Устройство полов со слоем износа из фибробетона

УДК 691.54

УСТРОЙСТВО ПОЛОВ СО СЛОЕМ ИЗНОСА ИЗ ФИБРОБЕТОНА

К. К. Мирошниченко, к. т. н., доц., А. Н. Вовк, студ.

Состояние вопроса. Из анализа работ, проводимых за рубежом видно, что вопросам технологии армирования бетонов волокнами в разных странах уделялось большое внимание. Если вернуться к истории вопроса, то еще в 1903 г. стало известно об опытах Зендера [1] над бетонными образцами, армированными стальной проволокой. В 1910 г. Портер (США) [2] сообщил о значительном возрастании прочности бетона при введении в смесь гвоздей.

Патент на бетон, стойкий к истиранию и растрескиванию, получаемый добавлением в обычный бетон размельченных кусков железа рваной формы, был выдан в 1914 г. У. Фиклину (ВР №11751). Еще раньше в России этим вопросом стал заниматься В. П. Некрасов. Следует отметить, что его трактовка фибрового армирования как средства ограничения объемных деформаций бетона (теория «свободных связей») является по сути первой попыткой построения механики этого материала [3].

На практике бетон, армированный волокнами, долгое время не применялся. Основная причина этого - дороговизна армирующего материала.

Известны редкие факты его применения в 1930-х годах для гидротехнического строительства в качестве материала, стойкого к износу.

В 1940-х годах сообщалось о применении джутового волокна в Индии. В 1950-х в СССР публиковались работы [4] о применении различных стекловолокон в цементном растворе. Отмечалось существенное улучшение свойств и механических характеристик такого материала, но последующие разработки показали нестабильность приобретенных свойств во времени. Причиной этого является щелочная коррозия обычного стекловолокна.

В 1960-х годах были проведены эксперименты с применением полимерных волокон (капрона, полипропилена). Было также исследовано применение натуральных волокон (шерсти и хлопка). Однако они оказались малопригодными из-за низких значений модулей упругости фибр [5].

Повышение доступности материалов применяемых волокон было одной из причин, обусловивших рост практического интереса к фибробетону. Другой причиной явилось внедрение в практику строительства прогрессивных пространственных конструкций, в частности, тонкостенных оболочек. Определенным стимулом явилось также создание в 1960-х годах ряда композиционных волокнистых материалов и развитие теории их сопротивления деформации.

Значительное влияние на последующие исследования оказали труды профессора Ромуальди [6]. Был сформулирован принцип, основанный на некоторых положениях механики разрушения, позволивший создать расчетную модель для описания прочностных свойств бетона (армированного волокнами) при растяжении.

В настоящее время число работ по фибробетону стремительно растет, исследования проводятся во многих странах [7-9]. Однако опубликованные экспериментальные данные и к настоящему времени все еще характеризуются большим разбросом показателей. Мы считаем, что это связано с различными технологическими схемами приготовления материала. Исследователи готовят (перемешивают) фибробетон в различных смесительных агрегатах, многие из которых непригодны для получения высококачественного дисперсно-армированного бетона.

Это, как показывают наши исследования, является одной из главных причин, из-за которых фибробетон до сих пор не применяется достаточно широко.

Повышенная растяжимость армированных бетонов вообще и дисперсно-армированных, в частности, считалась непременным фактором и объяснялась как следствие повышения пластичности материала. Последующие исследования [10] показали, что армирование незначительно влияет на нагрузку трещинообразования, однако существенно сдерживает раскрытие трещин.

Исследования [11] позволили сделать вывод о реальном достижении трехкратного увеличения нагрузки появления видимых трещин относительно неармированного бетона путем применения стальных волокон диаметром 0,2... 0,4 мм при объемном содержании около 3 %.

Согласно работе Ромуальди, влияние процента армирования на прочностные характеристики фибробетона незначительно. В ряде других исследований [12; 13] сообщается, что характер такой зависимости линейный (или близкий к нему).

