CC BY
125
38
м
г гтгтгтг/ттггггг
1 (64), 2012-
It is shown that use of fiber of the modern material, capable to replace metal reinforcing rod in ferroconcrete, provides decrease of expenses for reinforcing works, increase of degree of production mechanization.
И. Н. рАдьковА, в. И. грИцАЕНко, оАо «БМЗ», И. в. ковАль, руП «Институт БелНИИС»
УДК 669.21
эффективный упрочнитЕльный КОМПОНЕНТ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ - СТАЛЬНАЯ ФИБРА
Эффективная переработка отходов производства является одной из главных проблем всех отраслей промышленности . Эта проблема также актуальна и на ОАО «БМЗ» . Отходы метизного производства, представленного тремя сталепроволоч-ными цехами, состоят из некондиционных отрезков металлокорда, тонкой латунированной проволоки, проволоки РМЛ и бортовой проволоки . До недавнего времени они использовались в собственном переделе в качестве металлошихты, однако, как показала практика, экономически это крайне невыгодно, так как степень угара проволоки в электропечах достигает 85%, поэтому необходимо было искать новые, более рациональные способы переработки и использования металлоотходов В результате специалистами завода было найдено эффективное решение этой проблемы - разработан и внедрен техпроцесс производства проволочной стальной фибры
Фибра - современный материал, способный в ряде случаев заменить металлическую стержневую арматуру в железобетоне, представляет собой материал в виде небольших отрезков проволоки или узких полос . Фибра может быть стальной, стеклянной, базальтовой и полимерной Введение фибры в бетон и ее дисперсное расположение в объеме материала позволяет получить композиционный материал на основе бетонной (цементной) матрицы . При смешивании фибры с бетоном получается фибробетон, который в отличие от обычного железобетона имеет меньшую усадку, более устойчив к образованию трещин и достаточно хорошо выдерживает вибрационные и ударные нагрузки. Сталефибробетон целесообразно применять в условиях воздействии сочетаний неблагоприятных факторов, при этом проявляется большая эффективность сталефибробетона по сравнению с традиционным бетоном и железобетоном . Имен-
но эти характеристики позволяют широко применять фибробетон в строительстве дорог, мостов, промышленных полов, железнодорожных тоннелей, аэродромов, взрывозащитных и сейсмостойких конструкциях
При разработке технологии производства и выборе технических параметров фибры для изготовления на ОАО «БМЗ» за основу были взяты геометрические характеристики, физико-механические показатели и номенклатура, во многом аналогичная некоторым типам стальной фибры, широко используемой в Европе и России .
Стальная фибра на ОАО «БМЗ» производится как из отходов высокоуглеродистой проволоки, а также из специально изготавливаемой для этих целей низкоуглеродистой проволоки и имеет следующую классификацию:
• по марке стали - низкоуглеродистая сталь (Н) и высокоуглеродистая сталь (В);
• по профилю - анкерная (А), волновая (В) и прямая (микрофибра) (М)
Условное обозначение состоит из обозначения вида стальной проволоки, вида используемого профиля, а также ее диаметра и длины Пример условного обозначения: фибра из стальной низкоуглеродистой проволоки (ФСН) анкерного профиля (А) диаметром от 0,96 до 1,05 мм, длиной 60 мм: ФСН-А-1,0/60 .
Основные характеристики фибры производства ОАО «БМЗ» приведены в табл . 1-3 .
Для реализации инвестиционного проекта по производству фибры на ОАО «БМЗ» были закуплены два волочильных стана для переработки передельных диаметров проволоки до готового размера диаметром 1,0 мм Установлены и запущены в работу 20 станков фирмы «Lamatassma» (Италия) с возможностью производства анкерной, волновой фибры и микрофибры из тонких диаметров прово-
_г гсдтгггтгЕ / о о
-1С64), 2012/ 11«
Т а б л и ц а 1. Анкерная фибра
Параметры
Показатели и их отклонения
Длина Ь, мм
30
50; 60
Номинальный диаметр В, мм
0,30-0,70
0,80-1,10
3 0-45
Т а б л и ц а 2 . Микрофибра
Параметры Показатели и их отклонения
Длина Ь, мм 12; 13
Номинальный диаметр В, мм 0,20-0,35
1.
