Известно, что цементные бетоны, наиболее широко применяемые среди всех других материалов, обладая высокой прочностью на сжатие
ВВЕДЕНИЕ
Ужесточение требований к безопасности зданий и сооружений привело к необходимости повышения показателей физико-технических свойств и долговечности строительных материалов, применяемых при строительстве, реконструкции и ремонте. Известно, что цементные бетоны, наиболее широко применяемые среди всех других материалов, обладая высокой прочностью на сжатие, имеют сравнительно низкие показатели прочностипри растяжении и изгибе, трещиностойкости. Успехи бетоноведения в конце ХХ-го века обеспечили возможность получения высокопрочных и высококачественных бетонов прочностью на сжатие 100 МПа и выше, необходимых при строительстве высотных зданий, платформ для нефтедобычи в морях и океанических шельфах и других уникальных сооружений. Однако при существенном повышении прочности бетонов на сжатие прочность высокопрочных бетонов на растяжение повышается незначительно, что снижает возможности и эффективность их применения. В конструкциях новых архитектурных форм, оболочек, тонкостенных панелей со сложным рельефом, резервуарах; покрытиях взлетно-посадочных полос аэродромов, дорог, полов промышленных зданий; труб в водопропускных системах автомобильных дорог, коллекторов, тоннелей, мостов необходимы повышенные прочность на растяжение и изгиб, трещиностойкость, ударная вязкость, выносливость, морозостойкость, водонепроницаемость, износостойкость, низкая усадка.
Для улучшения показателей перечисленных свойств бетонов применяются различные способы, одним из которых является дисперсное армирование бетона волокнами (фиброй) — стальными, стеклянными, базальтовыми, целлюлозными, синтетическими, углеродными и др. Армированный дисперсными волокнами бетон называют фибробетоном. Фибробетон отличается от традиционного более высокими показателями прочности на растяжение, изгиб, срез, ударной и усталостной прочностью, трещиностойкостью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, жаропрочностью и пожаростойкостью. По показателю работы разрушения фибробетон до 20-ти раз может превосходить обычный бетон. Все это обеспечивает его высокую технико-экономическую эффективность. Дисперсное армирование бетона позволяетполностью или частично сократить объемы традиционных арматурных работ. Экономический эффект применения фибробетона при более высокой стоимости его по сравнению с традиционным обеспечивается за счет уменьшения или полного сокращения применения стержневой и проволочной арматуры, сеток и каркасов из них, а главным образом — за счет более высокой долговечности, эксплуатационной пригодности, увеличения межремонтного ресурса и повышения безопасности зданий и сооружений при сейсмических воздействиях и пожарах.
Основываясь на результатах анализа развития и совершенствования бетонов и конструкций, следует отметить, что фибробетон является одним из перспективных строительных материалов XXI-го века. Первый в мире патент на фибробетонную конструкцию был получен российским ученым НЕКРАСОВЫМ В.П. в 1909 году, а широкое развитие исследования по разработке фибробетонов и методов расчета конструкций из них получили с 60-х годов ХХ-го века. С тех пор проведено значительное количество международных научно-технических симпозиумов, конференций и семинаров, посвященных результатам научных исследований и практическому применению фибробетонов в строительстве в США, Великобритании, Канаде, ФРГ и других странах.
Особое развитие и применение фибробетон получил в Японии. В рамках Японской ассоциации по цементу в 1960 г. был учрежден комитет по изучению фибробетона, задачами которого являлись подготовка руководящих материалов по его производству на заводах товарного бетона, исследование характеристик фибробетона, а также изучение конструкций дорожных покрытий и других конструкций из бетона, армированного стальными волокнами. С начала 1970-х г.г. исследования приняли систематический характер и были нацелены на практическое применение этого материала. Большинство исследований было связано с изучением сталефибробетона.
Использованы материалы специализированного изданий Бетоны&Сухие смеси
СТАЛЕФИБРОБЕТОН
Впервые стальные волокна появились на мировом рынке в 1973 г., что стимулировало исследование их применения в дорожных покрытиях, в отделке тоннелей. В результате были признаны уникальные эксплуатационные свойства сталефибробетона и увеличилось число конструкций из этого бетона при строительстве в Японии различныхсооружений. В 1980 г. специалистами Японской ассоциации по тоннелестроению было разработано руководство по проектированию и изготовлению сталефибробетона, предназначенного для отделки тоннелей, для конструкций дорожной одежды и плотин. Японское общество инженеров гражданского строительства подготовило руководство по подбору состава и приготовлению сталефибробетона, а также разработало ряд методов его испытаний. Уже в 1980-х г.г. количество использованных в Японии стальных волокон достигло 3000 т.
В настоящее время в Японии в преимущественных объемах в строительстве применяется сталефибробетон.
