ВСМ / Справочная информация / Статьи / Эффективность применения полимерных фибр для дисперсного армирования бетона

Эффективность применения полимерных фибр для дисперсного армирования бетона

Небольшой модуль упругости полипропиленовых волокон (до 8000 МПа) и высокие значения предельных деформаций (10—25 %) повышают вязкость армированного этими волокнами бетона и уровень работы, которую необходимо затратить для его разрушения.

Ф.Н. Рабинович - канд. техн. наук (ОАО «ЦНИИПромзданий»);
С.М. Баев - генеральный директор ЗАО «Служба защиты сооружений».

Научно-технический и производственный журнал "Промышленное и гражданское строительство", 8/2009.

Эффект вязкого разрушения проявляется не столько при статическом нагруже-нии, сколько, как известно [1], при динамических (ударных, взрывных) воздействиях, т. е. в ситуациях, когда волокна вследствие весьма кратковременного действия нагрузки не успевают выдернуться из бетонной матрицы.

Механические характеристики образцов бетона, формуемого методом сухого торкретирования, с дисперсным армированием полипропиленовыми волокнами и для сравнения с армированием стальными волокнами-фибрами рассмотрены в [2]. Важное значение также имеют вопросы, оценивающие влияние структуры дисперсного армирования с использованием исследуемых волокон на изменение таких характеристик торкрет-бетона, как водо-поглощение, водонепроницаемость, морозостойкость, сопротивление воздействиям огня и взрыва.

Уровень водопоглощения и водонепроницаемость образцов торкрет-бетона и торкрет-фибробетона определяли согласно стандартам соответственно [3, 4 (метод «мокрого пятна»)]. Выпиленные из плит образцы диаметром 150 мм и высотой 130 мм выдерживали под давлением воды 1,4 МПа (давление доводили до максимального уровня ступенями по 0,2 МПа и выдерживали по 16 ч на каждой ступени). После этого их испытывали на раскалывание. По сечению раскола измеряли глубину проникания воды по высоте образца. Данные по морозостойкости образцов диаметром и высотой 70 мм устанавливали по методике ускоренных испытаний согласно [5] путем замораживания образцов в 5 %-ном растворе NaCl до температуры —50 "С и оттаивания в таком же растворе при температуре +20 °С. Контрольные образцы изготовляли в соответствии с требованиями стандартов [6, 7]. Норматив [8] предусматривает изготовление достаточно большого количества образцов при испытаниях на морозостойкость, но в связи с экономическими трудностями в данных исследованиях условную марку бетона по морозостойкости определяли по количеству циклов замораживания—оттаивания при визуальном контроле состояния образцов и контроле потери массы в насыщенном состоянии в процессе испытаний. При появлении признаков разрушения бетона и потере массы более 3 % начальной в насыщенном состоянии образцы испытывали на сжатие. За условную марку бетона по морозостойкости принимали марку, соответствующую количеству циклов, при котором не наблюдалось признаков разрушения и потери массы. Марку определяли по табл. 3 [8], по методу ускоренных испытаний.

Данные по водопоглощению, водонепроницаемости и морозостойкости исследуемых образцов приведены в табл. 1.

Марка образ-
цов
Расход для
сухой смеси
ДобавкиВид фибрРазмеры
фибр, мм
Расход фибр, кг/м3Плот-
ность, г/см3
Плот-
ность погла-
щения, %
Глубина проник-
новения воды
в образцах при
давлении 1,4 МПа, см
Услов-
ная
марка
по морозо-
стой-
кости F
цемен-
та, кг/м3
запол-
ните-
лей, м
диа-
метр
длина
01К3501000НетНет---2,261,86-
1Кр1Кальмафлекс, 40 кг---2,271,20,5
1Кр2Микрокремнезем, 40 кг---2,2512,5
1П13501000НетПолипро-
пиленн
0,0260,82,31,83300
1П20,0261,62,292,23
1П30,02121,62,252,66
1П40,02181,62,243,58
1П5ККальмафлекс, 40 кг0,02181,62,272,35
1П6КрМикрокремнезем, 50 кг0,02181,62,250,93,5
1Ф13501000НетСталь-
ные
0,2515402,321,88600
1ФКр1Микрокремнезем, 40 кг0,2515402,3111,5
1Ф2Нет0,25151002,322,23,5
1ФКр2Микрокремнезем, 50 кг0,25151002,310,70,5800
1Ф3Нет0,25151502,342,10,5
2П35001000НетПолипро-
пилен
0,02121,62,241,931000
2П5ККальмафлекс, 40 кг0,02181,62,251,21,5

