ИнтерСтройЭкспо 2016
04.05.2016
С 20 по 22 апреля 2016 года в Санкт-Петербурге, в КВЦ «ЭКСПОФОРУМ» состоялась 22-я Международная выставка «ИнтерСтройЭкспо», крупнейшая на Северо-Западе России международная выставка строительных, отделочных материалов и строительной техники.
Евроасфальт и Евробитум 2016
29.04.2016
Конгресс, который состоится с 1 по 3 июня в Праге, станет важной вехой в развитии асфальтовой и битумной промышленности Европы. Предоставив возможность ведущим специалистам отрасли подвести итоги проделанной работы и наметить планы на будущее, он послужит полноценной стратегической платформой для ее дальнейшего развития.
 

ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА И СВОЙСТВА СТАЛЕФИБРОБЕТОНА/Бетон и Железобетон 2012-2/

 Рольф Брайтенбюхер

В последние годы значение сталефибробетона в строительстве с применением бетонных конструкций значительно возросло. Большое значение в процессе производства имеет однородное распределение стальной фибры в матрице бетона. Для обеспечения достаточной удобоукладываемости по сравнению с бетонами, не содержащими фибры, необходимо большее количество цементного молока. Кроме того исходный бетон должен отличаться достаточно подвижной консистенцией, так как добавление стальной фибры приводит к ухудшению удобоукладываемости смеси. Важной характеристикой затвердевшего сталефибробетона является повышенная пластичность (дуктильность) материала. Это снижает хрупкое разрушение бетона и позволяет осуществлять перенос растягивающих напряжений через трещины. Помимо этого, стальные волокна повышают ударопрочность и износоустойчивость бетона.

Введение

В последние годы сталефибробетон значительно упрочил свои позиции в строительстве с применением бетонных конструкций. Это отражается во множестве осваиваемых в последнее время областей применения. Тем не менее, до последнего времени не было возможности учета несущей способности стальных волокон при статических расчетах конструкций. По этой причине применение сталефибробетона и на сегодняшний день в основном ограничено лишь функцией улучшения деформируемости бетонных конструкций или повышением их ударопрочности и износоустойчивости, например, в области гидротехнического строительства. Важнейшей областью применения является, без сомнения, сектор «промышленных полов» (Рис. 1). Кроме того, сталефибробетон все чаще используется и в других областях, например, в жилищном строительстве (полы, стены подвальных помещений) или туннелестроении (торкретбетон, внутренняя оболочка).