Некоторые исследователи [14] говорят о существовании «критического» объемного содержания волокнистой арматуры, при достижении которого упрочнение становится особенно эффективным. Эта концепция опирается на выводы теории композитов, однако экспериментального подтверждения или опровержения ее пока нет ввиду технологических трудностей получения составов, высоконасыщенных волокнами.

Исследован большой диапазон диаметров фибр. Наши эксперименты показали, что наиболее эффективные результаты были получены с применением стальных волокон диаметром 0,2...0,5 мм. Здесь следует отметить, что технология изготовления фибр (волочение, прокатка) также влияет на прочностные показатели.

Влияние длины волокон также изучалось многими исследователями [15]. Все полученные данные говорят о росте эффективности использования волокон при увеличении отношения длина/диаметр (/ / й). Можем констатировать, что механическое поведение фибробетонов при разрушении определяется именно длиной волокон.

В работах Келли и Тайсона [16] предложена модель влияния длины волокна в композите в виде формулы:

Я

где Я0 - прочность композита с волокнами бесконечной» длины; / - длина волокна; /кр - критическая длина волокна.

/кр = оь / 4т &;

где оь - напряжение в волокне;

т - прочность матрицы на сдвиг; й - диаметр волокна.

Используя формулу (2), можно проследить, как меняется эффективность использования волокна в зависимости от / / а. Эксперименты подтверждают затухающий характер этого влияния. Наши работы показали, что наиболее эффективным является соотношение

/ / а = 80.120.

Существенное влияние на механические и реологические характеристики фибробетона оказывает также матричная прочность. В наших работах использовались различные вяжущие. Наилучшие результаты были получены с образцами на основе напрягающих цементов (НЦ), в т. ч. Днепродзержинского цементного завода. Это объясняется тем, что ввод различных волокон в цементную смесь приводит к воздухововлечению, что, в свою очередь, приводит к снижению прочности, водопроницаемости, а также к плохому контакту волокна с матрицей. Использование НЦ позволяет существенно уменьшить пористость.

Удобоукладываемость сталефибробетона обычно достигается либо за счет увеличения водоцементного соотношения, либо (что чаще имеет место на практике) за счет применения суперпластификатора. Осадка конуса смеси зависит от характера работ: при перекачке смеси бетононасосом для полов промздания она составляет 10-12 см, при уплотнений на вибростоле - 2-3 см.

Существенное влияние на процесс приготовления сталефибробетонной смеси оказывает крупный заполнитель. Его содержание в сталефибробетоне рекомендуется ограничивать 20-25 % по объему при максимальном размере не более 1/2 длины фибры. Увеличение количества крупного заполнителя или его размеров (по отношению к длине фибры) приводит к снижению прочностных свойств сталефибробетона.

Подбор состава сталефибробетона отличается от подбора состава обычного бетона и может быть произведен по следующей методике (на 1 куб. м смеси):

а) определяется отношение для получения заданного класса (марки) бетона по формуле:

— = А,« R ц Ц R б • А, • R • 0,5

где Aj: 0,65 - для высококачественных материалов; 0,6 - для рядовых материалов; 0,55 -для материалов пониженного качества;

R6 - проектная прочность бетона при сжатии, кг/кв. см; Rц - активность (марка) цемента, кг/кв. см;

б) определяется расход воды «В» в зависимости от заданной подвижности сталефибробетонной смеси;

в) определяется расход цемента по формуле:

—

Ц = в + — кг

Ц

г) определяется количество щебня по формуле:

„1000 • df • C . 3

Щ <---кг \ m

Mm • lf

где С - средний расход щебня в обычном бетоне (принимается 1 200 кг/куб. м); Mm - процент армирования фибробетона по массе (1% - 24 кг/куб. м); lf - длина фибры, мм;

df - диаметр (приведенный диаметр) фибры, мм;

д) для проволочной фибры - df, для фибры прямоугольного или иной формы сечения приведенный диаметр определяется по формуле:

где А/ - площадь поперечного сечения фибры, кв. мм; е) количество песка определяется по формуле:

П = 1000-

(Ц Щ ^

Ц + ВЩ + 10MV Р Р v

P

V ц щ У

где Рц, Рщ, Рп - соответственно плотности цемента, щебня и песка;

Му - процент армирования по объему (1% - 80 кг/куб. м).

