CC BY
93УДК 691.328.43
В.С. ЛЕСОВИК1, д-р техн. наук (naukavs@mail.ru), Д.Ю. ПОПОВ1, инженер (popov.dmitry412@yandex.ru); Е.С. ГЛАГОЛЕВ2, канд. техн. наук
1 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
2 Департамент строительства и транспорта Белгородской области (308005, г. Белгород, Соборная пл., 4)
Текстиль-бетон - эффективный армированный композит будущего*
Приведен анализ развития текстиль-бетона, определены основные тенденции применения. Промышленный опыт использования показал, что эффективными областями применения текстиль-бетона являются: создание малых архитектурных форм, садово-парковой мебели, пешеходных мостов, сэндвич-панелей и фасадных плит, выполнение работ по усилению и реконструкции зданий и сооружений, особенно памятников архитектуры. Благодаря высокой несущей способности, отсутствию коррозии текстильной сетки, возможности создавать тонкостенные конструкции текстиль-бетон расширяет творческие границы современной архитектуры. Сделан вывод, что дальнейшие перспективы развития текстиль-бетона связаны с междисциплинарными и трансдисциплинарными исследованиями, в рамках которых созданы композиционные вяжущие нового поколения. Отмечается важность 3D-адцитивных технологий в строительстве, для этих целей разработаны водостойкие и морозостойкие композиционные гипсовые вяжущие.
Ключевые слова: текстиль-бетон, композиционные материалы, армированные композиты, 3D-адцитивные технологии.
Для цитирования: Лесовик В.С., Попов Д.Ю., Глаголев Е.С. Текстиль-бетон - эффективный армированный композит будущего // Строительные материалы. 2017. № 3. С. 81-84.
V.S. LESOVIK1, Doctor of Sciences (Engineering) (naukavs@mail.ru), D.Ju. POPOV1, Engineer (popov.dmitry412@yandex.ru); E.S. GLAGOLEV2, Candidate of Sciences (Engineering)
1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (46, Kostyukova Street, Belgorod, 308012, Russian Federation)
2 Department of Construction and Transport, Belgorod Oblast (4, Sobornaya Square, 308005, Belgorod, Russian Federation)
Textile-Concrete - Efficient Reinforced Composite of the Future
The analysis of the development of textile-concrete is presented; main trends of its application are determined. The industrial experience in the application shows that the efficient fields of textile-concrete application are creation of small architectural forms, garden-park furniture, pedestrian bridges, sandwich-panels and facade panels, execution of works concerning the strengthening and reconstruction building and structures, architectural monuments especially. Due to the high bearing capacity, the absence of corrosion of textile meshes, possibility to construct thin-wall structures, the textile-concrete expands the creative boundaries of the modern architecture. It is concluded that further perspectives of textile-concrete development is connected with interdisciplinary and transdisciplinary studies within frames of which composite binders of a new generation are developed. The importance of 3D-additive technologies in construction is highlighted, for these purposes water-resistant and frost-resistant composite gypsum binders have been developed. Keywords: textile-concrete, composite materials, reinforced composites, 3D-additive technologies.
For citation: Lesovik V.S., Popov D.Ju., Glagolev E.S. Textile-concrete - efficient reinforced composite of the future. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 3, pp. 81-84. (In Russian).
Современный этап развитии строительных материалов характеризуется достижениями, в значительной степени обусловленными монодисциплинарным подходом к исследованиям. Разработаны строительные материалы и бетоны широкой номенклатуры, используемые для строительства зданий и сооружений, соответствующие требованиям по обеспечению прочности и надежности. Новый период в развитии общества и эволюции человека характеризуется необходимостью создания благоприятных условий для существования человека за счет изменения архитектуры, колористки окружающей среды и др. [1, 2]. Для достижения поставленных целей необходимы новые строительные материалы, обладающие широким спектром свойств и требуемых характеристик. Одним из таких перспективных материалов является текстиль-бетон.
Текстиль-бетон — относительно новый композиционный материал, состоящий из мелкозернистого бетона и текстильной армирующей сетки. Известно, что самым большим недостатком стальной арматуры является ее подверженность коррозии [3, 4]. В течение длительного времени стальной арматуре искали замену. Одним из результатов этого поиска стал текстиль-бетон — новый композиционный материал, разработанный в середине 1990-х гг. в Германии [5, 6].