Опыт таких развитых стран, как США, Великобритания, Германия, Франция и Австралия убедительно доказал технико-экономическую эффективность применения сталефибробетона в строительных конструкциях. В строительной практике США сталефибробетон широко применяют в дорожном и тоннельном строительстве, строительстве морских нефтедобывающих платформ и плотин, а также в устройстве полов промышленных зданий, терминалов и т. п. Считается целесообразным применение сталефибробетона в каркасных конструкциях зданий, особенно при возможных сейсмических воздействиях.
Анализ литературных данных свидетельствует о значительном применении в зарубежных странах монолитного сталефибробетона для временных крепей и сталефиброторкретбетона для обустройства тоннелей и других подземных сооружений, а также для ремонтных работ. Наиболее интересными примерами применения сталефибробетона в этой области являются: конструкции перегонных тоннелей метрополитена в Осло (Норвегия), крепь гидротехнического тоннеля диаметром 2,34 м в Карсигтоне (Великобритания), тоннель Хеггура и газопроводные тоннели под дном Северного моря (Норвегия), железнодорожные тоннели в Канаде, коллекторные тоннели метрополитена в Гамбурге (ФРГ) и Лионе (Франция), автодорожный тоннель протяженностью 6,63 км на глубине до 1 км Энасан-2 (Япония).
В Австралии одной из основных областей применения сталефибробетона стало устройство покрытий с интенсивным движением людей и транспорта (полы цехов заводов и фабрик, прачечных, дорожные покрытия). При устройстве сталефибробетонных дорожных покрытий с интенсивным движением транспорта не требуется специальных дополнительных покрытий.
Сталефибробетон эффективен при устройстве набрызгбетонной и монолитной обделки тоннелей, берегозащитных и причальных сооружений. Достаточно широко сталефибробетон применяется для выполнения ремонта обделки тоннелей, мостов, плотин, тонкостенных несущих конструкций.
Сталебетон в мировой практике занимает значительную долю в общем объеме используемого бетона, для чего налажено серийное производство стальных фибр порядка 350–400 тысяч тонн в год. При этом сталефибробетон не следует считать модификацией обычного бетона, так как это новый материал, обладающий соответствующими качественными и количественными свойствами.
Правильно приготовленный сталефибробетон по сравнению с неармированным бетоном имеет ряд преимуществ:
•повышение прочности при сжатии до 25%;
•повышение прочности на растяжение при изгибе до 250%;
•повышение прочности при осевом растяжении до 60–80%;
•повышение сопротивления удару до 10–12 раз;
•повышение модуля упругости до 20%;
•повышение долговечности конструкций и увеличение межремонтного цикла при их эксплуатации в 1,8…2,0 раза;
•повышается морозостойкость, водонепроницаемость, сопротивление знакопеременным температурам, сопротивление абразивному износу и др.;
•фибровое армирование придает бетонной матрице пластический характер разрушения и повышенную трещиностойкость.
В ведущих технически развитых странах интенсивно производится широкий спектр исследований в области внедрения сталефибробетона при возведении объектов ранспортного, промышленного, гражданского, энергетического строительства и объектов боронного значения
При возведении железобетонных конструкций из традиционного бетона наиболее трудоемкими являются арматурные работы. Изготовление сеток, каркасов, установка арматуры и ее закрепление в проектное положение, необходимость обеспечения защитного слоя бетона приводят к значительным затратам труда. Применение сталефибробетона в ряде случаев дает возможность исключить из конструкций часть, а иногда и полностью отказаться от традиционной стержневой арматуры и заменить ее фибровой. Эффективность применения сталефибробетонных конструкций в этих случаях может быть достигнута за счет снижения трудозатрат на арматурные работы, сокращения расхода стали и бетона (за счет уменьшения толщины конструкций), совмещения технологических операций приготовления — бетонной смеси и ее армирования, что, в конечном итоге, приводит к снижению трудоемкости изготовления конструкций на 25–27% и экономии строительных материалов на 1 м³ готового изделия. Кроме того, эффективность использования сталефибробетона может выражаться в увеличении долговечности конструкций и снижении затрат на текущий ремонт.
Длительная эксплуатация дорожной одежды приводит к образованию выколов бетона в рабочих швах монолитных покрытий и местах сопряжения сборных дорожных плит. Применение сталефибробетона, в этом случае, позволяет повысить долговечность стыков и снизить эксплуатационные расходы на их ремонт. Результатами расчетов, выполненных Российской академией архитектуры и строительных наук и институтом «Челябинскметротранспроект», показано, что применение сталефибробетона позволяет снизить:
•стоимость 1 м² бетонного покрытия
•транспортные расходы на 22,5%;
•трудоемкость работ при устройстве покрытия — на 28%;
•получить экономический эффект от эксплуатации в течение 30 лет 1 м² сталефибробетонного дорожного покрытия в размере 27,7 руб.
