Композиционные материалы в строительстве_уч.пособ. Композиционные материалы в строительстве
 Скачать 3.84 Mb.
|
|
3.5. Разновидности армирующих волокон К основным требованиям, предъявляемым к армирующим волокнам в бетонах, относятся прочность, деформативность, химическая стойкость материала волокон, адгезия к материалу матрицы и коэффициент линейного расширения. Решающую роль в выборе армирующего компонента будет играть вопрос его себестоимости и объем производства. Существует волокнистые материалы на металлической и неметаллической основе. В качестве металлической фибры в фибробетонах широкое распространение получила стальная проволока диаметром 0,1–0,5 мм и длиной 10–50 мм, полученная либо специаль- ным штампованием, либо нарезкой на отрезки определенной длины. Лучшими прочностны- ми показателями обладают бетоны с фиброй диаметром 0,3 мм и длиной 25 мм. Увеличение диаметра металлической фибры свыше 0,6 мм способствует снижению прочности и эффек- тивности ее применения при дисперсном армировании. Неметаллические волокна могут быть представлены стеклянными, базальтовыми, ас- бестовыми и другими волокнами. Обычно они имеют диаметр порядка нескольких десятков микрометров и длину 20–40 мм. Стеклянные волокна, имея высокую прочность на растяже- ние в пределах 1500–3000 МПа, разрушаются под действием щелочной среды цементной матрицы. Поэтому при использовании данного вида волокна необходимо проводить специ- альные мероприятия, предохраняющие их от разрушения. Полимерные волокна получили широкое применение в дисперсном армировании ячеи- стых бетонов, гипсобетонов и других материалов с низким модулем упругости. Такие волокна не подвергаются коррозии под воздействием щелочной среды гидратирующегося портланд- цемента. Обладая меньшим модулем упругости, чем у цементного камня, они имеют темпе- ратурный коэффициент линейного расширения, превосходящий цементный камень в 3–9 раз. 20 Основным недостатком полимерных органических волокон, к которым относится нейло- новая, полиэтиленовая, полиэфирная, полиакрилатная и полипропиленовая фибра, явля- ется невысокая прочность сцепления с цементной матрицей, что требует наносить на во- локна покрытие. Нейлоновое волокно, разработанное в 1938 г. американской компанией DuPont, является первым синтетическим волокном, рекомендованным для армирования бетонных конструк- ций при действии динамических нагрузок. Однако эти волокна состоят из элементарных ни- тей и имеют ряд недостатков: отличаются низкой технологичностью, имеют повышенную стоимость по сравнению с полипропиленовыми волокнами, что служит причиной их недос- таточно широкого применения. Прочностные и эксплуатационные свойства сходны со свой- ствами полипропиленовых волокон. Полипропиленовые волокна впервые были получены в 1963 г., а для дисперсного армиро- вания бетонов впервые применены в 1983 г. (Великобритания). Ранее полипропиленовые во- локна производили из пленки путем ее продольной нарезки, дальнейшего вытягивания и скручивания, при этом диаметр получаемых волокон составлял 0,02–0,038 мм (рис. 3.3). Применение полипропиленовых волокон имеет существенные преимущества по сравнению с нейлоновыми ввиду меньшей стоимости и повышенного адгезионного взаимодействия ме- жду волокном и цементной матрицей. Рис. 3.3. Внешний вид полипропиленового волокна Основным существенным недостатком синтетических волокон является низкая смачи- ваемость, что влечет за собой отсутствие надлежащего сцепления с цементным камнем и вы- зывается, прежде всего, механической анкеровкой волокна. Дисперсное армирование бетона синтетическими волокнами не способствует повышению прочности при сжатии, но при ударных воздействиях прочность значительно повышается за счет сил трения, возникающих при выдергивании волокон в процессе разрушения материала. В последнее время значительный интерес представляет применение ресурсосберегающих технологий при переработке и утилизации отходов промышленного производства. Продуктом переработки автомобильных шин могут служить вискозные, капроновые, полиамидные синте- тические материалы, применяемые в качестве шинного корда, отличающиеся невысокой стои- мостью по сравнению с полиэтиленовыми, нейлоновыми и полипропиленовыми. Оптимальное содержание таких волокон в бетонной смеси составляет 0,6–1,0 %. В табл. 3.2 приведены ос- новные свойства волокон, применяемых при изготовлении производстве шинного корда. 21 Таблица 3.2 Волокна, применяемые в производстве автомобильных шин Волокно Число элементарных волокон в нити Удлинение, % Прочность при растяжении, МПа Модуль Юнга, МПа Полиамидное 140 24 720 1900 Вискозное сверхпрочное 800–1000 14 660 5600 Важным фактором, влияющим на технологию приготовления и получение однородных составов дисперсно-армированной бетонной смеси, является отношение длины фибры к ее диаметру 𝑙/𝑑. Этот фактор оказывает значительное влияние не только на технологические свойства, но и также на степень анкерования фибры в бетоне. При𝑙 𝑓 ≤ 50𝑑 𝑓 фибровая масса обладает сыпучестью и способностью к получению одно- родной бетонной смеси в рядовых бетоносмесителях. Изменения состава армированного бе- тона при перемешивании не возникает. Однако такая длина фибры не обеспечивает как дос- таточной анкеровки в бетоне, так и полного использования прочностных показателей стали в конструкциях. При 𝑙 𝑓 = (80 − 120)𝑑 𝑓 фибровая масса приобретает связность и способность к комкова- нию. В дальнейшем пучки соединившихся друг с другом фибр постепенно распадаются при встряхивании. Постепенное введение фибры в бетонную смесь в процессе перемешивания позволяет получить однородную консистенцию. В случае применения рядовых бетоносмеси- телей количество вводимой фибры ограничивается соотношением µ 𝑓 = 2,5𝑑 𝑓 /𝑙 𝑓 , где µ 𝑓 — объемный коэффициент армирования (или объемное содержание арматуры). При 𝑙 ≥ 200𝑑 фибровая масса приобретает высокую связность, что приводит к получе- нию такой консистенции бетонной смеси, перемешивание которой в обычных бетоносмеси- телях невозможно и требуются специальные технологические приемы, основывающиеся на методах роторного набрызга. Многочисленные опыты показали, что наиболее оптимальным является соотношение 𝑙/𝑑 = 100. 