Обоснование применения сталефибробетона в покрытиях промышленных полов, мостов, аэродромов.

Сталефибробетоном (или фибробетоном) называют бетон, армированный хаотически расположенными в нем стальными волокнами - фибрами. Каждая фибра играет роль стержневой арматуры в железобетоне, а все фибры в бетоне создают новый композиционный материал - фибробетон. По своим свойствам он значительно отличается от бетона. Так прочность фибробетона на растяжение при изгибе возрастает в 2-3 раза, трещинностойкость - в 1,5 - 2 раза, прочность на удар в 8-10 раз по сравнению с бетоном. Существенно возрастает износостойкость и морозостойкость. За счет улучшения приведенных выше свойств долговечность фибробетонных конструкций возрастает в 2-3 раза по сравнению с обычными железобетонными. Благодаря именно этим свойствам фибробетона, его высокой долговечности, обусловлено применение фибробетонных конструкций для различного вида жестких покрытий: дорожных, аэродромных, танкодромных, стоянок для самолетов, автобусов, автомобилей.

Так на автомагистрали в г. Детройте (США) было уложено дорожное покрытие толщиной 80 мм из фибробетона с процентом армирования 0,8-1,5%, длинна покрытия дороги в штате Айова составляет 8 км, армирование отрезками стальной проволоки до 1,5% по объему, при толщине покрытия от 51 до 102 мм. Крупнейшая в штате Техас стоянка для танков площадью 22572 м была сооружена из фибробетона с 1,5% армирования по объему. Покрытие толщиной 102 мм укладывалось по слою асфальтобетона толщиной 127 мм.

Лаборатория инженерных исследований армии США провела испытания на военном аэродроме, где взлетно-посадочные полосы были сооружены из обычного бетона и из фибробетона. Толщина ВПП из обычного бетона 25,4 см, из фибробетона - 15,2 см (на 40% меньше). После 700 циклов загружения (взлетов и посадок) покрытие из обычного бетона практически было выведено из строя, в то время, как фибробетонное выдержало 4500 циклов. Т.е. долговечность фибробетонного покрытия оказалась в 6,4 раза выше бетонного.

В аэропорту г. Франкфурта в железобетонном покрытии мест стоянки самолетов возникли глубокие трещины и произошло частичное его разрушение /3/. Перед его полным ремонтом было сделано два участка покрытия: один из железобетона, другой из фибробетона с расходом стальной фибры 60 кг/м . Через полгода железобетонное покрытие пришло в такое же состояние, как и перед ремонтом, в то время как фибробетонное покрытие повреждений не имело. Поэтому было решено ремонтируемое покрытие заменить фибробетонным.

В аэропорту Мак Карен в г. Лас-Вегас (США) сооружена стоянка для самолетов. Ее площадь 7300 м , она предназначена для самолетов с большой массой. Аналогичные покрытия для рулежных дорожек, взлетно-посадочных полос имеются в Международном аэропорту Тампа (США), в аэропорту Сэдар Рэпидз (США), Джона Кенеди (США) и других.

В России применение сталефибробетона находит все более широкое применение, в основном, в полах промзданий, банковских хранилищах, мостах, ремонте аэродромных покрытий и пр. Например, по технологии и с использованием фибры ЗАО «Фибробетон» в зимний период был произведен ремонт деформационных швов Русаковской эстакады в Москве (работы вела фирма «Мауэр-Мост»). Осенью 2005 года произведено возведение фибробетонного полотна толщиной 200 мм на мосту через реку Пахра (фирмой «Таганка-мост»), выполнен ремонт аэродромного покрытия в а/п Шереметьево, Челябинске и др. так же по технологии и с использованием фибры ЗАО «Фибробетон» (фирма ГПР «Инжстрой»).

Опыт сооружения дорожных покрытий для стоянки автобусов, самолетов, покрытий дорог, промышленных иолов имеются также в Бельгии, ФРГ, Индии и других странах. Основные преимущества фибробетонных покрытий включают:

• Снижение толщины покрытий на 30-50%.
• Увеличение срока службы в 2-3 раза.
• Снижение затрат на ремонт покрытий.
• Отказ от арматурных работ в покрытиях, где предусмотрена стержневая арматура.

По технологии и с использованием фибры ЗАО «Фибробетон», ООО «Спецжелезобетонстрой» изготовил 4000 м³ полов крытого автогаража в г. Москве.

