Современное состояние вопроса использования фибробетонов в строительстве

Использование минеральных наполнителей — эффективный путь в развитии технологии цементных бетонов

Современное строительство неразрывно связано с задачами повышения эффективности строительного производства, снижения стоимости и трудоемкости технологических процессов, экономного использования материальных и энергетических ресурсов, применения новых прогрессивных материалов [3]. Рубеж XXI века в строительной отрасли проявился значительными достижениями [4].

Мировые тенденции строительства зданий с повышенной этажностью и других высоконагруженных сооружений, таких как большепролетные мосты, морские нефтяные платформы и др., связаны с применением бетонов с ранее недосягаемым комплексом свойств, включающих: высокую прочность (класс В80 и выше), трещиностойкость и долговечность, с большой подвижностью исходной бетонной смеси [8].

Таким образом, по мнению ряда учёных-исследователей получение сверхвысокопрочных бетонов возможно при условии отказа от крупного заполнителя, имеющего максимальную прочность на сжатие 120−130МПа и обладающего при этом высокодефектной структурой [12].

На данный момент сверхвысокопрочные бетоны по фракционному составу заполнителей можно разделить на два вида [14]: мелкозернистые бетоны с максимальной крупностью зерна 5−1,5 мм и тонкозернистые бетоны с размером зерна менее 1,5 мм. Однако мало сведений о фракционном составе рекомендуемых заполнителей. В основном речь идет о применении различных видов суперпластификаторов и их влиянии на технологические свойства смесей. Для повышения прочности на растяжение, трещиностойкости, ударной прочности рекомендуется фибра: стальная, стеклянная и полимерная.

Мировая практика строительства выявила фибробетон как один из перспективных строительных материалов XXI века. Опыт таких развитых стран, как США, Великобритания, Япония, Германия, Италия, Франция и Австралия [3], убедительно показал технико-экономическую эффективность применения фибробетона в строительных конструкциях и сооружениях. Возрос объем научно-технических публикаций, посвященных различным аспектам дисперсного армирования строительных материалов [7]. Регулярно проводяться конференции и научно-технические семинары, на которых докладываются результаты научно-исследовательских работ, а также вопросы практического использования дисперсно-армированных бетонов в строительстве [5]. Этой же проблеме были посвящены международные конгрессы и симпозиумы [10].

За рубежом наиболее часто фибробетоны применяют при строительстве туннелей, мостов и дорог, возведении морских платформ нефтедобывающих и перекачивающих станций, также в устройстве полов промышленных зданий и сооружений [10]. В Японии широко применяется фибробетон для возведения зданий в сейсмоопасных районах.

Значимыми примерами использования фибробетонов можно считать: газопроводные туннели под дном Северного моря в Норвегии; множество железнодорожных туннелей в Канаде, автомобильный тоннель протяженностью около 6,5 км, проложенный на глубине до 1 км в Японии и т. п. [72].

Фирмы «Alfanor» и «NorcemCement» (Норвегия) изготовили опытные партии сталефибробетонных труб диаметром 800 мм, предназначенных для отвода промышленных и других сточных вод [34]. В Австралии одной из основных областей применения сталефибробетона является устройство покрытий дорог и тротуаров с интенсивным движением людей и транспорта, полы цехов заводов и фабрик, тротуары, дорожные покрытия) [30]. В Германии свыше 25% индустриальных полов возведено из сталефибробетона [68].

В последние годы в зарубежной практике всё большее применение находят фибробетоны с армированием из синтетических волокон, в т. ч. высо-копрочными и высокомодульными, коррозионно-стойкими во многих средах [43]. Дисперсно-волокнистые наполнители находят применение в бетоне для промышленных складов, гидротехнических сооружений, наружных площадок, в бетонных плитах перекрытий, объектах нефтехимической промышленности, мостах, монолитных конструкциях, бетонных плитах фундаментов, железобетонных сваях, прессованных и отливаемых изделиях, в строительных растворах и штукатурке, торкретбетоне, в декоративном бетоне, в материалах для ремонта бетона, а также в местах повышенной сейсмической активности [60].

Над созданием дисперсно-армированных бетонов и конструкций на их основе, теорий расчета и проектирования фибробетонных конструкций работали и работают многие зарубежные ученые: В. В. Бабков, Ю. М. Баженов, О .Я. Берг, Г. П. Бердичевский, В. М. Бондаренко, И. В. Волков, A.A. Гвоздев, Ю. В. Зайцев, Л. Г. Курбатов, Б. А. Крылов, И. А. Лобанов, К.В., Михайлов, Р. Л. Маилян, Л. Р. Маилян, P.A. Малинина, Ю. В. Пухаренко, Ф. Н. Рабинович, Б. Г. Скрамтаев, К. В. Талантова, Т. К. Хайдуков, М.М. Холмян-ский, В. П. Харчевников, Ф. П. Янкелевич, Е. М. Чернышов и зарубежные ученые — Э. Ву, Г. С. Холистер, СТ. Милейко, Дж. Купер и др.