3.6. Сталефибробетоны Состав, структура и физико-механические свойства сталефибробетона. Первые ра- боты по армированию цементных бетонов стальными отрезками относятся к началу прошло- го столетия. В 1907 г. В.П. Некрасов провел комплекс работ и описал результаты своих экс- периментов с применением проволок малых диаметров в цементных бетонах. В зависимости от армирования выделяют конструкции: − с фибровым армированием — при их армировании только фибрами из волокон, рав- номерно распределенных по объему бетона всего элемента или его части; − комбинированным армированием — при их армировании фибрами из волокон, равно- мерно распределенных по объему (сечению) элемента, в сочетании со стержневой, проволочной стальной арматурой. Для получения высокопрочных дисперсно-армированных композиций необходимо вы- полнить ряд условий: − достаточный объем, занимаемый высокопрочными проволоками, из которых изготов- лены фибры, и их равномерное распределение по всему объему цементной матрицы с отсутствием общих контактов между ними; − сохранение волокнами значительной части своей прочности в процессе приготовления бетонной смеси; − значительное сцепление металлической фибры с цементной матрицей; − отсутствие химического взаимодействия матрицы с металлическим волокном, т.е. мат- рица должна быть инертной по отношению к волокнам; − модуль упругости металлических волокон должен быть большим по сравнению с мо- дулем упругости матрицы; 22 − высокая прочность цементной матрицы при испытании на сдвиг; − придание определенной ориентации волокнам для их равномерного распределения в матрице. Разновидностью дисперсно-армированного бетона является сталефибробетон (СФБ), представляющий собой мелкозернистый или тяжелый бетон — бетон-матрицу со стальными фибрами (волокнами), равномерно распределенными в объеме бетона и выполняющими роль арматуры. Применяется стальная фибра с приведенным диаметром 𝑑 = 0,3 − 1,2 мм и имеющая 𝑙/𝑑 = 50 − 125. На рис. 3.4 и в табл. 3.3 представлены разновидности металлической фибры и ее основ- ные свойства. Таблица 3.3 Основные свойства металлической фибры Вид применяемого волокна Модуль Юнга, МПа·10 3 Плотность, г/см 3 Прочность на растяжение, МПа·10 3 Удлинение при разрыве, % Стальная фибра 200 7,8 0,8–3,15 3–4 В бетонах, армированных стальными фибрами, матрица выполняет следующие функ- ции: придает необходимую форму изделию, выполняет защитные функции; воспринимает совместно с металлической фиброй различные воздействия (силовые, температурные и т.д.) и перераспределяет их по всему сечению конструкции. Особое внимание заслуживает идея комбинированного армирования стальными фибрами в сочетании со стержневой обычной или предварительно напряженной арматурой. Основной технологической сложностью является приготовление сталефибробетонной смеси, в которой стальная фибра должна быть равномерно распределена по всему объему бе- тона. Для этого существуют специальные технологические приемы приготовления таких сме- сей. Существует две основные технологии изготовления товарных смесей и изделий из стале- фибробетона: применение пневмонабрызга в построечных условиях (торкретирование) и изго- товление изделий по технологии предварительного перемешивания смеси с последующим уплотнением приемами вибрирования, роликового формования и центрифугирования в заво- дских условиях, что требует наличие специального технологического оборудования. а б в г Рис. 3.4. Внешний вид стальной фибры: а — стальная фибра проволочная; б — стальная фибра из слябов; в — стальная фибра листовая; г — стальная пакетированная фибра Драмикс 23 Организация производства сталефибробетонных покрытий (монолитные конструкции обде- лок тоннелей) с применением торкретирования из сталефибробетонных смесей осуществляется непосредственно на строительной площадке заключается в приготовлении сталефибробетонной смеси в бетоносмесителях принудительного, гравитационного действия и автобетоносмесителях и последующем ее нанесении на бетонируемую поверхность при помощи оборудования, вклю- чающего компрессор, трубопровод, насос, сопло для подачи сталефибробетонной смеси. Применение конструкций из сталефибробетона способствует повышению эффективно- сти за счет снижения трудозатрат на укладку и напряжение арматуры, сокращения расхода бетона и стали за счет уменьшения толщины изделий, совмещение операций приготовления смеси и армирования, увеличения долговечности и срока службы конструкций и, как следст- вие, снижения затрат на текущий ремонт конструкций. Возможно применение комбиниро- ванного армирования стальными фибрами совместно с проволочной или предварительно на- пряженной стержневой арматурой. Основные технологические свойства сталефибробетона. Решающими факторами, от которых в дальнейшем будут зависеть технологические свойства сталефибробетона, являются: − вид стальной фибры, ее геометрия и характер поверхности; − геометрические параметры распределения стальной фибры в объеме бетонной смеси (дисперсность армирования); − объемное содержание стальной фибры в бетонной матрице; − класс бетонной матрицы и ее однородность; − характер фибрового армирования и размеры сечения элемента. В табл. 3.4 приведены сравнительных показатели дисперсно-армированных бетонов по сравнению с обычными. Введение фибры в цементные растворы и бетоны