Т а б л и ц а 3 . Волновая фибра
Параметры
Показатели и их отклонения
Длина Ь, мм
15-22
Номинальный диаметр В, мм
0,20-0,70
локи 0,2-0,7 мм и четыре станка под анкерную фибру из проволоки диаметром 0,8-1,1 мм . В установленном оборудовании реализован принцип реза проволоки, исключающий образование острых кромок, что является положительным фактором при ее переработке (рис . 1) .
В настоящее время на ОАО «БМЗ» производится проволочная фибра в промышленных объемах 400 т/мес, что позволяет обеспечить возрастающие потребности строительного рынка . Фибра поставляется в прочных коробках, изготовленных из многослойного картона, с номинальным весом не более 25 кг. Коробки устанавливаются на деревянные поддоны и обтягиваются стрейч-пленкой, обеспечивающие надежную транспортировку готовой продукции
Следует отметить, что в настоящее время на применение проволочной и иных видов фибр нет общепризнанных международных норм и стандартов, хотя работы в данном направлении, безусловно, ведутся . Примером может служить Российский свод правил СП52-104-2006 или Европейский ргЕШ4889-1. Каждый потребитель при строитель-
а
стве объектов, как правило, получает разрешение от местной специализированной организации, ответственной за допуск по использованию армирующих материалов, как например, лаборатория по испытанию материалов для строительной отрасли (МРА) в Германии, НИИЖБ - в России и БелНИИС - в Беларуси .
Для широкого внедрения стальной фибры производства ОАО «БМЗ» в России и Беларуси совместно с НИИЖБ и РУП «Институт БелНИИС» выполнен целый комплекс работ по исследованию технологических и физико-механических свойств бетонов, изготовленных с применением фибры БМЗ С целью снижения уровня неоднородности волновой фибры при ее использовании также были определены ее оптимальные геометрические параметры В результате исследований на ОАО «БМЗ» были сформулированы нормативные документы для изготовления и использования фибры:
• ТУ 14-1-5564-2008 «Фибра из стальной проволоки для дисперсного армирования бетона»
• ТУ BY 400074854 .628-2011 «Фибра из стальной проволоки для армирования бетона»
\
б
Рис . 1 . Схема отрезания проволоки при изготовлении фибры: а - обычная схема реза проволоки; б - схема реза проволоки на
станках фирмы «Lamatassma»
лп invTTrt г: ктпглгита
4U/1 (64), 2012-
• Рекомендации по проектированию и изготовлению строительных сталефибробетонных конструкций и технологии производства сталефибро-бетона с применением стальной фибры БМЗ № Р5 . 03 . 054 .09 (РБ, БелНИИС) .
• Рекомендации по проектированию и применению сталефибробетонных конструкций на фибре из стальной проволоки производства ОАО «БМЗ» (РФ, НИИЖБ) .
Фибра, производимая на ОАО «БМЗ», прошла сертификацию в системе ГОСТ Р, системе Мос-стройсертификации и Национальной системе сертификации РБ
Рекомендации по проектированию включают в себя требования к материалам сталефибробето-на, расчетные формулы по проектированию конструкций различного назначения (промышленных полов под оборудование, а также несущих элементов балок, забивных свай, аэродромных плит, банковских хранилищ, защитных сооружений и т д ) и регламентируют области применения сталефиб-робетона в строительных конструкциях
Для успешной реализации стальной фибры ОАО «БМЗ» в европейских странах в 2009-2010 гг. проведена работа по испытанию фибры и ее сертификации по стандарту EN 14889-1, в результате чего был получен сертификат соответствия TUV NORD (Германия) на анкерную, волновую фибру и микрофибру с правом нанесения СЕ-марки-ровки
Основными мировыми рынками потребления фибры являются развитые страны Европы, Америки, а также Япония и Российская Федерация . В Европе ежегодно производится около 300 тыс . т фибры, тогда как в России - всего около 10 тыс т В европейских странах фибра используется в гражданском, дорожном строительстве, при строительстве гидросооружений, тоннелей, аэропортов Основная же сфера применения фибры в России (90%) - это укладка промышленных полов, в Беларуси использование фибробетонов только начинает зарождаться, хотя некоторый опыт уже накоплен .
