CC BY
68
УДК 691.3, 691.5
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫХ БЕТОНОВ В СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ РОССИИ
Г.Э. Окольникова*, А.Ю. Царева**, С.С. Зуев***
*' **' *** Департамент строительства, Российский университет дружбы народов (РУДН), Москва, Россия
** ООО «Эф Ди Эй», Москва, Россия
Аннотация.
В современном мире бетоны применяются в самых разных областях строительства и имеют большое количество характеристик, определяющих преимущество их использования.
В строительстве практически каждый день происходит внедрение новых технологий и осуществляется выпуск модернизированных и эффективных строительных материалов. При этом строительным материалам уделяется значимая роль, и конструкциям из бетона особенно по целому ряду факторов.
Применение фибры в бетоне обеспечивает бетону более высокие показатели по таким характеристикам как прочность на растяжение, изгиб, срез, ударную и усталостную прочность, трещиностойкость, морозостойкость, водонепроницаемость, жаропрочность и пожаростойкость.
Одной из главных задач современных исследований является улучшение физико-механических характеристик бетона. В данной статье проанализирован имеющийся отечественный опыт по определению физико-механических и теплотехнических характеристик различных видов фибробетонов.
Ключевые слова: строительный материал, бетон, фибра, базальт, базальто-бетон, фибробетон. История статьи: Дата поступления в редакцию: 02.02.20
Дата принятия к печати: 05.02.20
Большинство современных открытий использовались и применялись в различном виде прошлыми поколениями. Так в современное время изобретатели просто успешно доработали опыт предшествующего поколения с применением современных технологий и материалов. К одним из таких изобретений можно отнести разработку нового строительного материала, такого как фибробетон, который по результатам анализа формирования и улучшения бетонов и конструкций является высокоперспективным материалом XXI века [1].
Фибробетон появился в 1874 году, после экспериментов английского строителя с обычным бетоном, добавляя в него смеси разных материалов. Анализируя литературные источники, можно утверждать, что в 1960 — х годах началось широкое исследование в области производства фибробетона [2]. В 1979 году в Ленинграде впервые в России было осуществлено применение фибробетона, с расходом фиброволокна 1,5% на объем бетонной смеси, при устройстве дна резервуара для технической воды [3]. Бетон за последние 300 лет является самым распространенным и популярным строительным материалом.
По своим физическим характеристикам бетон уступает строительным материалам природного происхождения, но побеждает в простоте применения и стоимости. Наряду с этим строители стремились увеличить его прочностные характеристики и в то же время сократить затраты [4]. К новому поколению бетонов относятся дисперсно-армированные бетоны, появление которых обусловлено развитием инновационных технологий, сменяющих уже существующие виды.
Активное производство и успешное использование фибробетона практикуется более чем в ста странах мира. С каждым годом этот материал применяют в новых сферах строительства. На сегодняшний день в России показатель объема выпускаемой продукции выполненной из фибробетона невелики, тем не менее, опыт зарубежных стран убеждает российских специалистов в перспективности использования данного строительного материала [5].
Основная задача развития строительной индустрии в современном мире — повышение прочности и надёжности строительных конструкций с одновременным снижением затрат на строительство.
Фибробетон обладает значительными преимуществами по сравнению с обычным бетоном. Большая степень сопротивления трещинообразованию способствует увеличению таких физикоме-ханических показателей, как прочность при сжатии, растяжении и изгибе, водонепроницаемость, морозоустойчивость, сопротивление к проникновению химических веществ [7] . Фибра полипропиленовая (фиброволокно) — это специальные волокна для повышения прочности и трещиностой-кости бетона, раствора, штукатурных составов, пенобетона, газобетона. Однако полипропиленовая фибра не может быть использована в качестве конструктивной замены стальной арматуры в монолитном домостроении [8].
Фибра базальтовая представляет собой отрезки комплексного базальтового волокна заданной длинны в виде рассыпчатых монофиламентов. Анализ литературных источников позволяет выделить основные недостатки существующих типов фибробетонов. Так широкому применению ста-лефибробетонов препятствует больший по сравнению с железобетоном расход стали, иногда легированной, с показателем эффективности 0,41, а также низкий коэффициент сцепления фибр с матрицей С = 0,02 кг/см2 .