повышает их прочность при сжатии на 90 % и 15 % соответственно. Применение дисперсного армирова- ния упрощает технологию изготовления изделий с возможностью полностью исключить ар- мирование специальными сетками и каркасами, увеличивает ударную вязкость, сопротивле- ние термическому воздействию, а истираемость бетонов снижается примерно в 3–4 раза. Таблица 3.4 Улучшение технологических свойств бетона с содержанием 2 % свободно-ориентированного стального волокна по сравнению с обычными бетонами Свойства Улучшение свойств по сравнению с обычными бетонами, % Прочность на растяжение при изгибе 200 Прочность при изгибе в момент появления первой трещины 150 Прочность на срез 175 Прочность при сжатии 125 Морозостойкость 200 Сопротивление истиранию 200 Долговечность при испытаниях на морозостойкость 200 Предел усталости при изгибе 225 Ударная стойкость 325 Сопротивление выкрашиванию при термическом воздействии 300 На рис. 3.5 и 3.6 представлены графики зависимости прочности при растяжении (при раскалывании) и сжатии мелкозернистого сталефибробетона состава 1 : 2; В/Ц = 0,38 от раз- личного объемного содержания (µ 𝑓 = 1,5; 2; 2,5; 3) применяемой стальной фибры периодиче- ского профиля, ее длины и диаметра, равного 0,3 мм; 0,55 мм и 0,8 мм; отношения длины стальной фибры к диаметру 𝑙 𝑓 /𝑑 𝑓 = 48 − 87 при статическом и динамическом нагружении. Твердение образцов производилось при 18–20 ℃ и относительной влажности 75 % в течение 24 28 сут. Установлено, что с увеличением объемного содержания стальной фибры прочность сталефибробетона на растяжение и при сжатии повышается. Прочность на растяжение при раскалывании повышается с увеличением соотношения 𝑙 𝑓 /𝑑 𝑓 Соотношение 𝑙 𝑓 /𝑑 𝑓 не оказы- вает существенного влияния на прочность при сжатии и зависит только от величины µ 𝑓 Повышение трещиностойкости сталефибробетона зависит от объемного содержания ар- матуры, уровня дисперсности армирования бетона (диаметр фибровой арматуры) и однород- ности бетонной матрицы. Рис. 3.5. Зависимость прочности при растяжении при раскалывании мелкозернистого сталефибробе- тона состава 1 : 2; В/Ц = 0,38 от объемного содержания (µ 𝑓 = 1,5; 2; 2,5; 3 %) применяемой стальной фибры (арматуры) периодического профиля, ее длины и диаметра: 1 — 𝑑 𝑓 = 0,8 мм; 𝑙 𝑓 = 70 мм; 2 — 𝑑 𝑓 = 0,55 мм; 𝑙 𝑓 = 50 мм; 3 — 𝑑 𝑓 = 0,3 мм; 𝑙 𝑓 = 24 мм; 4 — 𝑑 𝑓 = 0,55 мм; 𝑙 𝑓 = 24 мм; 5 — 𝑑 𝑓 = 0,8 мм; 𝑙 𝑓 = 35 мм; 6 — 𝑑 𝑓 =0,3 мм; 𝑙 𝑓 = 15 мм; сплошная линия — статическое нагру- жение; пунктирная — динамическое нагружение Рис. 3.6. Зависимость прочности при сжатии мелкозернистого сталефибробетона состава 1 : 2; В/Ц = 0,38 от объемного содержания (µ 𝑓 = 1,5; 2; 2,5; 3 %) применяемой стальной фибры (арматуры) периодического профиля, ее длины и диаметра: 1 — 𝑑 𝑓 = 0,55 мм; 𝑙 𝑓 = 50 мм; 2 — 𝑑 𝑓 = 0,3 мм; 𝑙 𝑓 = 24 мм; 3 — 𝑑 𝑓 = 0,55 мм; 𝑙 𝑓 = 24 мм; 4 — 𝑑 𝑓 = 0,3 мм; 𝑙 𝑓 = 15 мм; 5 — 𝑑 𝑓 = 0,8 мм; 𝑙 𝑓 = 70 мм; 6 — 𝑑 𝑓 = 0,8 мм; 𝑙 𝑓 = 35 мм; сплошная линия — статическое нагру- жение; пунктирная — динамическое нагружение Армирование металлической фиброй позволяет существенно снизить расход стали, ис- пользуемой в поперечной, монтажной и распределительной рабочей арматуре, с одновре- менным снижением коэффициента использования арматуры φ 𝑆 , находящимся в пределах 1,3– 4,5 и равным: φ S = 𝑚 ОБЩ 𝑚 РАБ , где 𝑚 ОБЩ — масса всей арматуры, идущей на изготовление железобетонного изделия; 𝑚 РАБ — массе основной рабочей арматуры железобетонного изделия. 25 Применение комбинированного армирования способствует заметному повышению сцеп- ления с бетоном рабочей стержневой арматуры, а в некоторых случаях позволяет полностью отказаться от поперечной, монтажной и распределительной арматуры в конструкциях, снизив, тем самым, расходы на арматурные работы и повысив эффективность рабочей арматуры. Установлено, что для конструкций, предельное состояние которых ограничивается их не- сущей способностью, рекомендуется использование фибры большого диаметра (𝑑 = 1 − 1,4 мм), а для конструкций, к которым предъявляются требования повышенной трещиностойкости, — стальной фибры малых диаметров (𝑑 < 1 мм). Характер дисперсного армирования оказывает значительное влияние на деформативные свойства сталефибробетона. Достаточно близкое расположение фибр в материале тормозит развитие локальных трещин в бетоне с одновременным повышением его предельной растя- жимости и прочности. Деформативные свойства СФБ при прочих равных условиях изменя- ются прямо пропорционально степени объемного насыщения и обратно пропорционально приведенному диаметру фибры. Начальный коэффициент поперечной деформации СФБ превышает аналогичные значения коэффициента обычного бетона на 10–20 %. Начальный модуль упругости СФБ зависит как от соответствующего показателя бетона, так и от коэффициента фибрового армирования. Исследования СФБ на истираемость свидетельствуют о структурном улучшении этого материала по сравнению с неармированным бетоном. Показатель сопротивления истираемо- сти улучшается в среднем в 2 раза по сравнению с неармированным бетоном, и фибры исти- раются совместно с бетоном-матрицей. Высокая коррозионная стойкость и значительное улучшение структуры сталефибробе- тона объясняется присутствием армирующих волокон, которые способствуют образованию мелкопористой структуры матрицы, что снижает глубину карбонизации (насыщение диокси- дом углерода) в 1,5–2 раза по сравнению с неармированным бетоном. Конструкции из сталефибробетона при одностороннем разогреве обладают повышенной огнестойкостью по сравнению с бетоном-матрицей — на 10–20 %, что объясняется присут- ствием армирующих волокон, которые обеспечивают теплопередачу от нагретой стороны к холодной, уменьшая температурный градиент и снижая температурные напряжения. Многочисленными