем и зарекомендовали себя как наиболее экономичная форма крепления, улучшающая характеристики волокна по сравнению с прямыми волокнами и различными другими формами. Кроме того, некоторые производители специально разработали уплотненные или склеенные волокна для обеспечения однородного распределения волокон в бетоне и предотвращения комкования волокон при смешивании с бетоном.
Еще одним из наиболее важных эксплуатационных параметров волокон является соотношение сторон. Соотношение сторон, говоря простым языком, — это отношение длины волокна к диаметру. С увеличением длины волокна увеличивается и площадь, покрываемая волокнами в бетоне. Аналогичным образом, с уменьшением диаметра волокон увеличивается количество волокон на единицу веса, тем самым увеличивая количество проволок на единицу объема бетона. См. Следующие типичные данные (таблица 1), в которых сравниваются три различных типа волокон конкретного производителя на основе соотношения сторон. Эти свойства будут варьироваться от производителя к производителю стальных волокон.
| 3D 45/50BL | — l /d = 45 | L = 147 м / кг |
| 3D 65/60BG | — l / d = 65 | L = 200 м / кг |
| 3D 80/60BG | — l / d = 80 | L = 276 м / кг |
Это просто означает, что волокна с более высоким соотношением сторон имеют более широкую сеть волокон по сравнению с волокнами с более низким соотношением сторон при том же уровне производительности. По сути, это также привело бы к более низким дозировкам для волокон с более высоким соотношением сторон. Обычное количество стальных волокон колеблется от 10 кг / м3 при более высоком соотношении сторон (80) до 80 кг / м3 при более низком соотношении сторон (50). Таким образом, простое сравнение дозы волокна с другой дозировкой волокна не приведет к правильным выводам, поскольку это будет зависеть от ряда переменных.
Прочность волокон на растяжение также играет важную роль в определении эксплуатационных характеристик SFRC. Прочность должна быть достаточно большой, чтобы подвергаться существенной податливости и не разрушаться на границе раздела трещин. В этом случае более важными становятся уровни допуска волокнистых компонентов, поскольку важно гарантировать минимальную прочность на разрыв для каждой нити волокна для достижения требуемых эксплуатационных характеристик.
В таблице 2 приведено сравнение характеристик плит из SFRC в зависимости от марки с использованием различных геометрий волокон при нагрузках от 3 до 7 Т УДЛ на 5 %-ное основание CBR. Дозировка волокон варьируется в зависимости от соотношения сторон, прочности на растяжение, крепления и т.д. Пожалуйста, обратите внимание, что это конкретные результаты и представлены только для упрощения понимания концепции.
| Номер лицензии. | Соотношение сторон (L / D) | Тип | Длина , мм | Диаметр , мм | Длина (м / кг) | Дозировка (кг/м3) |
| 1 | 48 | Рыхлый | 50 | 1.05 | 147 | 31.5 |
| 2 | 67 | Клееный | 60 | 0.9 | 200 | 20 |
| 3 | 80 | Клееный | 60 | 0.75 | 276 | 15 |
1.3 Практические аспекты SFRC
Одной из основных задач SFRC является введение достаточного объема волокон для равномерного распределения (рис. 5 ) для достижения желаемых улучшений механических характеристик при сохранении достаточной обрабатываемости свежей смеси для обеспечения надлежащего перемешивания, укладки и отделки. Существует несколько процедур дозирования смесей SFRC, которые подчеркивают удобоукладываемость полученной смеси. Меньшие дозы стальных волокон в бетоне обычно не требуют внесения слишком больших изменений в расчетную смесь, поскольку добавление волокон не оказывает серьезного влияния на обрабатываемость бетона. Однако есть некоторые соображения, относящиеся конкретно к SFRC. Как правило, смеси SFRC содержат более высокое соотношение мелкого и крупного заполнителя, чем в обычном бетоне, и поэтому процедуры дозирования смеси, которые применяются к обычному бетону, могут быть не совсем применимы к SFRC. Кроме того, для улучшения обрабатываемости при более высоких объемных дозировках волокна часто используются суперпластификаторы в сочетании с воздухововлечением.
Чаще всего при использовании транзитной или вращающейся барабанной мешалки волокна следует добавлять во влажный бетон в последнюю очередь. Осадка одного только бетона, как правило, должна быть на 15-25 мм больше, чем желаемая осадка SFRC, или на 50-60 мм в случае SFR. Использование собранных / склеенных волокон, удерживаемых вместе водорастворимым компонентом, который растворяется во время перемешивания, в значительной степени устраняет проблему комкования. Отделочные операции с использованием SFRC по существу те же, что и для обычного бетона, хотя, возможно, необходимо проявлять больше осторожности при изготовлении.