Сталефибробетон показал эффективность в сборных конструкциях дорожных покрытий. Расчеты, выполненные ЛатНИ-Истроительства и ГПИ «Союздорпроект» показывают, что применение дорожных плит размерами 6000×2000×140 мм с применением сталефибробетона взамен типовых железобетонных позволит увеличить срок их службы в 2 раза, сократить расход металла на 7% и цемента на 7,5%.
Практика эксплуатации дорожных покрытий из сталефибробетона подтвердила справедливость этих расчетов.
Применение сталефибробетона в оголовках и острие свай снижает трудоемкость и стоимость изготовления свай, существенно повышает их ударостойкость, что позволяетбездефектно погружать сваи в грунт до проектных отметок и исключает необходимость применения свай-дублеров. При этом погружение свай может осуществляться с повышенной энергией удара, что уменьшает время погружения до 60%. Как показали испытания, ударостойкость таких свай в 4–5 раз выше, чем типовых.
На основании статистических данных, институт «Фундаментпроект» установил, что при производстве сталефибробетонных свай экономия бетона достигает 14%, снижение стали — на 10%, трудозатрат — на 17%. Снижение трудозатрат на каждые 10 тыс. м3 забиваемых свай — 3 тыс. чел/дней.
Применение сталефибробетона в тоннельном строительстве позволяет повысить прочность обделок и безопасность всей конструкции, снизить трудоемкость и стоимость конструкций, повысить технологичность производства работ.
Опробована фибронабрызгбетоннаякрепь на перегонном тоннеле на линии метро «Киевская» — «Парк Победы» Московского метрополитена. При одинаковой толщине покрытия из набрызгбетона и фибронабрызгбетона экономический эффект достигается за счет отказа от металлических арок (представляющих собой три изогнутых арматурных стержня и располагающихся через каждый метр проходки) и арматурной сетки (состоящей из стержней диаметром 6 мм с ячейкой 100×100 мм). Снижается расход металла (до 150 кг на 1 м конструкции), увеличивается скорость проходки, снижается «отсток» материала. Аналогичные результаты получены при возведении фрагментов временной крепи из торкретфибробетона тоннеля метро на станции «Бажова» г. Екатеринбург.
В Челябинске был выполнен фрагмент опытного участка тоннеля метро на станции «Торговый Центр» с применением сталефибробетона. Расчет постоянной обделки тоннеля метро был выполнен институтом «Челябметротранспроект» с использованием САПР «Муссон». В результате было установлено, что толщина временной крепи снижается со 100 мм до 80 мм, толщина постоянной обделки снижается на 50 мм (до 200 мм), а общий вес армоконструкций на 1 п.м. снижается с 251 кг до 107 кг.
На Очаковском заводе Мосметростроя изготовлено более тысячи замковых блоков из сталефибробетона для сборной обделки перегонных тоннелей метрополитена. Применение сталефибробетона позволило повысить трещиностойкость этих конструкций в 1,5 раза.
Применение сталефибробетонных лотков для водоснабжения и водоотведения взамен типовых железобетонных позволяет полностью отказаться от использования арматуры, что дает экономию приведенных затрат — до 50%, трудоемкости изготовления — в 2 раза, бетона — в 2 раза, стали — до 15%.
Применение сталефибробетона в изделиях круглых колодцев (кольцах, плитах покрытий) позволяет снизить расход бетона по сравнению с аналогичными железобетонными конструкциями на 25–30% при примерно равном расходе стали. Стоимость сталефибробетонных конструкций снижается от 11 до 27%, а затраты труда — в среднем на 20%.
По данным НИИЖБ, применение сталефибробетона в безнапорных трубах диаметром 1000 и 1200 мм взамен типовых может дать экономию стали — до 50%, бетона — до 15%, трудоемкости — до 3 чел/час/м3. Как показали испытания, несущая способность сталефибробетонных труб выше в несущей способности типовых железобетонных труб 1,5–2 раза.
К настоящему времени в мире уже сооружены миллионы квадратных метров фибробетонных индустриальных полов, а в Германии более 25% индустриальных полов приходится на полы из фибробетона. Разработанные различными институтами рекомендации и нормативные документы позволяют проектировать иизготовлять сталефибробетонные конструкции для сборного и монолитного строительства конструкций различного назначения. Это позволило организовать производство и применение как в опытном порядке, так и в промышленных масштабах ограждающих конструкций различного класса взломоустойчивости, ребристых и складчатых панелей покрытий, стеновых панелей, элементов несъемной опалубки для оград, тоннелей, плит облицовки фасадов, карнизных блоков эстакад, лотков водоотводов, элементов мостов и путепроводов, труб для водопропускных систем автомобильных дорог, колец смотровых колодцев, покрытий дорог и полов промышленных зданий, банковских хранилищ. Показана эффективность применения сталефибробетона для устройства монолитных днищ для емкостных сооружений широкой номенклатуры, включая прямоугольные резервуары, цилиндрические канализационные отстойники диаметром до 4 м, сборные изделия для сооружений водопровода, шпалы, лотки гидравлических русел, транспортирующих среды с высокой абразивностью. На ряде металлургических заводов сталефибробетон показал эффективность при устройстве покрытий дворов и дорог под тяжелую нагрузку от 60-ти тонных автомобилей, при устройстве фундаментов и оснований под оборудование, включая кузнечные и прокатные блюминговые станы, для монолитной огнеупорной футеровки тепловых агрегатов и промышленных печей.
