|
Широко известный и повсеместно применяемый строительный материал - бетон, известен с 19 столетия. Бетон является хрупким, то есть по достижении разрушающей нагрузки происходит внезапное его разрушение. Добавление в бетон путем подмешивания стальной фибры резко улучшает прочностные характеристики бетона, то есть изделие из сталефибробетона (СФБ) не трескается, пока не будет подвергнуто более высокой деформации. Впервые интерес к сталефибробетону в мире обострился в 1962 году, когда Ромальди (США) сумел значительно повысить прочность бетона путем добавления прямых стальных волокон проволоки.
Это привело к ускоренным научным исследованиям свойств бетона, армированного стальной фиброй и первым примерам практического использования, осуществленным в начале 70-х годов.
На сегодняшний день - это высокоэффективный конструкционный материал, свойствами которого можно управлять в достаточно широких пределах и применять там, где это целесообразно.
При производстве сталефибробетонных конструкций (СФБК) существенно сокращаются или полностью исключаются арматурные работы, что позволяет сократить трудозатраты на их изготовление до 40%. Помимо этого повышенные физико - механические характеристики СФБ обеспечивают снижение массы конструкций от 15 - 20% до 5 - 10 раз и являются основой высокой технико-экономической эффективности СФБК.
На основании отечественного и зарубежного опыта экспериментального строительства можно назвать следующие области эффективного применения сталефибробетона:
• сооружения, подверженные динамическим воздействиям: площадки для запуска ракет, дорожные и аэродромные покрытия, проезжие части мостов, мостовые конструкции, полы промышленных зданий, берегоукрепительные сооружения, волноломы, грузовые покрытия портовых причалов, свайные фундаменты, помещения повышенной надежности
• сооружения специального назначения: тюбинги для коллекторных тоннелей, корпуса судов, корпуса реакторов, склады взрывчатых веществ, напорные трубы, опоры контактной сети
• тонкостенные пространственные конструкции
• опорные узлы предварительно напряженных конструкций
• сейсмостойкие здания и сооружения
• ограждающие конструкции, тонкие трехслойные облицовочные плиты, лестничные марши, элементы гаражей-стоянок
• изделия сложной конфигурации
• банковские хранилища
Существует два основных класса фибры для упрочнения бетона:
• из полимерных материалов (обычно полипропиленовая).
• металлическая (стальная).
Полипропиленовая фибра улучшает характеристики бетона в первоначальный период набора прочности бетоном.
Стальная фибра улучшает характеристики бетона после набора бетоном прочности - выполняет силовые функции.
Стальная фибра обычно изготовлена из стальной проволоки длиной от 30 до 80 мм, диаметром 0,5 - 1,2 мм, прочность на растяжение около 1000 МПа и более, специально профилированную для улучшения сцепления с бетоном. Фибра может быть изготовлена из нержавеющей стали, из обыкновенной стали с покрытием и без покрытия. Номинальный расход 20 - 40 кг на 1 м3 бетона. Стальная фибра будучи хорошо перемешена представляет собой равномерно распределенную арматуру.
Преимущества
• повышает прочность бетона на изгиб
• уменьшается время на монтаж арматуры, так как фибра может быть добавлена на бетонном заводе или непосредственно в миксер (время перемешивания 5 - 15 минут)
• увеличивается вибрационная стойкость бетона, так как вибрации распространяясь по арматурной сетке способствуют разрушению бетона.
• не препятствует образованию микротрещин, но хорошо удерживает трещины от расширения и перерастания микротрещин в макротрещины.
• при замене арматурной сетки на стальную фибру возможно существенно уменьшить толщину бетонной стяжки, при сохранении несущей способности бетонной плиты.
ПРОЧНОСТЬ
Под прочностью материала понимается тот максимальный уровень напряжений, который может выдержать материал без существенных изменений в своей структуре при ожидаемых условиях работы. Прочностные характеристики сталефибробетона зависят от класса исходного бетона - матрицы, вида и размеров стальной фибры, характера ее поверхности, геометрии и размера сечения элемента
.
Увеличение предела прочности при сжатии прямо пропорционально содержанию фибр и достигает 140 - 150% при 2 - 3% армирования. Хотя прочность при сжатии и возрастает, она не является основной характеристикой сталефибробетона. Упрочнение достигается главным образом за счет увеличения прочности при растяжении.
Прочность СФБ при растяжении выше соответствующей прочности бетона матрицы. При этом повышение прочности сталефибробетона на растяжение прямо пропорционально увеличению объемного процента содержания фибр и их длины.
Прочность СФБ на растяжение определяется в зависимости от характера разрушения элемента, которое наступает в результате выдергивания всех фибр - 1 случай - и выдергивания части фибр и обрыва остальных - случай 2.
