Разработка эффективных составов фибробетона для подземного строительства

Разработка эффективных составов фибробетона для подземного строительства

С.Г. Страданченко, М.С. Плешко, В.Н. Армейсков

Основным строительным материалом для возведения подземных и транспортных сооружений является железобетон. При всех известных достоинствах он имеет недостатки: конструктивные швы между сборными элементами; технологические швы в монолитных конструкциях; высокая стоимость и трудозатраты устройства гидроизоляции, дренажного слоя и защитной кладки; перенасыщенность арматурой несущих каркасов обделки; сложность обеспечения однородности свойств по всей протяженности монолитных конструкций; недостаточно эффективная работа при изгибающих и растягивающих нагрузках и др.

За последние 20 лет в технологии бетона и железобетона, благодаря более глубоким знаниям о механизме формирования высококачественной структуры цементного камня и бетона, возможности модифицировать цементную систему с помощью высокоэффективных добавок, совершенствованию способов армирования, произошли значительные изменения, характеризующиеся появлениям бетонов нового поколения и изменением ряда традиционных нормативов.

В качестве наиболее перспективных технологий бетона и железобетона для подземного и транспортного строительства можно выделить:

1. Обеспечение трещиностойкости и водонепроницаемости массивных фундаментов при непрерывном бетонировании самоуплотняющимися смесями.

2. Применение расширяющих добавок в бетонах, повышающих водонепроницаемость, морозостойкость и стойкость при воздействии агрессивных сред, в том числе сульфатных.

3. Переход на высокопрочную рабочую арматуру класса А500С - А1000С, позволяющую существенно снизить вес сеток и каркасов.

4. Применение фибробетонов на основе стальной, полипропиленовой и др. фибры, обеспечивающей рост прочности бетона на растяжение при изгибе,

увеличение износостойкости, трещиностойкости и долговечности аэродромных, дорожных и половых покрытий, железнодорожных шпал и т.п.

5. Гидроизоляция материалами проникающего действия, заполняющими поры, трещины и капилляры бетона на глубину до 0,5 м и более и создающие эффективную водонепроницаемую оболочку.

Ряд новых технологий был успешно внедрен при строительстве транспортных тоннелей. В то же время технология строительства подземных сооружений характеризуется некоторыми специфическими особенностями, в частности влиянием на процесс твердения бетона и последующую работу конструкций деформаций массива, взрывных работ, подземных вод и др.

Повысить эффективность работы конструкций в таких сложных условиях можно при использовании бетона с высокой прочностью на сжатие и растяжение в раннем и проектном возрасте, но при минимально возможном модуле деформации материала.

Одним из возможных решений является включение в состав бетона полипропиленовой и стальной фибры.

Для оценки целесообразности применения полипропиленовой фибры выполнены испытания различных составов бетона с включением химических добавок пластифицирующего действия (табл. 1).

Таблица 1

Основная характеристика исследованных составов бетонов

№ п/п Состав бетонной смеси Характеристики смеси

Ц*, 3 кг/м Вид и количество добавки П, 3 кг/м3 Щ,3 кг/м3, В, 3 л/м3 ОК, см у, кг/м3 П/Щ В/Ц

1 350 - 750 1050 175 3 2325 0,714 0,50

2 350 С-3 (0,5%)** 750 1050 175 16 2326,7 0,714 0,50

3 350 Реламикс -2 (1,0%) 750 1050 168 15 2321,5 0,714 0,48

4 350 Б1веа1 БСС (1,00%) 750 1050 168 16 2321,5 0,714 0,48

5 350 81каУ1всоСге1е (1,0%) 750 1050 168 12 2321,5 0,714 0,48

Примечания:

* - в табл. обозначено: Ц - содержание цемента, П - содержание песка, Щ - содержание щебня, В - содержание воды, ОК - величина осадки конуса; у - плотность приготовленной бетонной смеси; В/Ц - водоцементное отношение; П/Щ - отношение массы песка к массе щебня.

** _ - процент содержания добавки по отношению к массе цемента.

Таблица 2

Параметры фибры из полипропилена

№ п/п Наименование параметра Значение параметра

1 Вид материала Чистый полипропилен С3Н6 с замасливателем

2 Длина фибры, мм 18

3 Диаметр фибры, микроны 15

4 Плотность при 20 °С, г/см 0,91

5 Начальный модуль упругости, МПа 5700

6 Температура размягчения, оС 160

7 Температура воспламенения >320 °С

На первом этапе исследован контрольный состав бетона без включения добавок (состав №1, табл. 1). Количество фибровых волокон принималось равным 0,7, 0,9, 1,1, 1,3 и 1,5 кг/м . Для каждой серии образцов определялась прочность на сжатие в раннем и проектном возрасте, далее производился анализ влияния расхода фибры на изменение прочностных характеристик бетона.

Установлено, что изменение расхода полипропиленовой фибры оказывает влияние на прочность образцов бетона в возрасте 1 сут. Полученная зависимость отношения прочности фибробетона к прочности бетона обычного состава от расхода фибры представлена на рис. 1. На прочность бетона в возрасте 7 и 28 сут. изменение расхода фибры не оказывает существенного влияния.

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что включение фибры в бетон в количестве более 1,1 кг/м экономически не эффективно, кроме того происходит уменьшение подвижности бетонной смеси на 10 - 15%. Это затрудняет качественную укладку бетона за опалубку и последующее уплотнение.