1.4 Заключительные замечания по SFRC
Стальные волокна уже более 3 десятилетий широко используются во всем мире в различных областях применения. Следовательно, существует множество международных руководств, в которых подробно описываются технические аспекты проектирования конструкций из SFRC. Сокращение сроков строительства, упрощение чертежей арматуры, отсутствие складских помещений, повышенная безопасность работ, а также повышенная долговечность и пластичность — вот лишь некоторые основные преимущества SFRC, которые упоминаются в этом контексте. В то же время необходимы некоторые специальные знания для понимания, проектирования и применения этого специального строительного материала.
2. Синтетический фибробетон (SYNFRC)
Синтетические волокна — это искусственные волокна, получаемые в нефтехимической и текстильной промышленности. Различные типы волокон, которые были испытаны в бетоне, включают акрил, арамид, углерод, нейлон, полиэстер, полиэтилен и полипропилен. Следует отметить, что полипропиленовые волокна нашли коммерческое применение и были предметом обширных сообщений. Они относятся к категории микросинтетических волокон.
Около десяти лет назад поставщики начали предлагать макросинтетические волокна. Некоторые применения для горных работ и сборных элементов были выполнены с использованием этого совершенно нового строительного материала. Макросинтетические волокна иногда имеют размеры, сравнимые со стальными волокнами, но, тем не менее, сильно отличаются по свойствам материала. Тем не менее, существуют определенные области применения, где пластиковые волокна превосходят другие материалы с точки зрения обеспечения преимуществ для бетона.
2.1 Micro SYNFRC и его приложения
Микроволокнистый бетон с полипропиленовыми волокнами в основном используется для уменьшения пластической усадки свежего бетона. В процессе твердения бетона рассеивание тепла гидратации бетона в сочетании с испарением воды вызывает растягивающие напряжения. При превышении порогового значения этих напряжений в бетоне начинают развиваться микротрещины. Микроволокнистый бетон с полипропиленовыми волокнами эффективно снижает показатели ранней усадки в первые 10 часов заливки. Причина в том, что эти типы волокон способны задерживать некоторое количество воды и замедлять процесс испарения. Они также способны выдерживать некоторые ограниченные растягивающие напряжения, особенно в раннем возрасте. Эти типы волокон лучше подходят для уменьшения трещин при усадке пластика и часто добавляются в дополнение к армированию бетона.
Еще одно применение этих волокон заключается в улучшении огнестойкости бетонных конструкций при очень высоких температурах. Бетон сам по себе является хорошим огнестойким материалом. Однако при чрезвычайно высоких температурах бетон имеет тенденцию откалываться из-за того, что захваченные пары при пожаре выходят из плотной пористой структуры бетона. Добавление микроволокон в бетон гарантирует, что по мере расплавления этих волокон в пористой структуре бетона образуются открытые каналы, которые позволяют выделяющимся парам выходить наружу, тем самым снижая внутреннее давление и предотвращая откалывание.
2.2 Macro SYNFRC и его приложения
Макроволокнистый бетон с полипропиленовыми волокнами в основном используется в условиях слабонагруженных конструкций, где характеристики бетона рассчитываются как бетона без трещин только для улучшения характеристик бетона с точки зрения его растрескивания и повышения стойкости к процессу термической усадки.
Причина, по которой эти волокна в основном используются в малонагруженных конструкциях, заключается в том, что в случае сильно нагруженных конструкций эти волокна имеют тенденцию к растрескиванию, и, следовательно, конструкция в растрескавшемся состоянии при длительных нагрузках не спасает конструкцию в случае разрушения. Макросинтетические волокна не подвержены коррозии. Следовательно, в случае макроволокон на поверхности не появляется ржавых пятен. Кроме того, макросинтетические волокна могут эффективно использоваться в качестве временных облицовок, например, для шахт, когда допускаются и приемлемы большие деформации. Однако следует отметить, что из-за низкого модуля Юнга макросинтетических волокон ширина трещин очень значительна (> 0,5 мм) до начала работы волокон.
2.4 Заключительные замечания по SYNFRC
Синтетические волокна обладают особыми преимуществами, которые они придают бетону на различных этапах строительства и при различных типах применения. Микроволокна обеспечивают превосходное решение проблемы пластической усадки бетона и повышают огнестойкость бетона, в то время как макроволокна находят подходящее применение при более высоких структурных деформациях и меньших нагрузках. Хотя существует ряд вариантов в зависимости от типа используемого волокна, очень важно правильно выбрать волокна для соответствующего применения. Следует позаботиться о проектировании конструкции с учетом соответствующей нагрузки, приходящейся на нее, полностью понимая ограничения используемых волокон. Несмотря на правильный дизайн конструкции и выбор волокна, многое зависит от инженера, выполняющего эту работу.