Динамическая прочность сталефибробетона выше соответствующей характеристики матрицы и зависит от условия приложения нагрузки. Так, коэффициент динамического упрочнения, т.е. отношение напряжений при статическом и динамическом осевом нагружении для бетона матрицы равен 1.41, а для сталефибробетона - 1.43 - 1.55 и зависит от параметров армирования.
По литературным данным предел выносливости сталефибробетонных конструкций выше железобетонных на 30% и составляет 0.95 Rbn
ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ
В общем случае предел трещиностойкости СФБ по сравнению с железобетоном возрастает от 30 до 80 %, - при раскрытии трещин до 0.05 мм в 6-10 раз.
ДЕФОРМАТИВНОСТЬ
Высокие деформативные свойства СФБ определяются дисперсным характером его армирования. Достаточно близкое расположение фибр в материале оказывает действие по торможению развития локальных трещин в бетоне с одновременным повышением его предельной растяжимости и прочности. Кроме этого, чем тоньше фибры, тем выше их чувствительность к различной деформативности отдельных структурных элементов бетона.
В целом деформативность бетона выравнивается. Если материал насыщен большим количеством фибры, то он работает короткими участками и эффективность армирования повышается.
Деформативные свойства сталефибробетона при прочих равных условиях изменяются прямо пропорционально степени объемного насыщения и обратно пропорционально диаметру фибр.
Важным показателем деформативности СФБ является модуль деформации - не постоянная величина и существенно зависящая от стадийности работы. При напряжениях, не превышающих предел трещиностойкости, когда начальная структура сталефибробетона еще не нарушена, зависимость между напряжениями и деформациями - линейная и характеризуется начальным модулем упругости Efb, который определяется верхней нижней оценкой - по "закону смесей"
С увеличением нагрузки кривая зависимости напряжения - деформации искривляется, модуль деформаций сталефибробетона становится переменным. Значение начального модуля упругости сталефибробетона выше соответствующей характеристики бетона матрицы на 10 - 30%.
Начальный модуль упругости сталефибробетона зависит как от соответствующего показателя бетона, так и от коэффициента фибрового армирования.
Начальный коэффициент поперечной деформации сталефибробетона превышает аналогичные значения коэффициента бетона на 10...20%.
ИСТИРАЕМОСТЬ
Исследования СФБ на истираемость свидетельствуют о структурном улучшении этого материала в сравнении с неармированным бетоном. Показатель истираемости улучшается в среднем в 2 раза по сравнении с неармированным бетоном, и фибры истираются совместно с бетонной матрицей.
МОРОЗОСТОЙКОСТЬ
Морозостойкость СФБ в значительной мере зависит от сцепления фибр с бетоном. По некоторым данным при прочности сцепления равной 1, 2 и 3 МПа морозостойкость СФБ повышается по отношению к исходному бетону соответственно в 1.25, 1.6 и 1.95 раза.
Морозостойкость СФБ повышается с уменьшением диаметра фибр за счет образования мелкопористой структуры матрицы с большим содержанием замкнутых пор, а именно, при фибрах диаметром 0.3 мм она в 1.18 выше, чем условно при диаметре 1 мм.
По экспериментальным данным, морозостойкость СФБ (m=0.01) по сравнению с обычным бетоном может быть выше до 7 раз.
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ
Так как защитный слой для фибр в СФБ практически отсутствует, возникает вопрос об их коррозионной стойкости. Экспериментальные данные показали, что при отсутствии трещин СФБ не только не уступает, но и превосходит по коррозионной стойкости железобетон со стержневым армированием.
Введение в бетон фибровой арматуры значительно улучшает его структуру и обеспечивает высокую коррозионную стойкость волокон.
Фактором, улучшающим защитные свойства бетона при насыщении его армирующими волокнами, является образование мелкопористой структуры матрицы, что снижает глубину карбонизации (насыщение диоксидом углерода СО2) в 1.5 - 2 раза по сравнению с неармированным бетоном.
КАВИТАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ
Кавитационная стойкость - это специфическое свойство СФБ, которое выделяет его из всех известных материалов. Эта характеристика в 2.5 раза выше, чем у неармированного или армированного другими способами бетона. Особенно она повышается при армировании стальными фибрами полимербетона. Для невысоких скоростей потока достаточной стойкостью обладает СФБ без полимерных добавок.
ОГНЕСТОЙКОСТЬ
Огнестойкость СФБ представляет интерес с точки зрения противопожарной безопасности. При испытании элементов конструкций на огнестойкость, в соответствии с требованиями норм, производится их односторонний прогрев пламенем. При этом в СФБ конструкциях фибры, кроме объемного упрочнения бетона, подвергнутого одностороннему разогреву, передают тепло от нагретой стороны к холодной, выравнивая их температуры и снижая температурные напряжения.
Устойчивость к температурным перепадам обеспечивает СФБ широкое применение в огнеупорных футеровках. |
|
|
|
Распечатать