Рф:, кг/м3

Рис. 1. Изменение относительной прочности фибробетона при различном содержании фибры

В связи с этим далее выполнены испытания фибробетонов с постоянным содержанием фибры в количестве 1 кг/м .

Полученные данные о прочности фибробетона на сжатие в различном возрасте и начальном модуле упругости материала представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты испытаний фибробетона

№ состава Прочность бетона на 10 образцам), МП 1 сжатие (среднее по а в возрасте, сут. Начальный модуль упругости бетона, МПа-103

1 сут. 3 сут. 7 сут. 28 сут.

5 5,2 12,7 19,1 28,5 25,8

11 8,3 16,0 20,8 30,9 26,7

13 9,1 19,6 25,5 34,2 27,9

15 9,4 22,4 26,5 37,0 29,6

Обработка полученных данных показывает, что включение фибры позволяет увеличить отношение средней прочности бетона к начальному модулю упругости на 12,5%.

Увеличение сопротивляемости бетона растягивающим и изгибающим нагрузкам можно обеспечить путем включения в его состав стальной фибры. В табл. 4 представлены результаты сравнительных испытаний бетона и фибробе-

тона с различным содержанием стальной фрезерованной фибры «VULKAN HAREX». Расход цемента для всех образов принят 360 кг/м , водоцементное отношение - 0,58.

Таблица 4

Результаты испытаний обычного бетона и фибробетона на растяжение при изгибе

№ п/п Прочность на растяжение при изгибе, МПа

Контрольный состав Сталефибробетон при содержании фибры

^=0,5% ^=1,0% ^=1,5% ^=2,0%

1 2,16 2,34 4,49 4,75 5,63

2 2,15 2,08 4,44 4,99 5,28

3 1,91 2,51 5,04 5,79 4,96

4 2,18 2,27 4,14 4,92 5,66

5 1,96 2,16 4,34 5,34 5,31

6 1,81 2,17 4,69 5,23 6,05

7 2,39 2,19 4,28 5,11 5,13

8 2,16 2,14 4,64 5,16 5,59

9 2,39 2,46 4,78 5,49 5,43

10 2,18 2,26 4,55 5,39 5,40

- Яср=2,13 Rro=2,26 Rro=4,54 ^ср=5,22 Яср=5,44

По сравнению с образцами контрольного состава прочность фибробетона на растяжение при изгибе возросла на 100 - 200%. Аналогичные данные получены и по испытаниям фибробетона на сжатие. Увеличение прочности составило 10 - 35%. Оптимальным расходом стальной фибры по экономическим соображениям является диапазон 1 - 1,5% на 1 м бетона, так как в дальнейшем увеличение прочности замедляется.

Актуальной задачей для дальнейших исследований является исследование эффективности составов бетонов с комбинированным фибровым армированием, направленным на одновременное изменение и прочностных и деформационных характеристик. Помимо подземного и транспортного строительства такие бетоны могут найти применение при устройстве подземных инженерных сетей.

Литература:

1. Каприелов С.С., Батраков В.Г., Шейнфельд А.В. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспектива [Текст] // Бетон и железобетон. - № 6. - 1999. - С. 6 - 10.

2. Плешко М.С. Крепь глубоких вертикальных стволов. Преспективы совершенствования [Текст] // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - №4. - C. 159 - 165.

3. Сапронов, А.А., Зибров, В.А., Соколовская, О.В., Мальцева, Д.А. Распространение акустических волн в водопроводных сетях с изменяющимся диаметром труб [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона, 2012, - №4 (часть 2). - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1460 - Загл. с экрана. - Яз. рус.

4. Несветаев Г.В., Та Ван Фан. Влияние белой сажи и метакаолина на прочность и деформационные свойства цементного камня [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4 (часть 1). - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1110 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

5. Pistill, M.F. Variability of Condensed Silica Fume from a Canadian Sourse and Influence on the Properties of Portland Cement // Cem. Concr. and Aggr. - 1984. - V.6: - №1. - P. 33-37.

6. Setter, N., Roy, D.M. Mechanical Flatures of Chemical Shrinkage of Cement Paste. // Cem. and Concr. Res. - 1978. - V.8. - №5. - P. 623-634.

7. Плешко, М.С., Крошнев, Д.В. Влияние свойств твердеющего бетона на взаимодействие системы «крепь - массив» в призабойной зоне ствола [Текст] // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - №9. - C. 320325.

8. Маилян, Л.Р., Налимова, А.В., Маилян, А. Л., Айвазян, Э.С. Челночная технология изготовления фибробетона с агрегированный распределением фибр и его конструктивные свойства. [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2011, №4.- Режим доступа:

http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/714 (доступ свободный)- Загл. с экрана.- Яз. рус.

9. Маилян, Л.Р., Маилян А.Л., Айвазян Э.С. Расчетная оценка прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования фибробето-нов с агрегированным распределением волокон. [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона»,2013, №2.- Режим доступа:

http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1760 (доступ свободный)- Загл. с экрана.- Яз. рус.

10.Кузнецова, О.В., Лазарева, Е.А., Тышлангян, Ю.С. Композиционные разработки в технологии производства. [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №2. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1628 (доступ свободный) -Загл. с экрана.-Яз.рус.