исследованиями установлено эффективность применения сталефибробе- тонов, изделия из которых отличаются более высоким уровнем трещиностойкости и ударной прочности по сравнению с изделиями, армированными рабочей арматурой. Применение сталь- ной фибры способствует более равномерному перераспределению энергии ударных воздействий и возникающих в бетоне усилий, препятствует развитию трещин, и возникновению магистраль- ных трещин, что объясняется структурными особенностям и строением сталефибробетона. Получение стальной фибры. Сегодня сталефибробетон активно используется в сборном и монолитном строительстве. Применяются стальные фибры с различной формой поперечного сечения: круглой, овальной, прямоугольной, диаметром 𝑑 = 0,2 − 1,6 мм и длиной 𝑙 = 10 − −160 мм. Изготовляются фибры с гладкой, профилированной и обработанной травлением по- верхностью. В последние годы получили широкое распространение фибры, имеющие волни- стый профиль или анкерованные, с загибами на концах. Широкое распространение получила стальная проволочная фибра с диаметром 𝑑 = 0,3–1,6 мм и 𝑙 = 80 − 100 мм. Для изготовления стальной фибровой арматуры применяется стальная низкоуглероди- стая проволока общего назначения, соответствующая ГОСТ 3282–74 «Проволока стальная низкоуглеродистая общего назначения. Технические условия». Существуют способы повы- шения анкеровки фибры в бетоне, включающие профилирование сечения в процессе резки, придание ей волнистого профиля, травление поверхности, деформирование, устройство крючков на концах фибр. Производство фибры из отходов листовой стали организуется на нескольких металлургических предприятиях. Существует пять основных способов получения стальной фибровой арматуры. 1. Изготовление из проволоки с последующей резкой и профилированием ее сечения. 2. Использование отработанных стальных канатов с дальнейшей их резкой на отрезки необходимой длины, их последующим разделением и удалением смазки. 26 3. Изготовление из стальных листов необходимой ширины и дальнейшим продольным или попе- речным фрезерованием (нарезкой). 4. Изготовление из стальных заготовок (слябов) в виде слитков с последующей нарезкой. 5. Получение стального волокна путем вытяжки их из расплава. Наибольшее распространение получили способы изготовления фибры из проволоки, стальных отработанных канатов и тонкого стального листа. Распространяется также способ изготовления инновационной стальной анкерной фибры Dramix® , бельгийского концерна Bekaert, представляющей собой склеенную фибру из про- волоки холодного волочения с загнутыми концами, полученную из деформированного и на- резанного проволочного волокна и обозначаемую как 3D, 4D, 5D. Геометрические размеры такой фибры представлены в табл. 3.5. Таблица 3.5 Геометрические размеры стальной анкерной фибры Dramix® Промышленное название Длина, мм Диаметр, мм 𝑙/𝑑 DRAMIX 3D 45/35BL DRAMIX 3D 40/30BG DRAMIX 3D 45/30BG 33 30 30 0,75 0,75 0,62 45 40 45 DRAMIX 4D 65/35BG DRAMIX 4D 55/60BG DRAMIX 4D 65/50BG DRAMIX 4D 65/60BG 35 60 50 60 0,55 1,05 0,75 0,9 65 55 65 65 DRAMIX 5D 65/60BG DRAMIX 5D 65/60GG 60 60 0,9 0,9 65 65 Получение фибры по такой технологии заключается в предварительной обработке водорас- творимым клеем стальной проволоки, подаваемой из бухт, последующим высушиванием в печи, нарезкой на блоки с одновременной анкеровкой концов фибры. На рис. 3.7 представле- но схематическое изображение установки для изготовления пакетов стальной анкерной фибры Dramix®. Применение таких пакетов фибры снижает транспортные расходы, повышает каче- ство технологического процесса смешивания фибры с компонентами бетонной смеси. Рис. 3.7. Технологическая схема установки получения склеенной стальной анкерной фибры Dramix®: 1 — бухты стальной проволоки; 2—5 — направляющие ролики; 6 — бункер клеевого состава; 7 — устройство для удаления излишков клеевого состава; 8 — печь для сушки проволоки; 9 — прижимные ролики; 10 — устройство для обрезки и анкеровки концов фибры Технология производства изделий из сталефибробетона. Изготовление сталефибробе- тона содержит три основных технологических передела, включающих получение фибровой арматуры; приготовление фибробетонной смеси; формование изделий. Для получения сталефибробетона рекомендуется использовать мелкозернистый бетон с квар- цевым песком крупностью зерен не более 5 мм, со средней плотностью более 2200 кг/м 3 или тяжелый малощебеночный бетон с максимальной крупностью зерен заполнителя (𝐷 max = 10 мм), содержанием доли песка в смеси заполнителей 𝑟 = 0,45 − 0,55 и водопоглощением до 8 %. 27 Максимальный размер фракций заполнителя для сталефибробетона не должен быть более 0,25 длины применяемой фибры и величины 𝑆, равной: 𝑆 = 𝑑 red �µ 𝑓 𝑘 or , где 𝑑 red — диаметр металлической фибры круглого сечения, мм; µ 𝑓 — коэффициент армирования; 𝑘 or — коэффициент ориентации фибры и находящийся в пределах 0,5–0,98. В случае применения фибры другого сечения 𝑑 red рассчитывается по формуле 𝑑 red = � 4𝐴 𝑓 π , где 𝐴 𝑓 — площадь поперечного сечения фибры, мм 2 Для защиты фибр от коррозии бетон должен иметь высокую водонепроницаемость и мо- розостойкость, а минеральные вяжущие не должны быть агрессивными по отношению к ар- мирующим волокнам. В качестве минеральных вяжущих рекомендуется применять бездоба- вочный портландцемент, портландцемент с минеральными добавками, напрягающие цементы, глиноземистые (в случае применения фибры из нержавеющей стали или фибры с защитным покрытием). Не следует применять быстротвердеющий и пуццолановый портландцементы. Рекомендуется применять химические добавки для достижения заданной подвижности и улучшения удобообрабатываемости смесей. Приготовление фибробетонных смесей представляет определенные технологические труд- ности, связанные