Первые исследования проводились в рамках двух научно-исследовательских программ Немецкого научно-исследовательского фонда (Deutsche Forschungsgemeinschaft) — SFB 528 «Текстильная арматура для строительно-технического усиления и реконструкции», проводимой в Техническом университете Дрездена, и SFB 532 «Бетоны, армированные текстильной арматурой, — основания для развития новых технологий» в Рейнско-Вестфальском техническом университете Ахена в период с 1999 по 2011 г. В Дрездене внимание было сосредоточено на использовании текстиль-бетона в качестве материала для усиления и реконструкции зданий и сооружений. В Ахене на первом месте стояла задача использования текстиль-бетона в качестве основного материала для создания конструкций и сооружений.
В настоящее время существует множество научно-исследовательских площадок и коммерческих фирм, занимающихся изучением, развитием, переносом знаний в практику и внедрением технологий в строительную отрасль. Например, в 2007 г. на базе Технического университета Дрездена был основан Немецкий центр текстиль-бетона (Deutsches Zentrum Textilbeton) [7].
В настоящее время научное направление развивается в рамках проекта «C3 — Carbon Concrete Composite»,
* Работа выполнена в рамках исследовательской стипендии Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD), Referat ST22 в период 2015/16 гг.
J'y] ®
март 2017
81
Опалубка
1 1илуи 1\и ____
I бетон I
а) Укладка нижнего слоя бетона
L Текстильная сетка I
шш^шшшшшшшшшшшшшЛ
б) Укладка первого слоя текстильной сетки
в) Укладка среднего слоя бетона
Ii
г) Укладка второго слоя текстильной сетки
д) Укладка верхнего слоя бетона
Рис. 1. Схема приготовления текстиль-бетона
которыи является наиболее широкой платформой для обсуждения достижений, реализации идей и переноса знаний о текстиль-бетоне в практику и насчитывает более 150 участников [7].
Для изготовления текстиль-бетона используется мелкозернистый бетон, состоящий из песка, цемента, минеральных наполнителей, специальных добавок, влияющих на реологиче-
ские свойства бетонной смеси, и воды. Текстильная сетка применяется в виде сотканных полотен,
Рис. 2. Демонстрация возможностей текстиль-бетона при приложении изгибающей нагрузки
изготовленных из волокон щелочестойкого AR-стекла или углерода [8]. Они укладываются между слоями бетонной смеси, толщина которых может достигать 3 мм (рис. 1).
Благодаря сочетанию свойств бетона и текстильной сетки композит обладает уникальными возможностями. За счет высокой прочности на разрыв углеродных волокон и волокон из щелочестойого AR-стекла, из которых соткана сетка, текстиль-бетон становится практически «гибким» материалом (рис. 2).
Впервые на практике текстиль-бетон был опробован в качестве композиционного материала для усиления железобетонной конструкции при реконструкции крыши большой аудитории Университета прикладных наук в городе Швайнфурт (Бавария, Германия) в 2006 г. [9].
Усиление конструкции текстиль-бетоном проведено успешно — достигнуто хорошее сцепление све-жеуложенного мелкозернистого бетона с поверхностью старого бетона, предварительно подготовленного для усиления (очищенного от разрушившегося камня, затирки микротрещин и обдувки). В качестве армирующего материала использовалась текстильная сетка из углеродного волокна. Полотна сетки укладывались послойно между слоями мелкозернистого бетона толщиной 3 мм, общая толщина текстиль-бетона составила 15 мм (рис. 3). Работа производилась совместно Техническим университетом Дрездена (Германия) и компанией «Torkret GmbH» (Эссен, Германия).
Особенно хорошо материал себя зарекомендовал при реконструкции памятника архитектуры — исторического здания в городе Цвиккау (Саксония, Германия) [7]. В рамках требований по защите памятников архитектуры стояла задача произвести усиление крыши исторического здания, имеющей цилиндрическую форму. По результатам расчетов прочность сооружения не соответствовала стандартным нормам DIN 1045-1. Традиционные методы усиления с применением инъекционного бетона не подходили, поскольку при этом возрастает толщина отделочного слоя и утяжеляется вся конструкция, что снижает несущую способность всех элементов здания. Другой альтернативный метод заключался в усилении сооружения наклеивающимися пластинами, которые увеличивают несущую способность, но создают дополнительную нагрузку на конструкцию и существенно затрудняют отделочные работы.