Введение волокон в торкрет-бетон, как правило, повышает уровень водопоглощения образцов, или при использовании добавки оно сохраняется примерно таким же, как в контрольных неармированных образцах. Понятно, что водопоглощение бетона есть функция свойств его цементной основы. Увеличение содержания волокон и их длины может изменить в определенных условиях качество этой цементной основы и внести в структуру композита дополнительные поверхности, в том числе и полости, которые станут источником повышения уровня водопоглощения материала.

Пример использования бетонаЦемент, кг/м3Заполнитель (фракция, мм)ДобавкиУплотнениеВодопоглощение, %
В сооружениях
Нижнетуломская ГЭС, нижний бьеф (Кольский залив)Пуццолановый, 400Песчано-гравийная смесь, 5—50НетВручную3,5-7,1
Борисоглебская ГЭС (Баренцево море)Пуццолано-вый, 350Гранитный щебень, 35-70Воздухо-вовлекающаяЭлектровибраторы 10-12 тыс. кол/мин2,4-4,9
Кислогубская ПЭС (Баренцево море)Сульфато-стойкий портландцемент, 480Гранитный щебень 5-10 и 10-20ССБ, СНБ0,65-2,1
В опытных образцах
Торкрет-бетонПортландцемент, 350Песчано-гравийная смесь, 5—10Нет1,8
Микрокремнезем1,1-1,2
То же, с полипропиленовыми волокнамиНет1,8-3,5
Кальмафлекс0,9-2,3
То же, со стальными волокнамиНет,8-2,2
Микрокремнезем0,7-1

Вместе с тем данные табл. 1 показывают, что образцы торкрет-бетона и торкрет-фибробетона отличаются в целом весьма низкими (в абсолютном выражении) показателями водопоглощения. Подобные бетоны весьма эффективны для использования в морских сооружениях (берегозащитные конструкции, причалы, волноотбойные стены, конструкции гидроэлектростанций). В табл. 2 приведены данные по показателям водопоглощения различных видов бетона в морских сооружениях, эксплуатирующихся в суровых условиях арктического побережья России [9], и в опытных образцах торкрет-бетона и торкрет-фиб-робетона.

Изменения показателей по водонепроницаемости торкрет-бетона и торкрет-фибробетона подчиняются примерно тем же закономерностям, которые фиксировали при измерении уровней водопоглощения. Глубина проникания воды в образцах при заданном давлении 1,4 МПа возрастает по мере увеличения длины полипропиленовых волокон при их одинаковом расходе 1,6 кг/м3 в торкрет-фибробетоне. Вместе с тем уменьшение расхода полипропиленовых волокон до 0,8 кг/м3 при их одинаковой длине 6 мм не изменило показателя, характеризующего глубину проникания воды в образцах. Тем не менее, повышение расхода стальных фибр в торкрет-фибробетоне существенно снизило величину проникания воды в дисперсно-арми-рованный материал. Применение добавок кальмафлекса и микрокремнезема в бетоне дополнительно сокращает глубину проникания воды в его объем, повышая тем самым водонепроницаемость материала. Марка по водонепроницаемости рассматриваемых образцов тор-крет-фибробетона достаточно высока W12-W14.

Данные, представленные в табл. 1, показывают также, что образцы торкрет-фибробетона с применением как стальных, так и полипропиленовых волокон, вполне удовлетворительно воспринимают попеременные воздействия низких температур. Кроме того, в условиях оптимизации составы торкрет-фибробетона могут иметь весьма высокую марку по морозостойкости, достигающую F800— F1000.