с равномерностью и дисперсностью их распределения в заданных пропор- циях в растворных и бетонных смесях. В случае использования традиционного способа пе- ремешивания при введении металлической фибры в растворную или бетонную смесь воз- можно образование скоплений волокон в виде комков и клубков. Для обеспечения равномерного распределения волокна в растворе или бетоне необходи- мо учитывать несколько факторов, а именно: отношение 𝑙 𝑓 /𝑑 𝑓 , объемное содержание фибры µ 𝑓 , размер частиц заполнителя и его количество, способ перемешивания смеси. Увеличение длины армирующих волокон способствует увеличению анкерующей спо- собности бетонной матрицы, но может служить причиной недостаточной однородности сме- си и снижения равномерного распределения фибры по всему объему при перемешивании. Считается, что наиболее рациональным отношением длины к диаметру стальной фибры при существующих технологиях перемешивания смесей может быть величина 𝑙 𝑓 /𝑑 𝑓 = 100 при µ 𝑓 = 2 − 3 % Установлено, что при прочих равных условиях образцы из сталефибробе- тона имеют одинаковую прочность при равных значениях выражения 𝜇 𝑓 (𝑙 𝑓 /𝑑 𝑓 ). Следова- тельно, обеспечение одинакового эффекта по прочности может быть достигнуто либо уменьшением длины фибр и увеличением их содержания в бетонной матрице, либо увеличе- нием длины фибр и уменьшением их содержания в бетоне. Технология приготовления сталефибробетонных смесей оказывает решающее значение на получение конечного сталефибробетона высокого качества. Особую роль играет степень равномерного распределения металлической фибры во всем объеме бетона, которая зависит от размера применяемой фибры, соотношения 𝑙 𝑓 /𝑑 𝑓 и объемного содержания фибры µ 𝑓 , удо- боукладываемости бетонной смеси, способа введения фибры в бетоносмеситель и типа бето- носмесителя. Существуют следующие способы получения сталефибробетонных смесей. Первый способ включает первичное совместное перемешивание всухую песка, крупного заполнителя, дальнейшее последующее введение в сухую смесь необходимого количество стальной фибры, предварительно просеянной через сито. Далее в эту смесь вводятся цемент и вода с добавками, производится перемешивание до достижения однородной консистенции бетонной смеси. 28 Второй способ включает введение стального волокна в смесь заполнителей с частью во- ды затворения и последующем дальнейшем введении вяжущего и оставшейся части воды. В случае изготовления мелкозернистой бетонной смеси волокна необходимо вводить в по- следнюю очередь. Третий способ является одним из оптимальных способов приготовления сталефибробетон- ной смеси, при котором подача металлической фибры в бетоносмеситель осуществляется с по- мощью специального вращающегося барабана, установленного над ним. Стальная фибра под действием центробежных сил из барабана равномерно подается в работающий бетоносмеситель. Четвертый способ заключается в одновременном изготовлении стальной фибры и приго- товлении фибробетонной смеси в бетоносмесительной установке. При этом над бетоносме- сителем устанавливается специальное устройство для изготовления фибры из стальной про- волоки, в котором производится нарезка проволоки на отдельные фибры с одновременной их подачей и перемешиванием в бетоносмесителе. В общем приготовление сталефибробетонной смеси может осуществляться в смесителях принудительного действия, вихревых, струйных, турбулентных и др. Гравитационные сме- сители применяются при небольшом содержании фибры малой длины. Для предотвращения образования скоплений волокон в виде комков и клубков исполь- зуют специальные технологические приемы, заключающие в следующем: − введение пластификаторов для снижения жесткости и увеличения подвижности фиб- робетонной смеси; − в случае применения листовой фибры — соблюдение необходимого соотношения ме- жду ее шириной и толщиной, равное не более 5; − применение склееной фибры в виде пакетов или блоков; − снижение отношения 𝑙 𝑓 /𝑑 𝑓 в сторону допустимых значений; − подача стальной фибры в смеситель специальными устройствами; − постепенное равномерное сокращение продолжительности приготовления. Увеличение содержания волокнистого наполнителя способствует снижению удобоукла- дываемости бетонной смеси, причем при прочих равных условиях более заметное влияние оказывает увеличение длины волокна или уменьшение его диаметра. Стальными или неметаллическими волокнами армируют, как правило, мелкозернистые бетоны или цементный камень. Обычно стальную фибру вводят в бетонную смесь в количестве 1– 2,5 % от объема бетона (3–9 % по массе, что составляет 70–200 кг фибры на 1 м 3 смеси). Расход цемента в сталефибробетоне колеблется в пределах 350–550 кг/м 3 . При этом не- обходимо соблюдать водоцементное отношение, находящееся в пределах 0,35–0,55. Для снижения расхода цемента допускается использование активных минеральных добавок ис- кусственного происхождения (зола-унос), применять пластифицирующие высокоэффектив- ные добавки-разжижжители, минеральные тонкодисперсные наполнители или органомине- ральные модификаторы при строгом контроле за расслаиваемостью смеси. Допустимое содержание крупного заполнителя в сталефибробетонных смесях должно находиться в пределах 20–25 % по объему, с максимальной крупностью до 10 мм, а в неко- торых случаях и до 20 мм. С увеличением расхода крупного заполнителя в смеси необходи- мо снизить содержание фибры по объему для предотвращения неравномерного распределе- ния фибры по всему объему и комкования. Рекомендуется при использовании фибры малого диаметра применение мелкозернистых бетонов состава (1 : 2) – (1 : 3). Централизованное приготовление сталефибробетонной осуществляется, как правило, на бетоносмесительных установках (БСУ) действующих заводов с использованием необхо- димого оборудования для введения фибры. При этом приготовление конечного продукта в виде сталефибробетонной смеси может идти по двум технологическим схемам: − совместное смешение волокон с компонентами бетонной смеси непосредственно в бе- тоносмесителе; − первичное приготовление бетонной смеси и последующее смешение фибры с приго- товленной бетонной смесью в другом смесителе. 