То есть не достигается основная цель — экономия металла в конструкциях. Базальтовая фибра является эффективной микроармирующей добавкой в бетоны, другие растворы на цементной основе или гипсовой основе.
Прежде всего, она повышает устойчивость бетона к деформации без разрушения в критический период 2-6 часов после укладки. На более позднем этапе, когда бетон затвердел и начинает давать усадку, базальтовые фиброволокна предотвращают растрескивание бетона, таким образом, существенно снижая риск разлома, а значит, уменьшает количество брака. Базальтовая фибра абсолютно устойчива ко всем химическим веществам, входящим в состав бетона, физическим повреждениям во время перемешивания, к щелочам применяемых в производственных процессах, термостойка, не коррозирует (что характерно для стальной фибры), легко распределяется не образуя сгустков, даже при добавлении в уже залитую смесь, долговечна, совместима с любыми добавками и присадками в бетоны, в том числе и пластификаторами, противоморозными добавками, ускорителями твердения и замедлителями схватывания [9].
На сегодняшний день проведено много испытаний образцов фибробетона с различными концентрациями и типами фибры, классом бетона матрицы.
В одном из исследований была использована полипропиленовая фибра Бигш 8400 (длиной 55 мм) 3,5; 5 и 7,5 кг/м 3 [12]. Для определения одного из основных показателей качества фибробето-на — остаточной прочности на растяжение при изгибе испытаны четыре комплекта призм по методике СТО НОСТРОЙ ФБТК-2013. В исследованиях для всех образцов использовали бетон класса В35 (определение класса бетона по прочности производили по ГОСТ 10180- 2012).
Образцы для испытаний представляли собой призмы размером 150 х 150 х 600 мм с надрезом посередине. Ширина прорези составляет не более 5 мм, глубина 25 ± 1 мм. Образец нагружали сосредоточенной нагрузкой на универсальной испытательной машине ¡ш^оп™ модели 8АТЕС™ грузоподъемностью 1200 кН. Результаты испытаний показали, что концентрация фибры по массе 5 кг/м3 наиболее оптимальна.
При содержании фибры по массе 7,5 кг/м3 происходит переармирование образца, что приводит к понижению прочностных характеристик образцов и истираемости по сравнению с образцами с
03
г
м О
-I
м
Э СО
и >5 2 О 5 I
а л
Л 5 С О
ш и
иё
и &
СО с ш 2 а I
Ч
< 2 а
га
I
0 г и а и с и
(К
1
Щ
I
< СО
о
Л
§
о т
концентрацией фибры 5 кг/м3. Исследователи [12] изучили деформативные и прочностные характеристики полиармированного фибробетона с использованием аморфной металлической фибры.
Целью полиармирования является создание такого материала, который бы сохранял преимущества и исключал недостатки композита при моноармировании.
В своих исследованиях [13] авторы использовали: - фибру стальную проволочную волнового профиля производства «Белорусского металлургического завода» (d=0,3 мм; 1=22 мм; р=7,8 г/см3 ); - фибру аморфнометаллическую производства ООО «Химмет» (d=0,28 мм; 1=30 мм; р=7,8 г/см3 ); - фибру полимерную макросинтетическую «BarChip» (d=0,87 мм; 1=54 мм; р=0,9 г/см3 ) [13]. Для получения фибро-бетонных образцов использовался мелкозернистый бетон, что позволило обеспечить высокую степень дисперсности армирования. Образцы, изготовленные в ходе исследования, имели одинаковый состав матрицы: Ц:П = 1:2 при В:Ц = 0,32 и расходе добавки суперпластификатора 0,7 % от массы цемента.
По готовности цементно-песчаного раствора в него вводилась фибра, и перемешивание продолжалось до обеспечения равномерного распределения фибры по всему объему замеса.
Для уплотнения смесей в процессе формования образцов применялась стандартная виброплощадка. Из приготовленных фибробетонных смесей были изготовлены образцы-призмы квадратного сечения с размером 70х70х280 мм. Каждая серия состояла из 4 образцов. Тепловлажностная обработка осуществлялась в пропарочной камере при температуре изотермической выдержки 80 °С, после чего образцы выдерживались в естественно-воздушных условиях в течение 14 суток.