По технологии усиления следовало сначала удалить штукатурный слой, а затем восстановить несущую способность объекта с помощью многослойной укладки полотен текстильной сетки и мелкозернистого бетона методом торкретирования (набрызгом). Армирование проводилось на внутренней и внешней поверхностях, общая толщина усиления составляла от 6 до 12 мм.
Использование текстиль-бетона вместо старого штукатурного слоя давало возможность сохранить оригинальную геометрию, форму и изящный стиль крыши исторического здания. Кроме того, применение данного способа усиления было целесообразным с точки зрения требований защиты памятников архитектуры, пожарно-технической безопасности и расчетов прочности конструкции крыши.
Эффектным примером возможностей текстиль-бетона является применение его при строительстве пешеходных мостов. Первый в мире мост из текстиль-бетона был возведен в 2005 г. в г. Ошатце (Саксония, Германия) (рис. 4, а) [10]. Его длина 8,66 м, внутренняя ширина 2,5 м. Конструкция состоит из 10 и-образных секций толщиной от 3 см, скрепленных между собой неподвижными стальными стержнями. Вес моста всего 5 т, но его несущая способность составляет 38 т. Обычный железобетонный мост, обладающий такой же несущей способностью, весил бы в пять раз больше.
Осенью 2007 г. в г. Кемптене (Бавария, Германия) был построен второй секционный мост из текстиль-бетона (рис. 4, б) [10]. Его длина составляет 17 м, внутренняя ширина 2 м. Мост состоит из 18 и-образных сек-
Рис. 3. Уложенный текстиль-бетон (а) [9] и схема усиления текстиль-бетоном (б): 1 - стальная арматура; 2 - старый бетон; 3 - слой текстильной сетки; 4 - слой мелкозернистого бетона
а
научно-технический и производственный журнал ^ О >г i -
Ii март 2017 Ä ¿TiV/JÄJ 1Ы '
Рис. 4. Мосты из текстиль-бетона: а - в г. Ошатце [10], б - в г. Кемптене [10], в - в г. Албштадт-Лаутлингене [11]
ций, произведенных на заводе, каждая из которых весит около 620 кг, так же, как и в первом случае, закрепленных между собой стальными неподвижными стержнями. Вес моста составляет 12,8 т.
Самый длинный мост в мире из текстиль-бетона находится в г. Албштадт-Лаутлинген (Баден-Вюртемберг, Германия) (рис. 4, в) [11]. Он состоит из семи сборных элементов, которые имеют максимальную длину 17,2 м, высоту 43,5 см, ширину 3,21 м. Длина моста составляет 97 м.
Поскольку сетка не подвержена коррозии и не требует большого защитного слоя, это позволяет создавать легкие тонкостенные изделия и конструкции из бетона. В настоящее время для наружной отделки применяются фасадные плиты и сэндвич-панели из текстиль-бетона [12].
Текстиль-бетон привлек внимание не только инженеров, но также художников и дизайнеров для создания различных архитектурных объектов и садово-парковой мебели (рис. 5).
Для демонстрации возможности применения текстиль-бетона в качестве основного композиционного материала возведен ряд сооружений. В Дрездене построено сооружение из шестти монолитных раковин треугольной формы толщиной до 40 мм и максимальной длиной ребра 5 м, соединенных между собой (рис. 5, а). На территории студенческого городка Технического университета Ахена возведена легкая
конструкция из текстиль-бетона в виде развернутых парусов (трехмерных оболочек) (рис. 5, б) [16]. В дальнейшем сооружение приобрело стеклянные стены и коммуникации и стало полноценным зданием. В настоящее время оно используется для проведения семинаров и конференций.
Эффективные армированные композиты, обладающие комплексом различных свойств, становятся основными строительными материалами XXI в., что позволит расширить возможности современной архитектуры и реализовать самые смелые замыслы зодчих. В связи с этим перспективным является применение текстиль-бетона в современной архитектуре в качестве универсального материала для создания сложных пространственных форм, что позволит решить такие актуальные задачи, как:
— борьба с коррозией стальной арматуры;
— увеличение прочностных и эксплуатационных характеристик изделий;
— снижение энергоемкости и материалоемкости сооружений;
— сокращение нагрузки на окружающую среду путем уменьшения потребления сырьевых материалов;
— расширение области применения бетона.