29 Производство фибробетонных изделий возможно осуществлять по всем существую- щим в настоящее время технологиям: стендовой, конвейерной, агрегатно-поточной и полу- конвейерной. Особое внимание заслуживает способ торкретирования с применением сталефибробе- тонных со смесей, позволяющий производить работы по восстановлению бетонных и желе- зобетонных конструкций шахт, тоннелей и огнезащитных футеровок, фундаментов рабо- тающих машинных установок без дополнительного армирования, ремонту горизонтальных и вертикальных поверхностей, подверженных высоким ударным и динамическим нагруз- кам и не отличается от операций по изготовлению изделий из обычных бетонов. Области применения сталефибробетона. Сталефибробетон рекомендован к приме- нению в конструкциях, к которым предъявляются требования повышенной трещиностойко- сти, истираемости, сопротивляемости ударным и знакопеременным нагрузкам. К ним относятся монолитные и сборные конструкции, аэродромные и дорожные покрытия, мос- товые пролетные строения, полы промышленных зданий, подпорные стены, тонкостенные и ребристые плиты покрытий, элементы оболочек и несъемной опалубки, сваи и шпалы. Сталефибробетон рекомендуется к применению при изготовлении свай, что связано с по- вышенной ударной вязкостью разрушения сталефибробетона, превосходящую железобетон более чем в 2 раза при одинаковом расходе стали. Сталефибробетон применяется при изготовлении водопроводных и канализационных труб и колец, в том числе методом радиального прессования с использованием проволочной и листо- вой фибры из мелкозернистого бетона класса В15 с объемным содержанием µ 𝑓 = 0,5 %. Производство водопроводных и канализационных колец из сталефибробетона с добавле- нием проволочной фибры волнистого профиля с 𝑑 = 0,5– 0,7 мм повышает качество выпус- каемой продукции и производительность труда, снижает трудозатраты и материалоем- кость конструкций. 3.7. Бетоны, армированные неметаллическими волокнами Существуют следующие виды неметаллических волокон: − высокомодульные стеклянные (минеральные, неорганические) и углеродные волокна, выполняющие роль армирующего компонента и повышающие прочность бетона при растяжении, жесткость, сопротивление динамическим воздействиям; − низкомодульные нейлоновые, полиэтиленовые, полипропиленовые волокна органиче- ского происхождения, обладающие высоким относительным удлинением при разрыве и способствующие повышению ударной вязкости бетона. Основные физико-механи- ческие характеристики неметаллических волокон представлены в табл. 3.6. Таблица 3.6 Основные физико-механические характеристики неметаллических волокон Волокно Прочность на растяжение, МПа ∙ 10 3 Плотность, г/см 3 Удлинение при разрыве, % Модуль Юнга, МПа ∙ 10 3 Полипропиленовое 0,4–0,77 0,9 10–25 3,5–8,0 Полиэтиленовое 0,7 0,95 10 1,4–4,2 Нейлоновое 0,77–0,84 1,1 16–20 4,2 Акриловое 0,21–0,42 1,1 25–45 2,1 Полиэфирное 0,73–0,78 1,4 11–13 8,4 Стекловолокно 1,05–3,85 2,6 1,5–3,5 70–80 Углеродное 2,0 2,0 1 245 30 Углеродные волокна имеют уникальные свойства, не разрушаются в щелочной среде це- ментного камня, повышают его прочность на растяжение и модуль упругости, отличаются повышенной стоимостью по сравнению со стальными и стеклянными волокнами. Стеклянные (минеральные) волокна имеют различный химический состав, разные физи- ко-механические и конструкционные характеристики. К ним относятся плавленый кварц, си- ликатные, фосфатные, боратные, свинцовые оксидные соединения, соединения на основе мышьяка, сурьмы и серы, селена, теллура (халькогенидные стекла). Впервые стеклофибробетон появился в 1969 г. и с тех пор получил широкое распростра- нение. Сырьем для получения стеклянных волокон служат стекла: кварцевые, алюмосили- катные, боросиликатные, натрий-кальциевые силикатные, цирконий-силикатные и просто силикатные. Неорганические волокна возможно получить из шлаков и базальта. Неорганиче- ское стекло находится в аморфном состоянии, которое получают переохлаждением расплава и обратимым переходом из жидкого состояния в стеклообразное. Стеклообразное состояние занимает промежуточное положение между кристаллическим и жидким. Основными стекло- образующими оксидами являются оксиды кремния, германия, фосфора и бора. В образовании каркаса стекла могут принимать участие и другие оксиды, например, Al 2 O 3 , FeO, TiO 2 , Bi 2 O 3 , SeO 2 , Al 2 O 3 , называемые условными стеклообразователями. Эти соединения само- стоятельно не образуют стекла, но в присутствии некоторых стеклообразующих оксидов все- таки способствуют возникновению стеклообразных фаз. Стеклянные волокна превосходят по стоимости обычную стальную арматуру, однако их применение может быть оправдано в случае дефицита арматурной стали, а также для арми- рования тонкостенных конструкций. Применение стеклянных волокон для армирования цементных композитов в недавнее время ограничивало их применение и представляло определенные сложности, связанные с недостаточной щелочестойкостью стекловолокна. Проведенные исследования в этой области способствовали поиску новых решений, способных устранить указанные недостатки. Так, английская фирма Pilkington Brothers 1970-х годов разработала и начала производство щело- честойкого высокоциркониевого стеклянного волокна Cemfil для композитов на основе це- ментных вяжущих. Проблема совершенствования и улучшения свойств стекла для армиро- вания цементных композитов