На характеристики фибробетона влияет и ориентация волокон. При обычном перемешивании волокна оказываются случайно ориентированными во всех направлениях. При уплотнении смеси на вибростоле происходит частичная ориентация волокон в плоскости вибростола. Это в первую очередь относится к смесям из сталефибробетона. Если использовать неметаллические волокна, то влияние вибрации не существенные. На ориентацию волокон оказывает влияние и размер образцов. Вынужденная ориентация волокон возле стенок формы влияет на результаты. Это надо учитывать в исследованиях при выборе размеров образцов с учетом также длины фибры.

Из вышеизложенного видно, что сталефибробетон - материал, к которому обращен особый интерес. Если взять Японию, то использование там стальной фибры на данный момент составило 3000 тонн, из которых 2500 тонн было изготовлено из углеродистой стали и 500 - из нержавеющей.

Дорожные покрытия из сталефибробетона были уложены в США (штаты Мичиган, Айова, Миннесота). Процент армирования по объему составлял 0,8-1,5 (65-120 кг/куб. м), длина покрытий достигла 8 км. В штате Техас построена площадка для танков площадью 22,5 тыс. кв. м. Слой фибробетона толщиной 102 мм был армирован стальной проволокой диаметром 0,25 и длиной 12,7 мм (1,5 % по объему - 120 кг/куб. м).

В г. Брюссель (Бельгия) сооружено дорожное покрытие площадью 2,5 тыс. кв. м. Для армирования использовались фибры с загнутыми концами.

В Японии наиболее крупным примером использования сталефибробетона в дорожном строительстве является покрытие дороги Куросио (национальное шоссе № 4). Объем уложенного сталефибробетона составил около 820 куб. м, толщина покрытия 250-300 мм. Участки шириной 7,5 м и длиной до 30 м выполнялись без усадочных швов.

Таким образом, сложилось три основных направления, в которых сталефибробетон использовался в промышленных объёмах: аэродромные покрытия и дорожные "одежды", набрызгобетонные и монолитные обделки тоннелей, берегозащитные и причальные сооружения [5].

Достаточно широко сталефибробетон применяется для выполнения ремонтных работ (тоннелей, мостов, плотин и т.д.), сооружения полов промышленных зданий, а также тонкостенных несущих конструкций.

Постановка задачи. Основной задачей дисперсно-армированного бетона является повышение сопротивления материала растяжению. Упрочнение бетона фибровой арматурой, повышение его прочности на растяжение позволяет сократить, а в некоторых случаях даже исключить традиционные способы армирования изделий каркасами и сетками.

Увеличение сопротивления напряжению при дисперсном армировании происходит потому, что до того момента, пока фибры в месте прохождения трещины не будут выдернуты или разрушены, они воспринимают растягивающие напряжения.

Проведенными исследованиями установлено, что повышение прочности при осевом растяжении бетона, армированного стальными волокнами, достигает 200 %. Ранее было установлено, что повышение прочности пропорционально увеличению объёмного процента армирования и обратно пропорционально величине диаметра волокон.

Применение профилированных волокон значительно (до 60 %) увеличивает прочность на растяжение по сравнению с использованием гладкой проволоки.

Проведенные нами исследования, а также зарубежный опыт позволяет сделать вывод, что дисперсное армирование стальными фибрами повышает прочность на растяжение в 2-3 раза.

Технологический процесс изготовления конструкций из сталефибробетона мало отличается от изготовления конструкций железобетона. Разница лишь в том, что в сталефибробетонных конструкциях иногда отсутствует каркас. В остальном операции те же: укладка в форму фибробетонной смеси, ее уплотнение, при необходимости тепловая обработка, распалубка и выдерживание изделия.

В зависимости от условий и заданных эксплуатационных характеристик покрытия устраиваются как однослойные, так и многослойные.