Имеется достаточно широкий опыт применения фибробетона и в строительной отрасли России. Были разработаны и применены фибробетоны на стальной, стеклянной, базальтовой и полипропиленовой фибре. Перечень эффективно апробированных конструкций из фибробетонов приведен в табл. 1.1. [40].

Таблица 1.1.

Использование фибробетонов в строительстве.

В странах ближнего зарубежья, например, в России использование фибробетона сводится, в основном, к изготовлению сборных конструкций и практически не применяется в монолитном строительстве [12]. Впервые в России фибробетон был применен в Ленинграде в 1979 г. при устройстве днища резервуара технической воды. Расход фибры составлял 1,5% по объему бетонной смеси [57].

В основном исследования проводились в области применения и расчета конструкций из стелефибробетона [68]. Подготовлена необходимая для массового внедрения нормативная база по технологии приготовления, расчету и проектированию таких бетонов [66].

Ремонт поверхности водосливов плотин и напорных тоннелей также осуществляется с применением бетона, армированного стальными волокнами. Добавление в бетонную смесь примерно 1% по объему стальных волокон позволяет полностью избежать возникновения трещин в отремонтированных наружных стенах [58].

ЦНИИпромзданий и ЦНТИ Госгражданстроя разработали каталоги композиционных материалов, технологий для их производства и конструкций из бетона, армированного высокопрочными волокнами (стальными, стеклянными, базальтовыми) для зданий и сооружений промышленного, гражданского, жилищного и сельскохозяйственного назначения [18].

Сегодня достаточно изучены фибробетоны на основе стальных, стеклянных и целлюлозных волокнах, менее — дисперсноармированные бетоны на синтетических и углеродных [68]. Стеклофибробетоны, имея по сравнению с бетонами на стальной фибре дополнительное преимущество (стойкость в коррозионных средах), получили меньшее практическое применение, поскольку мало стойки к щелочной среде цементного бетона. В зарубежной практике для изготовления стеклофибробетона используется, как правило, щелочестойкое стекловолокно [69].

В 2001;2002г было налажено производство из стеклофибробетона и применено на объектах Московского строительства элементы несъемной опалубки, карнизные блоки эстакад, лотки водоотводов, плиты перекрытий каналов, элементы мостов и путепроводов и другие элементы. Однако, абсолютные объемы производства были невелики и носили опытный характер, т.к. не имели методики обоснованного подтверждения нормативных и расчетных характеристик и свойств стеклофибробетона [59].

Использование минеральных волокон для дисперсного армирования цементного камня ограничено в основном из-за их низкой стойкости к щелочной среде твердеющего цемента. Успешное использование этого материала невозможно без изучения процессов взаимодействия цементный камень — минеральное волокно [62].

В последние годы в технической литературе, а также переодической печати США, Европпы, Японии и других стран опубликованы работы по использованию минерального волокна, в том числе и базальтового, для армирования бетонных конструкций, в которых отмечается высокая эффективность этого вида дисперсной арматуры [72]. Вместе с тем нет единого мнения по вопросам устойчивости системы «цементный камень — минеральное волокно» во времени.

Исследования группы ученых во главе с Рабиновичем Ф. Н. обнаружили высокую степень разрушения минерального волокна в растворе Са (ОН)₂. К примеру, алюмоборсиликатноемоноволокно выдержанное в течение 12 месяцев в насыщенном растворе извести потеряло по их данным 72% своей исходной прочности. Однако исследователи отмечают высокую стойкость базальтового волокна, прочность которого после выдержки в аналогичных условиях уменьшилась лишь на 26−32% [62, 63]. Авторы также отмечают тенденцию к затуханию реакции базальтовых волокон с СаО во времени. Наиболее интенсивно процессы выщелачивания наблюдаются в течение первых трех месяцев.

Пащенко A.A. с соавторами [48] утверждают о более высокой стойкости базальтовых волокон в агрессивных средах цементного камня и насыщенного раствора извести. Так, после трехлетних испытаний базальтового волокна прочность его уменьшилась лишь на 12−15%.

В связи с вышеизложенными следует более подробно остановиться и на развитии технологии фибробетонов.