ВСМ / Статьи / Эффективность применения полимерных фибр для дисперсного армирования бетона
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 |
Добавки | Вид фибр | Размеры фибр, мм |
Расход фибр, кг/м3 | Плот- 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 | ||||||||
01К | 350 | 1000 | Нет | Нет | - | - | - | 2,26 | 1,8 | 6 | - |
1Кр1 | Кальмафлекс, 40 кг | - | - | - | 2,27 | 1,2 | 0,5 | ||||
1Кр2 | Микрокремнезем, 40 кг | - | - | - | 2,25 | 1 | 2,5 | ||||
1П1 | 350 | 1000 | Нет | Полипро- пиленн |
0,02 | 6 | 0,8 | 2,3 | 1,8 | 3 | 300 |
1П2 | 0,02 | 6 | 1,6 | 2,29 | 2,2 | 3 | |||||
1П3 | 0,02 | 12 | 1,6 | 2,25 | 2,6 | 6 | |||||
1П4 | 0,02 | 18 | 1,6 | 2,24 | 3,5 | 8 | |||||
1П5К | Кальмафлекс, 40 кг | 0,02 | 18 | 1,6 | 2,27 | 2,3 | 5 | ||||
1П6Кр | Микрокремнезем, 50 кг | 0,02 | 18 | 1,6 | 2,25 | 0,9 | 3,5 | ||||
1Ф1 | 350 | 1000 | Нет | Сталь- ные |
0,25 | 15 | 40 | 2,32 | 1,8 | 8 | 600 |
1ФКр1 | Микрокремнезем, 40 кг | 0,25 | 15 | 40 | 2,31 | 1 | 1,5 | ||||
1Ф2 | Нет | 0,25 | 15 | 100 | 2,32 | 2,2 | 3,5 | ||||
1ФКр2 | Микрокремнезем, 50 кг | 0,25 | 15 | 100 | 2,31 | 0,7 | 0,5 | 800 | |||
1Ф3 | Нет | 0,25 | 15 | 150 | 2,34 | 2,1 | 0,5 | ||||
2П3 | 500 | 1000 | Нет | Полипро- пилен |
0,02 | 12 | 1,6 | 2,24 | 1,9 | 3 | 1000 |
2П5К | Кальмафлекс, 40 кг | 0,02 | 18 | 1,6 | 2,25 | 1,2 | 1,5 |
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 бетона | Цемент, кг/м3 | Заполнитель (фракция, мм) | Добавки | Уплотнение | Водопоглощение, % |
---|---|---|---|---|---|
В сооружениях | |||||
Нижнетуломская ГЭС, нижний бьеф (Кольский залив) | Пуццолановый, 400 | Песчано-гравийная смесь, 5—50 | Нет | Вручную | 3,5-7,1 |
Борисоглебская ГЭС (Баренцево море) | Пуццолано-вый, 350 | Гранитный щебень, 35-70 | Воздухо-вовлекающая | Электровибраторы 10-12 тыс. кол/мин | 2,4-4,9 |
Кислогубская ПЭС (Баренцево море) | Сульфато-стойкий портландцемент, 480 | Гранитный щебень 5-10 и 10-20 | ССБ, СНБ | 0,65-2,1 | |
В опытных образцах | |||||
Торкрет-бетон | Портландцемент, 350 | Песчано-гравийная смесь, 5—10 | Нет | 1,8 | |
Микрокремнезем | 1,1-1,2 | ||||
То же, с полипропиленовыми волокнами | Нет | 1,8-3,5 | |||
Кальмафлекс | 0,9-2,3 | ||||
То же, со стальными волокнами | Нет | ,8-2,2 | |||
Микрокремнезем | 0,7-1 |
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
Л И Т Е Р А Т У Р А