остается актуальной и требует поиска новых составов и техно- логических решений. Химический состав стекла и способ получения оказывает решающее значение на свойст- во конечного продукта. По химическому составу промышленные стекла и стекловолокна подразделяются на две основные группы: − бесщелочные — с содержанием щелочных оксидов не более 1–2 %; − щелочные — с содержанием щелочных оксидов 10–15 %. В промышленных масштабах освоено производство непрерывных стеклянных волокон в виде одиночных нитей и штапельных (дискретных) волокон ограниченной длины. Стекловолокно непрерывной длины производят на специальных установках вытягиванием из расплавленной стекломассы. Применение тугоплавких составов представляет определенные технологические сложности при производстве волокон. Расплавленная масса, находящаяся в специальной емкости с небольшими отверстиями (фильерами) определенного диаметра в дни- ще, под давлением проходит сквозь них и кристаллизуется. Например,температура получе- ния волокна из стекол, содержащих цирконий, находится в диапазоне 1280–1320 ℃, при температуре плавления 1180–1200 ℃. Полученные элементарные стеклонити объединяются в первичные пучки, которые далее скручиваются и наматываются на бобину. Непрерывное стекловолокно используется для получения ровинга (жгута), тканых или нетканых рулонных материалов. Штапельное стекловолокно диаметром до 20 мкм получают центрифугально- фильерно-дутьевым способом или способом вертикального вытягивания и раздува. Дисперсно-армированные бетоны изготавливают с применением непрерывных в катуш- ках (ровинга) и дискретных (рубленое стекловолокно) стеклонитей, армированием срезов стекловолокна, стеклохолстов, вуалей, нетканых стеклосеток (рис. 3.8). 31 Рис. 3.8. Стекловолокнистые материалы, используемые в качестве арматуры Установлено, что тонкие стеклянные нити имеют высокую прочностью, превышающую прочность стекла в массиве в 25–30 раз. Так, прочность при растяжении стеклянных волокон диаметром 10 мкм составляет 1500–2500 МПа, в то время как прочность при растяжении стекла в массиве находится в пределах 50–100 МПа. Установлено, что при дисперсном армировании бетона, необходимо отдавать предпоч- тение стеклянным волокнам диаметром до 100 мкм, так как их прочность будет использова- на в наибольшей степени. В табл. 3.7 представлены значения относительных удлинений и модуля упругости и стеклянных волокон. Таблица 3.7 Относительные удлинения и модуль упругости стеклянных волокон разного диаметра Диаметр волокон, мкм Модуль упругости, ГПа Упругое удлинение, % 10–20 73,5–74,5 2,7–1,5 40–60 76–77 1,3–1,0 80–100 78–79 0,75–0,5 Физико-механические и физико-химические свойства стекловолокон зависят главным образом от химического состава стекла, а также от метода производства. Самую большую прочность имеют непрерывные стекловолокна из бесщелочного и кварцевого магний-алю- мосиликатного стекла. Повышенное содержание щелочей̆ в исходном стекле значительно снижает прочность стекловолокон. По химическому составу и свойствам стеклянные волокна подразделяют на типы: А, Е, С, S, M, D, AR, ECR: − стекловолокно типа Е (electrical) — алюмо-кальциево-боросиликатный состав, служит основой для изготовления электрически устойчивого стекловолокна, обладают свойст- вами низкой электрической проводимости. − стекловолокно типа S (strength) — магний-алюмосиликатный состав, имеют проч- ность на 40% превосходящую, чем стакло типа Е), разработано для аэрокосмоса, имеет высокую прочность. − стекловолокно типа C (chemical) — натрий-боросиликатный состав, обладает высокой химической стойкостью при действии кислот, применяется для изготовления стеклян- ных штапельных волокон. − стекловолокно типа M (modulus) — обладает высокой упругостью; − стекловолокно типа А (alkali) — состоит из кальциево-натриевого стекла с высоким содержанием щелочей; 32 − стекловолокно типа D (dielectric) — боросиликатный состав с улучшенными диэлек- трическими характеристиками и низкой плотностью, обладает низкой диэлектриче- ской проницаемостью; − стекловолокно типа AR (alkali resistant) — стекло с высокой щелочестойкостью, со- держит щелочные силикаты циркония, при этом содержание оксида циркония ZrO 2 варьируется в пределах 15–23 %; − стекловолокно типа ECR (extremely corrosion resistance) — модифицированный состав Е-стекла без бора, обладает долгосрочной устойчивостью к коррозии в кислой среде и устойчиво в агрессивных средах. Пример условного обозначения стекловолокна: щелочестойкое стекловолокно AR2500H200 означает A (аlkali resistant) — щелочестойкое; R (roving) — ровинг; 2500 — плотность, г/1000 м 3 ; H200 — тип замасливателя. Технология получения стеклофибробетона. Получение высокопрочных дисперсно- армированных бетонов на основе цементного вяжущего и стекловолокна возможно в случае соблюдения следующих требований: − армирование стекловолокном равной прочности; − модуль упругости стекловолокна должен быть выше модуля упругости матрицы; − в процессе перемешивания бетонной смеси, формования изделий или − нанесения слоя бетона стекловолокна не должны снижать прочность; − при получении стеклофибробетонных композитов на основе цементных вяжущих стекловолокно должно способствовать созданию высокой адгезионной прочности ме- жду волокном и цементной матрицей; − равномерное распределение стекловолокнистого наполнителя по всему объему бетона в процессе перемешивания бетонной смеси; − применение в качестве матрицы химически инертных по отношению к стекловолокну материалов и высокая прочность при сдвиге. Экспериментально установлено, что пре- дел прочности дисперсно-армированного стекловолокном бетона при осевом растяже- нии, независимо от вида вяжущего и химического состава волокон, возрастает про- порционально увеличению содержания волокна. При содержании волокон в композите менее 1 % его разрушение наступает практически одновременно с разрушением це- ментного камня, т.