Таким образом, эффективные армированные композиты завоевывают место в современной стройинду-стрии для получения широкой номенклатуры изделий и, что очень важно, позволяют создавать архитектур-
Рис. 5. Малые архитектурные объекты и мебель из текстиль-бетона: а - сооружение в Дрездене [13], б - выставочный объект в Техническом университете Хемниц в исследовательском павильоне GFK-Textilbeton-Hybrid (С^д!оо) [14], в - мебель из текстиль-бетона [15]
M ®
март 2017
83
ные объекты для оптимизации среды обитания человека. Текстиль-бетон является перспективным материалом будущего, который может применяться в различных направлениях стройиндустрии.
Будущее высокоэффективных армированных композитов неразрывно связано с применением вяжущих нового поколения. Например, разработана технология производства композиционных вяжущих широкой номенклатуры путем домола портландцемента и 20—80% кремнеземсодержащих компонентов определенного генезиса. Наличие в их составе кварца различного генезиса с дефектной кристаллической решеткой, газовоздушных включений, примесей минералообразующей среды, рентгеноаморфных веществ и т. д. позволяет существенно изменить процесс структурообразования и оптимизировать структуру цементного камня на нано-, микро- и макроуровнях. При этом активность вяжущего достигает 80—100 МПа, что позволяет существенно разнообразить номенклатуру изделий на основе текстиль-бетона [17].
Перспективно применение текстиль-бетона при внедрении 3D-аддитивных технологий в строительстве. Для этих целей предложена технология производства водостойких и даже морозостойких композиционных гипсовых вяжущих [18], без которых невозможно широкомасштабное внедрение 3D-аддитивных технологий в строительстве.
Будущее этого актуального научного направления связано с внедрением междисциплинарных и трансдисциплинарных подходов, использованием новой сырьевой базы (природного и техногенного сырья с высокой свободной внутренней энергией), теории техногенного метасоматоза в строительном материаловедении, закона сродства структур [19], других достижений строительного материаловедения и смежных наук.
Список литературы / References
1. Лесовик В.С. Строительные материалы. Настоящее и будущее // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. № 1 (100). С. 9-16.
1. Lesovik V.S. Construction materials. Present and future. Vestnik MGSU. 2017. Vol. 12. No. 1 (100), pp. 9-16. (In Russian).
2. Лесовик В.С., Перькова М.В., Бабаев В.Б. Архитектурная геоника как междисциплинарное направление в архитектурной науке и практике // Вестник БГТУим. В.Г. Шухова. 2015. № 6. С. 74-79.
2. Lesovik V.S., Per'kova M.V., Babaev V.B. Architectural a geonickname as the cross-disciplinary direction in architectural science and practice. Vestnik BSTU imeni V.G. Shukhova. 2015. No. 6, pp. 74-79. (In Russian).
3. Пухаренко Ю.В., Пантелеев Д.А., Морозов В.И., Магдеев У.Х. Прочность и деформативность полиармированного фибробетона с применением аморфной металлической фибры // Academia. Архитектура и строительство. 2016. № 1. С. 107-111.
3. Pukharenko Yu.V., Panteleev D.A., Morozov V.I., Magdeev U.Kh. Durability and deformativnost of the polyreinforced fibrobeton with application of an amorphous metal fiber. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo. 2016. No. 1, pp. 107-111. (In Russian).
4. Ерофеев В.Т., Богатов А.Д., Ларионов Е.А., Римшин В.И. К вопросу длительной прочности бетона // Архитектура. Строительство. Образование. 2014. № 2 (4). С. 32-43.
4. Erofeev V.T., Bogatov A.D., Larionov E.A., Rimshin V.I. To a question of long durability of concrete. Arkhitektura. Stroitel'stvo. Obrazovanie. 2014. No. 2 (4), pp. 32-43. (In Russian).
5. Scherer, S., Michler, H., Curbach, M. Brücken aus Textilbeton. Handbuch Brücken: Entwerfen, Konstruieren, Berechnen, Bauen und Erhalten (2014), S. 118-129.