Как и другие модификации высокопрочных бетонов торкрет-бетон более чувствительный к высоким температурам и тепловому удару, чем бетон с более низким уровнем (менее 50 МПа) прочности. Это связано прежде всего с уменьшенным в объеме высокопрочного бетона количеством мелких по размерам взаимосвязанных пор. В результате этого в порах образуется повышенное давление пара, которое обусловливает возникновение в бетоне силы натяжения. Если эта сила превышает прочность бетона на растяжение, то происходит взрывное откалывание поверхностных слоев бетона с обнажением арматуры с последующим быстропротекающим процессом разрушения. Метод торкретирования, позволяющий получить достаточно плотную структуру бетона, создает предпосылки, при которых такой бетон может иметь более высокий уровень уязвимости к воздействиям огня.

Подобная ситуация проявилась в известных и многократно описанных пожарах, возникших в тоннелях Европы под Ла-Маншем, Монблана и Св. Готарда. В связи с этим уместно отметить данные исследований [10], которые были проведены после пожаров и касались, в частности, изучения влияния дисперсного армирования, в том числе с применением стальных и полимерных волокон, на сопротивление торкрет-фибробето-на огневым воздействиям. Рассматривались варианты обычного сеточного армирования из стальной проволоки, аналогичного армирования сетками совместно со стальными фибрами, стальными фибрами совместно с тонкими полипропиленовыми волокнами и с использованием грубых полимерных волокон, подобных стальным.

Все варианты, кроме варианта с комбинацией стальных фибр и тонких полипропиленовых волокон, показали в процессе огневых испытаний обширное взрывное откалывание. При этом образец панели с крупными полипропиленовыми волокнами распался на пять частей.

Использование тонких полипропиленовых волокон в торкрет-бетоне при огневых испытаниях привело к раскрытию микротрещин на поверхности раздела между волокнами и матрицей вследствие различающихся характеристик их линейного расширения при нагревании. Возникшие при этом просветы (нельзя забывать о большой поверхности контакта тонких волокон с матрицей [2, табл. 1] и о предпосылках для возникновения соответственно большого числа таких просветов) предоставляют возможность выхода давлению пара в конструкции. В данном случае большое значение имеет кинетика развивающегося пожара. При низкой скорости повышения температуры влага в порах, превращаясь в водяной пар, успевает испариться от горячей поверхности и энергия этого процесса по отношению к конструкции не достигает критического уровня. Одновременно уменьшается взрывное откалывание при пожаре. При быстром повышении температуры влаге не хватает времени уйти от горячей поверхности и возрастающее давление может достигнуть уровня, при котором будет преодолена прочность торкретбетона на растяжение.

При одинаковых условиях огневых испытаний* образец панели из торкрет-бетона со стальными и тонкими полипропиленовыми волокнами в течение 2 ч не получил каких-либо серьезных повреждений, вызванных взрывным откалыванием, тогда как в варианте с сеточным армированием куски торкрет-бетона стали отскакивать через несколько минут после начала воздействия огня. Спустя 15 мин испытания прекратили. В других панелях со стальными либо с крупными полипропиленовыми волокнами в процессе испытаний фиксировали обширное взрывное откалывание. По-видимому, эти процессы обусловливаются также различием в количестве волокон разных диаметров в матрице, приходящихся на единицу ее объема. Как видно, использование тонких полипропиленовых волокон совместно со стальными фибрами в качестве армирующих компонентов в торкрет-бетоне может существенно повысить его сопротивление воздействию огня.

Области эффективного применения торкрет-фибробетона с полипропиленовыми волокнами, в том числе в комбинации со стальными фибрами достаточно обширны. Это — полы зданий различного назначения, прежде всего промышленных предприятий; дорожные развязки и аэродромные покрытия; морские сооружения, подвергаемые динамическим воздействиям волн; берего-укрепляющие конструкции и объекты, воспринимающие значительные динамические нагрузки при их транспорте и монтаже; конструкции, к которым предъявляются повышенные требования по обеспечению их сопротивления пожару, и др.

В большинстве случаев рассматриваемые модификации торкрет-фибробетона могут оказаться более эффективными в сравнении с традиционным бетоном со стержневым армированием.