е. в момент начала трещинообразования в цементной матрице. Одной из самых главных проблем применения стекловолокна в цементных композитах является его относительно низкая химическая стойкость по отношению к цементной матри- це, проявляющей агрессивность и подвергающей его разрушению под действием Ca(OH) 2 Влияние продуктов гидратации цемента на свойства стекловолокна можно существенно сни- зить за счет введения в портландцемент активных минеральных добавок различного проис- хождения и связывающих свободный Ca(OH) 2 по схеме: 1) Ca(OH) 2 + SiO 2 + (n − 1)H 2 O = CaO ∙ SiO 2 ∙ nH 2 O (концентрация CaO меньше концентрации SiO 2 ); 2) 2Ca(OH) 2 + SiO 2 + (n − 2)H 2 O = 2CaO ∙ SiO 2 ∙ nH 2 O (концентрация CaO выше концентрации SiO 2 ). Для изготовления стеклофибробетонов применяются материалы, соответствующие ГОСТам: − мелкозернистые бетоны со средней плотностью более 2000 кг/м 3 с водопоглощением менее 8 % по массе в соответствии с ГОСТ 26633–2015 «Бетоны тяжелые и мелкозер- нистые. Технические условия»; − песок кварцевый с крупностью зерен 1,5–2,5 мм в соответствии с ГОСТ 8736–2014 « Песок для строительных работ. Технические условия». Мелкий заполнитель для фиб- робетона принимается с учетом вида фибры, размера изделия и конструктивных осо- бенностей, класса бетона, применяемой технологии бетонирования; − портландцемент по ГОСТ 31108–2016 «Цементы общестроительные. Технические усло- вия», глиноземистый цемент марок не ниже М400 по ГОСТ 969–91 «Цементы глино- земистые и высокоглиноземистые. Технические условия», микрокремнезем, вяжущее низкой водопотребности (ВНВ). 33 Повышение содержания стекловолокна в бетоне до 10 % способствует увеличению проч- ности при растяжении более чем в 2 раза по сравнению с прочностью неармированной це- ментной матрицы. Положительно влияют добавки некоторого количества асбеста, мрамор- ной пыли, тонкомолотого кирпича или керамики, минеральной ваты и т.д. Получение стеклоармированных композиций возможно двумя основными способами: пневмонабрызгом и предварительным перемешиванием (премиксингом). Пневмонабрызг применяется для получения плоских или криволинейных тонкостенных конструкций, а также для создания защитно-конструкционных покрытий. Он заключается в одновременной подаче раствора и волокна на большой скорости под давлением. В соответ- ствии с этим способом рубленая фибра смешивается с предварительно приготовленным рас- твором в пистолете-распылителе, работающим под давлением. Далее полученная стеклофиб- робетона смесь подается вместе с сжатым воздухом, наносится на заданную вертикальную или горизонтальную поверхность. Этот способ является наиболее эффективным при произ- водстве стеклофибробетона. Выполнение работ пневмонабрызгом может осуществляться как в заводских условиях, так и непосредственно, на стройплощадке в съемной или несъемной опалубке. По технологии пневмонабрызга рекомендуемая длина волокна находится в преде- лах 10–50 мм при его максимальном содержание в цементном растворе в случае произволь- ной ориентации 3–5 % по объему, при направленной ориентации — 10–12 %. На рис. 3.9 показана технологическая схема для получения стеклофибробетона двумя основными методами: набрызгом и «премиксингом». В технологии набрызга применяется пистолет-распылитель с рубящим устройством в комплекте, растворонасос с регулируемой скоростью подачи стеклобетонной смеси к пистолету-распылителю, растворосмеситель для приготовления мелкозернистой смеси, компрессор с системой воздухоподготовки. В техно- логии предварительного смешивания используется циклический передвижной растворосме- ситель принудительного действия, устройство для рубки и дозирования фибры. Рис. 3.9. Технологические схемы производства изделий из стеклофибробетона набрызгом и премиксингом 34 При армировании стеклофибробетона дискретными щелочестойкими фибрами проявля- ется зависимость его свойств от типа и длины волокна и произвольной или направленной ориентации в объеме бетона, технологии производства и др. Обладая исключительными свойствами по прочности при сжатии и ударных воздействи- ях, повышенными показателями прочности при изгибе и растяжении, превышающими ха- рактеристики обычного неармированного бетона в 10–15 и 4–5 раз соответственно, стекло- фибробетон не подвержен коррозии и относится к негорючим материалам. Применение стекловолокна способствует получению изделий с гладкой поверхностью, рекомендуется для изготовления тонкостенных изделий с поперечным сечением 5–20 мм небольшой массы. Стеклофибробетонные изделия проявляют высокую химическую стойкость и, как след- ствие, отличаются долговечностью, что делает их применимыми в путепроводах и в конст- рукциях автомобильных тоннелей, пролетных строений, в системах дорожного водоотвода. Возможность быстрого переоснащения линии стеклофибробетонных изделий позволяет про- изводить широкую номенклатуру продукции, включающую архитектурные облицовочные панели, изделия для навесных фасадов, ограждения балконов и лоджий, элементы дренаж- ных систем и др. При устройстве защитных и гидроизоляционных покрытий возможно применение стекло- цементных материалов с содержанием стекловолокна в количестве 2–3 % от массы вяжущего. В последние годы большое внимание уделяется использованию в фибробетонах базаль- тового волокна. Такие бетоны получили название базальтофибробетоны (БФБ). Учитывая, что базальт составляет 65 % земной коры, это практически неиспользованный резерв для по- лучения эффективных волокон. Из БФБ изготовляются сваи трубчатых изделий и многих других, в том числе мостовых конструкций, дорожных покрытий. 35 |