Устройство многослойных покрытий осуществляется, во-первых, для базирования тяжелого оборудования, во-вторых, для снижения нагрузки на грунтовое основание за счет перераспределения ее между конструктивными слоями. Между слоями необходимо устраивать разделительные прослойки из различных материалов (битумизированной бумаги, полиэтиленовой пленки.). Прослойка служит для выравнивания поверхности нижнего слоя, уменьшения трения под подошвой верхнего слоя и независимого деформирования слоёв при температурных воздействиях.

Однако, как показывают наши исследования и анализ относительно широкого внедрения сталефибробетона (и фибробетона в целом), при строительстве у нас различных торговых (торгово-развлекательных) центров, цехов промышленных предприятий, технология приготовления и устройства фибробетона нуждается в срочном совершенствовании.

С целью повышения прочностных характеристик дисперсно-армированного материала нами предложено несколько видов фибровой арматуры. Ее форма значительно повышает сцепление с цементным камнем. Особенно это важно для конструкций, которые воспринимают большие динамические и статические нагрузки [16].

Особое внимание нами уделяется качеству приготовления фибробетона, ведь от качества перемешивания компонентов любого композиционного материала зависят его свойства и долговечность.

Введение фибры в бетонную смесь может осуществляться несколькими способами.

1. Сначала в смесителе перемешивают песок с крупным заполнителем, затем постепенно вводят требуемое количество фибры, продолжая перемешивание. После этого в смеситель

вводят цемент и воду затворения и снова перемешивают смесь до равномерного распределения всех компонентов.

2. Вначале приготавливают бетонную смесь, затем в нее постепенно вводят фибру, продолжая перемешивание до ее равномерного распределения в смеси.

3. Фибра вводится в готовую бетонную смесь в процессе ее укладки в форму (равномерно по объему или послойно в зависимости от способа укладки и вида конструкции).

Нами разработан и испытывается способ получения высококачественного сталефибробетона. Наиболее близким к предлагаемому есть способ, который включает резку армирующего материала на фибры, подачу их в смеситель во время перемешивания компонентов бетонной смеси. Но в процессе приготовления фибробетона таким способом не достигается ее необходимая однородность, в ней образуются комки фибр и участки неармированного материала. Причем вид бетоносмесительного оборудования (отечественного или импортного) в данном случае влияет, но иногда несущественно, на качество сталефибробетона. Основной причиной является способ подачи стальной фибры в емкость бетоносмесителя.

На рисунке приведена схема установки для подачи металлических фибр в бетоносмеситель. Реализуется способ таким образом. Отдозированные компоненты бетонной смеси загружаются в емкость бетоносмесителя 1, рабочий орган которого движется. В емкость (пластиковый ящик) 2 выгружают порцию металлической фибры 3. С помощью привода 4 приводится в движение наружная лента 5 с металлическими пластинами (стержнями) 6, которая закреплена на двух валах 7. Через передачу 8 от механизма наружной ленты 5 движется внутренняя лента 9 с магнитными пластинами 10, которая закреплена на двух валах 11 и 12. Подача фибры 3 в бетоносмеситель 1 осуществляется так. Двигаясь вместе с наружной лентой 5, пластины 6 захватывают комки фибры 3 с ящика 2. Это происходит под воздействием магнитных пластин 10 внутренней ленты 9, которая касается наружной ленты 5 с пластинами (стержнями 6). После того как, двигаясь, ленты 5 и 9 разъединяются, магнитное влияние пластин 10 на фибру 3 прекращается и она падает вниз в емкость смесителя 1 под влиянием силы тяжести.

Дозировка фибры может осуществляться либо с помощью дозатора, фиксирующего вес фибры на один замес, либо с помощью небольшой компактной тары с фиксированным весом фибры (например, 10-20 кг).

777 777 77/ 777 777 777 777 /// 77 / 777 777

Рис. Схема установки для подачи металлических фибр в бетоносмеситель.

Выводы. Проведенные многочисленные эксперименты позволяют нам давать рекомендации по применению (получению) волокносодержащих композиций исходя из требований, предъявляемых к составам и условиям их приготовления.