Наиболее широкое применение в настоящее время стальная фибра находит при возведении промышленных полов. При этом решаются проблемы трещинообразования, увеличивается долговечность и уменьшается трудоемкость изготовления. В связи с этим, проектные организации повсеместно включают в проекты промышленных полов использование фибробетона со стальной фиброй, в том числе со стальной латунированной фиброй ЗАО «Фибробетон» диаметром 0,3-0,05 мм, длиной 15+2 мм при расходе от 15 до 25 кг/м3 бетона. С использованием данной фибры работают такие фирмы, как ООО «ПМК-91», ООО НПП «Модуль», ЗАО «Аквабел» (Белоруссия), ЗАО «Спецтрансмонолит», ГУП «Мострансавто» АК 1417 г. Коломна, ОАО СФ «Тверьагрострой» и др. Ввод фибры осуществляется путем засыпки фибры из картонных ящиков весом 20 или 25 кг непосредственно в автомиксер с бетонной смесью. Данная фибра хорошо распределяется в бетонной смеси, не образуя комков (ежей).

Латунированная фибра из проволоки превосходит по прочностным показателям СФБ другие виды фибр и позволяет снизить ее расход за счет более высокой дисперсности (количество более 100 000 штук в 1 кг) и прочности на 20-25% по сравнению с фиброй Нагех /3/ и фиброй из листа.

Особенности и перспективы применения в строительных конструкциях

В настоящее время для фибрового армирования бетонов наиболее широко применяются стальные и стеклянные волокна. Расширяется применение синтетических волокон. В незначительных объемах применяются базальтовые, углеродные и др. волокна. Наибольшая эффективность фибробетона достигается при правильном сочетании свойств составляющих его компонентов. Свойства фибробетон как композиционного материал определяются свойствами составляющих его компонентов. В определенной степени важнейшим компонентом в этом плане является фибра - стальная или неметаллическая.

В этом плане достаточно эффективной, с учетом относительной стоимости, является стальная фибровая арматура. Так как ее модуль упругости в 5-6 раз превышает модуль упругости бетона, то при достаточной анкеровке в бетоне может быть полностью использована прочность и получен наибольший вклад фибры в работу композита в стадиях до и после образования трещин.

В случае стальной фибры достаточно просто решаются вопросы обеспечения ее анкеровки в бетоне, что значительно сложнее, например, для синтетической фибры.

Стальная фибра производится в основном следующими способами: резкой из тонкой проволоки или тонкого стального листа; вытяжкой (экструдированием) из стального расплава; фрезерованием специальных слябов.

Фибра может иметь различное поперечное сечение - круглое, прямоугольное и др. размерами от 0,2 мм до 1,6 мм и длину от 5 мм до 160 мм. Прочность на растяжение -400-1100 МПа.

Фибробетон выгодно отличается от традиционного бетона, имея в несколько раз более высокие по сравнению с ним:

• прочность на растяжение и срез;
• ударную и усталостную прочность;
• трещиностойкость и вязкость разрушения;
• морозостойкость;
• водонепроницаемость;
• сопротивление кавитации;
• сопротивление истиранию.

По показателю работы разрушения фибробетон может в 15-20 раз превосходить бетон. Это обеспечивает ему высокую технико-экономическую эффективность при применении в строительных конструкциях и при их ремонте.

Пожалуй, важнейшей характеристикой фибробетона является его прочность на растяжение. Она важна как прямая характеристика материала, так и косвенная, отражающая его сопротивление другим воздействиям, а также долговечность.

Важной характеристикой фибробетона является ударная прочность (вязкость разрушения). Значение этой характеристики для фибробетона в 3-5 и более раз выше, чем для обычного бетона.

При этом могут изготавливаться конструкции как чисто фибробетонные (только с фибровым армированием), так и с комбинированным армированием, т. е. фиброй и стержневой или проволочной арматурой.

В настоящее время налажено отечественное массовое производство стальной фибры резанной из тонкой листовой стали и фрезерованной из слябов (в Москве, Магнитогорске и Челябинске).

Для изготовления фибры могут быть также использованы выработавшие технический ресурс или некондиционные, специально очищаемые, канаты с диаметром проволок от 0,2 мм до 1,0 мм.