Причиной такого относительно небольшого использования данного вида армирования в России и Беларуси является отсутствие полноценной нормативной базы, соответствующих рекомендаций, расчетов по применению тех или иных видов фибры и, как следствие, невозможность применения данного материала в более широких областях армирования бетонных конструкций Одним из барьеров внедрения использования фибры в РБ также является отсутствие национального стандарта, ТКП и серьезного опыта работы по проектированию конструкций и изделий с данным материалом .
Для продвижения фибры на внутренний рынок в 2011 г. на Белорусском металлургическом заводе был организован и проведен семинар по перспективам применения фибры в строительной отрасли республики . На семинар были приглашены представители проектных и строительных организаций Республики Беларусь, представители РУП «Институт БелНИИС» и ЗАО «Фибробетон», «Белмет», «GSB» . В ходе семинара были всесторонне рассмотрены вопросы, показывающие преимущества использования стальной фибры по сравнению с другими армирующими материалами Было отмечено, что фибробетон по сравнению с обычным бетоном имеет более высокие качественные характеристики: повышенную прочность на растяжение и изгиб, трещино-стойкость, водонепроницаемость, пониженные деформации ползучести и усадки; высокую термостойкость и огнестойкость, высокую удельную энергию разрушения и сопротивления истираемости; повышенную морозостойкость конструкций, особенно при использовании малых диаметров фибры; увеличение ударной вязкости конструкций
Кроме того, использование сталефибробетона обеспечивает снижение затрат на арматурные работы, повышение степени механизации производства, применение высокопроизводительных приемов формования армированных конструкций; использование более эффективных конструктивных решений; повышение долговечности конструкций, увеличение межремонтного ресурса
Сотрудниками РУП «Институт БелНИИС» Минстройархитектуры Беларуси были представлены результаты работы по изучению зависимости влияния объемного содержания фибры на сопротивление сжатию и растяжению бетонов (рис . 2, 3) . Было установлено, что при использовании фибры в качестве армирующего материала значительно увеличивается сопротивление растягивающим нагрузкам, что позволяет применять фибру в конструкциях, подвергаемых растягивающим нагрузкам, например, в кольцах колодцев и тонкостенных конструкциях с высокой трещиностойкостью
Большое внимание на семинаре было уделено методике расчета составов бетонов при проектировании конструкций, приведены полученные путем экспериментально-теоретических исследований рекомендуемые составы сталефибробетонов, результаты исследований, на основании которых получены следующие зависимости:
• содержание фибры в сталефибробетоне (расход на 1 м3 СФБ смеси) определяется требованиями к его физико-механическим свойствам, назначаемым из условий применения и в зависимости от области использования сталефибробетона;
—*— ц /В=3,73 /В-3,39 /В=3,11
ц
<
О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 М, %
Рис . 2 . Влияние объемного содержания стальной фибры на растяжение при изгибе цементного камня
• эффективность дисперсного армирования возрастает с уменьшением диаметра фибры, чем меньше диаметр фибры, тем больше прирост прочности сталефибробетона .
Большой интерес представил предложенный новый метод применения фибры тонких диаметров - метод раздельной укладки (слой фибры -слой раствора) .