Существенно на прочностные показатели фибробетона влияет вид смесительного агрегата. Нами предлагаются различные технологические схемы, позволяющие в зависимости от возможностей строительной организации получать материалы высокого качества.

Тип (вид) волокон и их параметры также рекомендуются в зависимости от возможностей заказчика.

Проведенные эксперименты показали, что качество материала существенно увеличивается в результате применения разработанного способа подачи металлических фибр в бетоносмеситель. В результате производительность процесса возрастает. До минимума снижается влияние человеческого фактора на качество приготовления сталефибробетона. Использование же дисперсной арматуры специальной формы позволяет нам существенно повысить прочностные характеристики фибробетона, который применяется для устройства полов, а также при реконструкции различных зданий и сооружений.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. Некрасов В. П. Новый железобетон. Метод косвенного вооружения бетона. - М. : Транспечать, 1925. - 255 с.

2. Dixon J., Mayfield B. Concrete reinforced with fibrous wire // Conrete. - 1971 - V. 5, N 3 - P. 73-76.

3. Бирюкович К. Л., Бирюкович Ю. Л., Бирюкович Ю. Д. Цементный раствор, армированный волокном. - К. : Будiвельник, 1964.

4. Павленко В. И., Арончик В. Б. Свойства фибробетона и перспективы его применения. -Рига, ЛатНИИНТИ, 1978. - С. 3-7.

5. Некрасов В. П. Новейшие приемы и задачи железобетонной техники // Цемент, камень и железо. - 1909. - № 7-10 - С. 17-33.

6. Бирюкович К. Л., Бирюкович Ю. Л., Бирюкович Ю. Д. Цементный раствор, армированный волокном. - К. : Будiвельник, 1964.

7. Каралов Р. И. Бетон, армированный полипропиленовыми волокнами // Бетон и железобетон. - 1973. - № 4. - С. 15.

8. Орлов Д. Л., Павлушкин М. Н., Тарасов Б. В. Цементостойкое стекловолокно для армирования бетонных изделий и конструкций строительного назначения // О повышении эффективности производства и применения в строительстве стекла, материалов и изделий на его основе: Тез. докл. всесоюз. совещ. Гомель, 1979. - С. 86, 87.

9. Материалы, армированные волокном. М. : Стройиздат. 1982. - 180 с.

10. Romyaldi J. P., Batson G. B. Behavior of reinforced concrete beams with closely spaced reinforcement // J. of A.C.I. - 1963. - V. 60. N 5. - P.751-761.

11. Fibrous concrete meets loadings tests for giant planes on airfield runways. - "Highway Res, News". - 1972. N 47. - P.7, 8.

12. Исследования в области фибробетона с различными волокнами // Сер. 7. Строительные материалы и изделия: Экспресс информ. / ВНИИС Госстроя СССР. - 1982. - Вып. 10. -С.12.

13. Трамбовецкий В. П. Зарубежный опыт использования фибробетона в строительстве // Фибробетон и его применение в строительстве: Сб.науч.тр. НИИЖБ. - М. : 1979. - С.36.

14. Крылов Б. А. Фибробетон и фиброцемент за рубежом: Обзор. - ЦИНИС. - М., 1979. -С.8-12.

15. Kelly A., Tyson W. R. in "High Strength materials" Whiley N.Y. 1965, P. 578-602.

Патент 31896 Украша, МПК В28В 1/52. Споаб приготування фiброармованоï бетонно1 сумiшi // Мiрошниченко К. К. - 1/ Бюл. № 8. 2008.

УДК 691.54

Устройство полов со слоем износа из фибробетона / Мирошниченко К. К., Вовк А. Н.// В1сник ПридншровськоТ державно'1 академп будiвництва та арх^ектури. -Днiпропетровськ: ПДАБА, 2009 - № 6-7 - С. 19-25. рис. 1. - Библиогр.: (16 назв.).

В статье приведены результаты анализа работ по технологии армирования бетонов волокнами для устройства покрытий полов гражданских и промышленных зданий.

С целью повышения качества фибробетона предложена дисперсная арматура специальной формы, разработан также способ приготовления высококачественного сталефибробетона с использованием специальной установки.