Далее была определена средняя плотность образцов, после чего они подверглись испытаниям по определению призменной прочности и модуля упругости в соответствии с ГОСТ 24452-80. В результате, за счет армирования бетона аморфнометаллической и стальной фиброй, в количестве 2 % по объему, можно повысить модуль упругости бетона в 1,3 и 1,4 раза, призменную прочность в 1,3 и 1,2 раза, прочность на растяжение при изгибе в 2,1 и 2,7 раза.
Так образцы, армированные аморфнометаллической фиброй, имеющей хорошее сцепление с матрицей композита, показывают большие значения при испытаниях прочности на растяжение при изгибе и модуля упругости, нежели образцы, армированные стальной фиброй, которая способствует увеличению вязкости разрушения. При помощи применения полимерной фибры «BarChip» в комбинации с аморфно-металлической в количестве 1 % по объему, можно добиться повышения прочности на растяжение при изгибе по сравнению с образцом, армированным исключительно аморфной металлической фиброй, так же разрушение такого образца более вязкое, что способствует снижению хрупкости материала. Ученые исследовали влияния дисперсного армирования на механические свойства мелкозернистого бетона. Проведены стандартные 37 испытания на изгиб опытных призматических образцов мелкозернистого бетона с различными численными значениями объемного содержания, диаметра и длины базальтовых фибр.
Поверочные испытания проведены на балочных образцах размером 40x40x160 мм , изготовленных из дисперсноармированного мелкозернистого бетона состава 1:2 (цемент: песок). Марка цемента — М400, использовался песок местного состава с модулем крупности 2,38 и максимальной фракцией 5 мм. Армирование бетона осуществлялось базальтовыми волокнами номинального диаметра 13 мкм, полученными рубкой ровинга с прочностью на разрыв 1351 МПа.
Длина фибр составляла 4 и 15 мм. Объемное содержание арматуры в бетоне варьировалось в диапазоне 0-5 % (по массе). Смеси всех компонентов фибробетона тщательно перемешивались в сухом состоянии с последующим затворением водой и виброуплотнением образцов. Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований позволяет утверждать: - дисперсное армирование с использованием базальтовых волокон дает возможность улучшить конструктивные свойства мелкозернистого бетона; - величина оптимального объема дисперсного армирования определяется его структурой и параметрами (диаметр, длина) используемых фибр и должна обеспечивать возможность вязкого, пластичного разрушения [11].
По данным, приведенным в отечественной литературе [3], установлено, что с помощью дисперсного армирования, независимо от вида фибры, добиваются повышения ударостойкости бетона в несколько
раз. Также считается, что показатель повышения сопротивления ударным воздействиям зависит от геометрических размеров применяемого фиброволокна, процента армирования и технологии изготовления конструкции [3].
Характеристики механических свойств фибробетонов позволяют применять его для конструкций, подвергающимся динамическим воздействиям. Также дисперсно — армированный бетон пригоден для производства тонкостенных конструкций с достаточно высокой долговечностью [12].
В тоже время, в последние годы наблюдается тенденция к уменьшению расхода материалов, что делает использование фибробетона, как дисперсно-армированный материал, актуальным.
Базальтовое волокно считается экологически чистыми и неопасным материалом. Это не новый материал, но случаи его применения, наверняка, являются инновационными, а хорошие механические, химические и термические характеристики сделали возможным его применение в широком диапазоне отраслей, начиная от строительства и энергоэффективности, до автомобилестроения и авиастроения. Таким образом, базальт привлекает все больше внимания в качестве армирующего материала [13].
Заключение
Экономическая эффективность применения конструкций из фибробетона достигается благодаря улучшенным свойствам, которые приобретают конструкции с внедрением в нее фиброволок-на, а также путем изменения технологий производства и возведения. Это способствует увеличению срока службы конструкций и снижению затрат на функционирование конструкций на протяжении определенного срока.
Согласно прогнозам, совокупный среднегодовой прирост глобального рынка фибрового волокна составит 13,1% в период на 2020-2025 года, что связано с опытом успешного использования и ростом областей применения в инфраструктурных проектах, автомобильной промышленности и потребительских приложениях. Фибра обладает большим потенциалом стать материалом следую-
Z н
Û -I н
D
CÛ
щего поколения.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Баженов Ю.М. Новому веку — новые эффективные материалы и технологии / Ю.М. Баженов // Строительные материалы, оборудование и технологии ХХ1в. — 2001. — №1. — С. 12 — 13.