Также приведены основные преимущества проволочной фибры . В отличие от проволочной сетки или арматуры, которые устанавливаются в одной плоскости, стальная фибра одинаково распространяется (распределяется) по всему объему бетонной матрицы . Стальная фибра реализует изменение некоторых основных физико-механических характеристик бетона в зависимости от объемного содержания ее вводимого количества, которые могут варьироваться в пределах 15-120 кг/м3 . Одна из первоначальных функций - уменьшение микро-и макротрещин Стальная фибра препятствует распространению трещин на начальной стадии их появления, а традиционная классическая арматура, или проволочная сетка, предназначена для того, чтобы предохранить бетон от образования усадочных трещин, и не может предотвратить их распространение Влияние различных форм проволочной фибры на сопротивление трещинообразованию показано на рис . 4 .
Целесообразность применения стальной фибры также заключается в возможности усиления углов (при обычном армировании в углах находится обычный неармированный бетон)
Более подробно с материалами семинара «Перспективы применения фибры производства ОАО «БМЗ» в строительной отрасли Республики Беларусь» можно ознакомиться на сайте www. belsteel . com .
Наглядно принцип действия волокна фибры и арматуры на развитие трещин в бетоне приведен на рис 5
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Н. %
Рис . 3 . Влияние объемного содержания стальной фибры на сопротивление сжатию цементного камня
В настоящее время работы по расширению сферы использования стальной проволочной фибры ОАО «БМЗ» продолжаются . Так, в 2010-2011 гг. РУП «Институт БелНИИС» проведена работа по дальнейшим исследованиям свойств сталефибро-бетона с применением стальной фибры ОАО «БМЗ», в результате которой были:
1) изучены особенности используемых материалов и оборудования, исследованы технологические и физико-механические свойства сталефибро-бетона для изготовления конструкций колодцев водопроводов и канализации;
2) определены технологические и физико-механические свойства сталефибробетона различных классов по прочности на сжатие и марок по удобоукладываемости, разработана номенклатура товарных бетонов различных классов для возведения монолитных конструкций;
3) разработаны рабочие чертежи, изготовлены и испытаны экспериментальные образцы сталефи-бробетонных конструкций колодцев типа КС-9;
4) изготовлены фрагменты сталефибробетон-ных полов и выполнен комплекс исследований не-
iffiS шшт ж
2.
2иВг 1
3.
А
Рис . 4 . Влияние различных форм проволочной фибры на сопротивление трещинообразованию: 1 - фибра с конусовидными концами; 2 - волновая фибра; 3 - фибра с загнутыми концами; 4 - прямая фибра . Синие кружки - механизмы ан-керовки фибры, белые стрелки - поверхности сцепления
аггг^ гг пкшотггта /Д1
-1 (64), 2012 /
42/
г^г: г: гшшгггта
1 (64), 2012-
Рис . 5 . Влияние фибры и арматуры на сопротивление трещинообразованию
сущей способности (изгиб, продавливание), разработаны, согласованы и утверждены Рекомендации по расчету и конструированию сталефибробетон-ных промышленных полов;
5) по результатам испытаний скорректированы, согласованы и утверждены в установленном порядке рабочие чертежи сталефибробетонных конструкций колодцев типа КС-9 для массового производства;
6) изучены особенности используемых материалов и оборудования, исследованы технологические и физико-механические свойства сталефибробетона для изготовления конструкций тоннельных обделок метрополитена, согласованы и утверждены рабочие
чертежи сталефибробетонных конструкций тоннельных обделок метрополитена
Данные, полученные в результате проведенной работы, планируется использовать при разработке нормативных документов: ТКП «Конструкции бетонные и железобетонные . Часть 15 . Конструкции из дисперсно-армированного бетона Правила проектирования» и ТКП «Изделия и конструкции из дисперсно-армированного бетона. Правила изготовления» .
Разработка ТКП позволит иметь республиканский отраслевой нормативный документ на проектирование и изготовление конструкций и изделий из сталефибробетона и будет способствовать дальнейшему продвижению фибры на внутреннем рынке