Фибра, фрезерованная из сляба стали марок СтЗ ПС,СтЗ СП и др., производится в Санкт-Петербурге, Челябинске и Кургане. Эта фибра имеет прочность 600-900 МПа, длину 25-32 мм трапециевидное сечение шириной до 3 мм и толщиной 0,2-0,6 мм.

Фибра, резанная из тонкого холоднокатаного листа, в массовом порядке выпускается в г. Магнитогорске. Эта фибра имеет значительно более широкий сортамент: толщину от 0,3 до 1,0 мм; ширину от 0,4x0,6 мм и длину от 30 до 40 мм. Прочность этой фибры - от 480 до 600 МПа.

Как видно, ассортимент стальной фибры отечественного производства довольно широк и может удовлетворить современным, пока скромным, потребностям строительной индустрии. Годовой объем выпуска фибры - 5-8 тыс. т

На днище остается слой формовочной массы толщиной ок. 4 см, который опционально автоматически удаляется и по транспортеру подается в контейнер, находящийся вне цеха. Очищенные пустые днища при помощи крана опять подаются на станцию сборки форм для последующего цикла заливки. Перед въездом в зону заливки комплектующиеся формы вспрыскиваются формовочным маслом в автоматической маслостанции.

Убедительным подтверждением эффективности сталефибробетона в строительстве является зарубежный опыт его применения, широкий ассортимент стальной фибры и большое количество фирм, производящих фибру на постоянной основе. Производством стальной фибры заняты более 20 зарубежных фирм и корпораций. Причем это, как правило, мощные производители обычной стержневой и проволочной арматуры или металлоизделий.

Такая упаковка позволяет сравнительно просто утилизировать фибру, и для ее сохранения требуются относительно меньшие площади. Так, например, фибра из проволоки "Драмикс" (Бельгия) изготавливается в виде блок-пластин, состоящих из десяти фибр, склеенных водорастворимым клеем. Такая фибра не комкуется при транспортировке и подаче в смеситель, хорошо распределяется в объеме бетонной смеси после растворения клея водой затворения.

Другим видом волокон для фибрового армирования бетонов являются стеклянные волокна. Для дисперсного армирования бетона используют, как правило, специальное щелочестойкое стекловолокно, так как обычное алюмоборосиликатное (бесщелочное) стекловолокно быстро корродирует в щелочной среде твердеющего бетона и требует специальной защиты.

В отечественной практике для армирования бетона используется выпускаемое НПО "Стекло" в опытно-промышленном масштабе (90-200 т. в год) щелочестойкое стекловолокно марок СЦ-6.

Фибра из синтетических волокон наиболее дешева и химстойка. Но она имеет низкий модуль упругости и высокую предельную деформативность, что предопределяет деформативность фибробетона, особенно после трещинообразования. Тем не менее, она может эффективно использоваться для улучшения реологических свойств фибробетонных смесей, структурообразования бетона-матрицы на стадии твердения и повышения его долговечности.

Наиболее эффективными с позиций прочности и долговечности фибробетона, в т. ч. при экстремальных химических, температурных и пожарных воздействиях, являются углеродные волокна. Но фибра из них пока слишком дорога, а снижение ее стоимости - вопрос будущего.

В ряде типовых железобетонных конструкций, таких как блоки фундаментов, подвалов, пригрузов, дорожные плиты, стальная арматура может быть с успехом заменена на базальтовую фибру - более химически стойкую и относительно дешевую.

Зарубежный и отечественный опыт показывает, что фибробетон является в большой мере универсальным строительным материалом, находящим все более широкое применение в различных областях строительства.

Экономическая эффективность сталефибробетонных конструкций по сравнению с железобетонными обуславливается за счет:

• большого снижения трудоемкости;
• снижения материалоемкости;
• повышения долговечности;
• увеличения межремонтного ресурса;
• исключения недостатков, присущих стержневому армированию.

Имеется достаточно большой отечественный опыт применения сталефибробетона в строительстве (Москва, Санкт-Петербург, Липецк, Челябинск, Магнитогорск, Барнаул, Волхов).

Сейчас в России производится в год более 10 тыс. т стальной фибры и этот объем может быть увеличен в несколько paз нa уже освоенных производствах (Магнитогорск, Курган, Санкт-Петербург). Но при этом большая часть фибры продается за рубеж.

Применение этой фибры в отечественной практике было бы очень выгодно для строительной индустрии и государства в целом.

Сравнение с обычным бетоном