2. Ведищев К.А. Базальтобетон — строительный материал XXI века / К.А. Ведищев // БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород. Научно — практический электронный журнал Аллея Науки №15 2017. С. 52 — 66.
3. Пухаренко Ю.В. Эффективность применения базальтобетона в конструкциях при динамических воздействиях / Ю.В. Пухаренко, В.И. Морозов // Вестник МГСУ — 2014. №3. — с. 189 — 196
4. Соловьёв В. Г. Эффективность применения различных видов фибры в бетонах / В. Г. Соловьёв, Е. А. Шувалова // Международный научноисследовательский журнал. — 2017. — № 09 (63) Часть 3. — С. 78 — 81.
5. Пухаренко Ю.В. Исследование свойств сталебазальтобетона на основе аморфной металлической фибры / Ю.В. Пухаренко, УХ. Макдеев, В.И. Морозов и др. // Вестник ВолгГАСУ Строительство и архитектура. — 2013. — Вып. 31 (50). — С. 132 — 136.
6. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны / В.Г. Батраков // Теория и практика. 2-е изд., перераб. и доп. — М., 1998. — 768 с.
7. ГОСТ 8.207-76. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения. М.: Стандартинформ, 2006. — 8с.
8. ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2018. — 14с.
9. ГОСТ 7473-2010. Смеси бетонные. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2018. — 19с.
10. ГОСТ 18105-2010. Бетоны. Правила контроля и оценки прочности. М.: Стандартинформ, 2018. — 16с.
(U )S I О S I
а л
л s с о
° н d «
Uj ш
fcg иё ü Й
СО 2 ш 2 IL I
H
! * < 2
а
ГО
I
0
1 и а и с и s
К
s
I
<U I
<
m
о
.0
5
CD rn
11. ГОСТ 12730.0-78. Бетоны. Общие требования к методам определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости. М.: Стандартинформ, 2007. — 3с.
12. Морозов В.И. Эффективность применения базальтобетона в конструкциях при динамических воздействиях / В.И. Морозов, Ю.В. Пухаренко // — СПб.: СПбГАСУ, 2014. — С. 189 — 196.
13. Талантова К.В., Михеев, Н.М. Исследование влияния свойств стальных фибр на эксплуатационные характеристики сталебазальтобетонных конструкций / К.В. Талантова, Н.М. Михеев // — Ползуновский вестник. — 2011. — №1. — С. 194 — 199.
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Г.Э. Окольникова, А.Ю. Царева, С.С. Зуев. Опыт применения дисперсно-армированных бетонов в строительной индустрии России. — Системные технологии. — 2020. — № 34. — С. 48—52.
EXPERIENCE IN USING DISPERSED-REINFORCED CONCRETE IN THE CONSTRUCTION INDUSTRY IN RUSSIA
'Okolnikova G.E., 2Tsareva A.Y., 3Zuev S.S.
1,2,3 Department of Construction, Peoples' Friendship University of Russia (PFUR), Moscow, Russia 2 FDA Moscow, Russia
Abstract. Key words:
In the modern world, concrete is used in a variety of construction building material, concrete, fiber, basalt, areas and has a large number of characteristics that determine the basalt concrete, fiber concrete. advantage of their use. Date of receipt in edition: 02.02.20
In construction, new technologies are introduced almost every day Date o f acceptance for printing: 05.02.20 and modernized and efficient construction materials are produced.
At the same time, construction materials are given a significant role, and structures made of concrete especially for a number of factors. It is known that concrete is the leading material in the erection of almost any type of real estate, regardless of its purpose, size, shape and type. The use of fibre in concrete provides the concrete with higher characteristics such as tensile strength, bending, shear, impact and fatigue strength, crack resistance, frost resistance, water resistance, heat resistance and fire resistance.
One of the main tasks of modern research is to improve the physical and mechanical characteristics of concrete. This article analyzes the existing domestic experience in determining the physicomechanical and thermotechnical characteristics of various types of fiber concrete.