В ы в о д ы

  1. Выполнен экспериментально-теоретический анализ, связанный с оценкой эффективности применения низкомодульных полимерных волокон для дисперсного армирования бетонов.
  2. Отмечено, что модуль упругости полимерных волокон ниже, чем модуль упругости рядового бетона. С точки зрения теории эти волокна не способны выполнять роль традиционных армирующих компонентов, поскольку бетон не в состоянии передать на них возникающее усилие, а сами волокна не могут сдерживать деформации бетона при его нагру-жении. Вместе с тем установлено, что применение рассматриваемых низкомодульных, в частности, полипропиленовых волокон в качестве армирующих компонентов, дисперсно распределяемых в объеме бетона при указанном выше методе его формования, повышает вязкость разрушения бетона и в определенных условиях обеспечивает повышение его прочности на растяжение при раскалывании, сжатии и изгибе. Представлено объяснение причин данного положения, основывающееся на рассмотрении двух стадий работы бетона. Первая стадия — период формирования структуры дисперсной среды до приобретения ею регламентируемых параметров прочности и жесткости. Вторая стадия — бетон способен выполнять функции, предусмотренные проектной документацией. Показано, что в первой стадии модуль упругости волокон полипропилена выше до определенного момента в сравнении с модулем деформации твердеющей дисперсионной среды. В этой ситуации подобные волокна способны выполнять функции армирующих компонентов, сдерживая температурно-усадочные деформации бетона и ограничивая возникновение трещин в его объеме. При этом в контакте с низкомодульными волокнами снижается возможность возникновения избыточной концентрации напряжений в объеме твердеющей среды в сравнении с более жесткими включениями.
  3. Волокна с большой удельной поверхностью могут оказать позитивное влияние на формирование структуры бетонной матрицы непосредственно в области контакта с волокнами. Появляются условия для направленной кристаллизации гид-ратных новообразований, которые способствуют возникновению «эффекта самоармирования» бетона. Показано, что во второй стадии работы бетона эффект дисперсного армирования, создаваемый обладающими более высоким модулем упругости стальными волокнами, многократно превышает «эффект самоармирования» бетона при его статическом нагружении.
  4. Вязкий характер разрушения рассматриваемых бетонов с полипропиленовыми волокнами обусловливает повышение сопротивления получаемых композитов не только к статическим, но прежде всего к ударным, динамическим нагрузкам, к воздействиям взрыва, пожара. Рациональны варианты комбинированного армирования, в частности, полипропиленовыми и стальными фибрами.
  5. Использование полипропиленовых волокон для дисперсно-армиро-ванных бетонов, формуемых методом торкретирования, создает предпосылки для получения строительных изделий с высокими механическими показателями, характеристиками водонепроницаемости и морозостойкости. Такая продукция может быть успешно внедрена при возведении, реконструкции и ремонте строительных объектов различного функционального назначения, в том числе эксплуатируемых в суровых климатических условиях. Рекомендованы некоторые направления эффективного применения торкрет-полимерфибро-бетона в комбинации со стальными фибрами.

Л И Т Е Р А Т У Р А

  1. Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. М.: Изд-во АСВ, 2004. 560 с.
  2. Рабинович ф. Н., Баев С. М. Эффективность применения полимерных фибр для дисперсного армирования бетона // Пром. и гражд. стр-во. 2008. № 8. С. 28-31.
  3. ГОСТ 12730.3-78. Бетоны. Метод определения водопогпощения.
  4. ГОСТ 12730.5-84*. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости.
  5. ГОСТ 10060.2-95. Бетоны. Ускоренные методы определения морозостойкости при многократном переменном замораживании, оттаивании.
  6. ГОСТ 28570-90. Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций.
  7. ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.
  8. ГОСТ 10060.0-95. Бетоны. Методы определения морозостойкости. Общие положения.
  9. Усачев И. Н., Розенталь Н. К. Бетон, стойкий в зоне прилива арктического побережья России // Бетон и железобетон. 2008. N° 5. С. 18-22.
  10. Татнал П. С. Огнеупорность торкретбетона: влияние добавления волокон на взрывное откапывание / / Торкретбетон. (USA). 2002. С. 15-19
Версия для печати