6. Textilbeton in die Praxis überführen. BauBlog der TU Dresden vom 31. Oktober 2007. Access mode: https:// baublog.file1.wcms.tu-dresden.de/2007/10/31/textilbet-on-in-die-praxis-uberfuhren.
7. Schladitz F., Lorenz E., Jesse F., Curbach M. Verstärkung einer denkmalgeschätzten Tonnenschale mit Textilbeton. Beton- und Stahlbetonbau. 104 (2009), Heft 7, S. 432-437.
8. Curbach M., Graf W., Jesse D., Sickert J.U., Weiland S. Segmentbräcke aus textilbewehrtem Beton - Konstruktion, Fertigung, numerische Berechnung. Beton- und Stahlbetonbau. 102 (2007), Heft 6, S. 342-352.
9. Hankers C., Matzdorf D. Verstärkung von Stahlbetonbauteilen mit textilbewehrtem Spritzbeton. Fachausatz, S. 10. Access mode: http://www.torkret.de/ leistungsvielfalt/kernkompetenzen/textilbeton-carbonbet-on.html
10. Schladitz F., Lorenz E., Walther T. Textilbeton — Gestaltung ohne Grenzen? 10 Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Karlsruher Institut für Technologie. 13 März 2014, S. 49—55.
11. Hegger J., Goralksi C., Kulas C. Schlanke Fußgängerbrücke aus Textilbeton — Sechsfeldrige Fuägängerbrücke mit einer Gesamtlänge von 97 m. Beton- und Stahlbetonbau. 106 (2011), Heft 2, S. 64—71.
12. Deutsches Institut für Bautechnik (DIBT): Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung: „betoShell" Platten aus Betonwerkstein mit rückseitig einbetonierten Befestigungselementen zur Verwendung als hinter lüftete Außenwandbekleidung oder als abgehängte Decke. Geltungsdauer bis 27.11.2018, DIBt (Deutsches Institut für Bautechnik), Berlin, 2013.
13. Ehlig D., Schladitz F., Frenzel M., Curbach M. Textilbeton — Ausgeführte Projekte im überblick. Beton- und Stahlbetonbau 107 (2012) 11, S. 777—785.
14. Gelbrich S. Organisch geformter Hybridwerkstoff aus textil-bewehrtem Beton und glasfaserverstrktem Kunststoff. Leichter bauen — Zukunft formen. TUDALIT, 7 (2012), S. 9.
15. Die Paulsberg Story — von ersten Materialexperimenten zur Erlebniswelt. Collection. Access mode: http://store. paulsberg.co/category/collection/
16. Neuer Stoff und alter Meister Pavillon aus Textilbeton an der RWTH Aachen. Access mode: http://www.baunetz. de/meldungen/Meldungen-Pavillon_aus_Textilbeton_ an_der_RWTH_Aachen_4329073.html
17. Толстой А.Д., Лесовик В.С., Ковалева И.А. Композиционные вяжущие для порошковых бетонов с промышленными отходами // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 1. С. 6—9.
17. Tolstoy A.D., Lesovik V.S., Kovaleva I.A. Kompozitsion-nye vyazhushchie dlya poroshkovykh betonov s pro-myshlennymi otkhodami. Vestnik BGTUimeni V.G. Shukhova. 2016. No. 1, pp. 6—9. (In Russian).
18. Чернышева Н.В., Лесовик В.С., Дребезгова М.Ю. Водостойкие гипсовые композиционные материалы с применением техногенного сырья. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. 320 с.
18. Chernysheva N.V., Lesovik V.S., Drebezgova M.Yu. Vodostoykie gipsovye kompozitsionnye materialy s prim-eneniem tekhnogennogo syr'ya. Belgorod [Waterproof plaster composite materials with use of technogenic raw materials]. Belgorod: BGTU imtni V.G. Shukhova, 2015. 320 p.
19. Lessowik W.S., Sagorodnjuk L.H., Ilinskaya G.G., Kupri-na A.A. Das Gesetz über die Verwandtschaft von Strukturen als theoretische Grundlage für die Projektierung von Trockenmischungen. 19-te Internationale Baustofftagung Ibausil. Weimar, 16-18 September 2015. S. 1465—1470.
84
март 2017
ui ®