В России имеется опыт разработок и применения складчатых панелей покрытий безрулонной кровли для жилых и сельскохозяйственных зданий, складских помещений, навесов для пассажирских платформ, стоянок автотранспорта.
Установлено, что использование фибрового армирования в стыковом соединении монолитного железобетонного перекрытия с колонной уменьшает интенсивность образования наклонных трещин и отдаляет появление косых трещин, возникающих от действия перерезывающих сил, при этом достигается и уменьшение трудозатрат арматурных работ.
Установлена эффективность применения сталефибробетона для ремонта поверхности водосливов плотин и напорных тоннелей, индустриальных полов, наружных стен зданий.
Производством стальной фибры занимается более 20-ти зарубежных фирм и корпораций. Только в Японии 7 крупных фирм выпускает стальную фибру различных форм, профилей, размеров и прочности, в том числе из коррозионностойкой стали. В Германии производится стальная фибра фирмами «Манесман Ханде», «Харекс» и др. Бельгийская фирма «Драмикс» изготавливает фибру из проволоки в виде блок-пластин, склеенных водорастворимым клеем.
Для увеличения сцепления между стальными фибрами и бетоном рекомендуются волокна периодического профиля, с рельефной ли деформированной поверхностью, различной формы сечений, гнутые волокна с отгибами на концах, с различными анкерами и т. д.
Стальную фибру производят следующими способами: резкой из тонкой проволоки, резкой из тонкого стального листа, фрезерованием слябов, вытяжкой из расплава. Размеры фибры — от 0,2 мм до 2,0 мм в диаметре и от 5 мм до 160 мм в длину, наиболее употребляемые 12,7–63,5 мм. Прочность на растяжение стальной фибры в зависимости от вида колеблется от 400 до 1360 МПа. Расход стальной фибры в зависимости от толщины и назначения конструкции на 1 м³ бетона составляет от 20-ти до 240 кг (наиболее употребительный расход — 80–120 кг, для дорожных и аэродромных покрытий — 40–120 кг/м3. Объемное рациональное содержание 0,5–2%.
Для изготовления фибры могут быть использованы выработавшие технический ресурс, некондиционные, специально очищаемые канаты с диаметром проволоки от 0,2 до 1,0 мм. В настоящее время налажено производство фибры, резанной из тонколистовой стали и фрезерованной из слябов в Москве, Магнитогорске и Челябинске. Фибра, фрезерованная из сляба марок См3ПС, Ст 3СП и Ст 08КП, Ст 10, 20, 30 и 40, и др. производится в Санкт-Петербурге, Челябинске, Кургане. Эта фибра имеет прочность 600–900 МПа, длину 25–32 мм, трапециевидное сечение шириной 3 мм и толщиной 0,2–0,6 мм, фибра, резанная из тонкого холоднокатаного листа, выпускаемая в Магнитогорске, имеет более широкий ассортимент: толщину 0,3–1 мм, ширину 0,4–0,6 мм и длину от 30 до 40 мм, прочность от 480 до 600 МПа.
Фибру волнистого профиля производит Волховский КСК для собственного производства сталефибробетонных конструкций.
В настоящее время только в Европе в год применяется более 150000 т стальной фибры, т. е. около 3 млн. м3 сталефибробетона. В России производится более 10 тыс.т стальной фибры. Но при этом большая часть ее продается за рубеж.
В Магнитогорске стальную фибру производят НПО «Магнитогорск-Фибрострой», Калибровочный завод, ВНИИМетиз; в Челябинске — НПО «Волвек плюс», в Москве ОАО «Диона». В Кургане «Курганстальмост».
В 2003 году ГУП «НИИЖБ» разработал «Руководящие технические материалы по проектированию и изготовлению сталефибробетонных конструкций на фибре, резанной из листа», а в 2005 году они изданы в дополненном варианте.
ГУП «Башкиравтодор» производит и применяет в последние годы в широких масштабах сталефибробетонные водопропускные трубы и блоки арочных конструкций засыпных мостов с применением стальной фибры, производимой НПО «Магнитогорск-Фибрострой» по ТУ 0991-123-53832025–2001.
Источник: http://gfrc.civek.ru/