Производство сталефибробетона 

Общие положения
Технология изготовления и обработки сталефибробетона аналогична процессу производства традиционного вибробетона, а также торкретбетона. Большое значение имеет равномерное распределение стальных волокон по матрице бетона в процессе смешивания (Рис. 2). Следует избегать объединения волокон в объемные конгломераты («образование ежей») (Рис. 3). Поэтому особенно в случае применения большого количества фибры требуется внесение изменений в состав бетонной смеси по сравнению с традиционными бетонами и оптимизация количества используемого волокна [2].
Стальные волокна
Существуют многочисленные модификации стальных волокон, отличающихся по форме, размерам и прочности. На сегодняшний день они изготавливаются из холоднотянутой стальной проволоки. Прочность на растяжение подобных волокон, как правило, в диапазоне от 1000 до 1500 Н / мм2, а в случае высокопрочных волокон составляет порядка 2500 Н / мм2 Длина волокон, которые обычно используют для сталефибробетона, варьируется от 15 до 65 мм, диаметр — от 0,4 до 1,0 мм. Значительное влияние на деформируемость сталефибробетона оказывает соотношение длины и диаметра фибры (l / d), это значение должно варьироваться в интервале от 30 до 100 [2]. Длинные тонкие волокна (более высокое значение соотношения длины и диаметра) обнаруживают тенденцию к сгибанию в процессе обработки бетона и к образованию «ежей». Короткие толстые волокна (минимальное соотношение длины и диаметра), напротив, слабо закреплены в матрице, так что они даже при незначительной нагрузке вытягиваются из матрицы, за счет чего их эффективность весьма ограничена.
Стальные волокна имеются в виде отдельных волокон (Рис. 4) или в виде связок склеенных волокон (Рис. 5). В случае последних речь идет о связках, состоящих из 20 – 30 отдельных волокон, связанных между собой с помощью клея, который легко растворяется в водном растворе свежеприготовленной бетонной смеси. Применение склеенных волокон облегчает смешиваемость.
Распределение стальных волокон в свежеприготовленной бетонной смеси в значительной степени зависит от их геометрии (Рис. 6). Наиболее удобны в этом отношении гладкие волокна с концевыми анкерами или гладкие искривленные волокна. В противоположность им, волокна с концами в форме шляпок гвоздей или волнообразные волокна чаще всего неудобны.
Состав бетонной смеси
Неоднократно стальные волокна использовались для производства бетонных смесей, имеющих состав в соответствии с традиционными технологиями. В случае минимального содержания волокон (порядка 30… 40 кг / м3) это вполне возможно. В случае большего количества волокон модификация состава бетонной смеси обязательна. Для обеспечения достаточной удобоукладываемости смеси подобные сталефибробетоны требуют большего количества цементного молока. По этой же причине доля мелких фракций заполнителя тоже должна быть увеличена. Во избежание образования «ежей» и с целью достижения достаточной удобоукладываемости доля крупных фракций заполнителя должна составлять не более 55 % (по объему). В соответствии с этим кривая гранулометрического состава принимает форму S-образной кривой. Одновременно для модификации гранулометрического состава сталефибробетон с высоким содержанием волокон имеет высокое содержание вяжущего в бетонной смеси. В зависимости от фактического водоцементного соотношения и желаемого класса прочности содержание вяжущего варьируется в диапазоне от 350 до 450 кг / м3
Содержание волокон зависит от нагрузок, которые в дальнейшем будут действовать на конструкцию, и от максимального количества волокон, которые могут быть беспроблемно добавляемы в бетонную смесь. Как правило, доля волокон варьируется в диапазоне от 25 до 80 кг / м3 (0,3 – 1,0 % от объема бетона соответственно). В том случае, если дозировка стальных волокон составляет менее 25 кг / м3, фибра не способствует улучшению деформируемости. С другой стороны, в том случае, если содержание волокон составляет от 80 до 100 кг / м3, риск образования «ежей» очень высок [3].
Добавление волокон
Важной предпосылкой для полной активации волокон в бетоне является их хорошее распределение в свежеприготовленной бетонной смеси еще на этапе добавления волокон (для срав. Рис. 2). В зависимости от общего количества изготавливаемого сталефибробетона рассматривается возможность добавления волокон непосредственно на бетонном заводе, где производится товарный бетон, или в автобетоносмеситель уже на строительной площадке. В том случае, если в рамках крупных проектов, например, в случае строительства длинных туннелей, необходимы тысячи кубических метров сталефибробетона, разумно добавление волокон непосредственно в процессе изготовления бетона. Рекомендуется изначально разделить волокна с помощью виброустановки (Рис. 7) и затем по ленте подавать их вместе с фракциями заполнителя в бетоносмеситель.
В случае небольшого количества стальных волокон, они могут добавляться на этапе замеса бетонной смеси на заводе. Как правило, эта операция осуществляется вручную в связи с отсутствием дозирующего устройства. Чаще, однако, волокна добавляются уже в бетоносмеситель. С помощью соответствующего дозирующего оборудования, например компрессоров (Рис. 8), волокна добавляются в товарную бетонную смесь [3].
Консистенция и укладка сталефибробетона
В случае добавления волокон в уже замешанную товарную бетонную смесь последняя должна иметь мягкую консистенцию, чтобы обеспечить возможность равномерного перемешивания. В отличие от исходной бетоной смеси консистенция фибробетона значительно гуще [1]. Уже при обычной дозировке волокна порядка 40 кг / м3 разница может составлять до одного класса консистенции (Рис. 9).
При оценке «на глаз» кажется, что сталефибробетон имеет жесткую консистенцию и плохо укладывается. Однако в связи с высокой долей цементного молока (раствора) он легко и просто обрабатывается при условии использования разжижителей (пластификаторов).
В большинстве случаев сегодня применяется сталефибробетон подвижной консистенции с шоковым расплывом конуса порядка 48 – 55 см. Особенно при производстве фундаментных плит и полов бетон подается из автобетоносмесителя непосредственно в окончательную форму. В таких случаях закономерно регулирование консистенции посредством последующего добавления разжижителей уже непосредственно на строительной площадке. Сталефибробетон может укладываться с помощью насоса. Здесь также рекомендуется, чтобы шоковый расплыв конуса составлял порядка 50 см. Однако исключается «улучшение» консистенции с помощью добавления воды, что, к сожалению, еще часто практикуется. Благодаря подобному незапланированному увеличению доли воды значительно возрастает риск того, что стальные волокна отслоятся, что в результате приведет к образованию «ежей» и к закупорке шлангов насоса.
Уплотнение сталефибробетона осуществляется, как и в случае вибробетона, с помощью внутренних вибраторов или — в особенности в случае фундаментных плит или промышленных полов большой площади — с помощью поверхностных вибраторов. Слишком интенсивное уплотнение (продолжительный период вибрирования на одном месте) может привести к осаждению стальных волокон в разжижаемой вибрацией бетонной смеси, чего следует избегать.

Свойства сталефибробетона

Прочностные характеристики и деформируемость
Одним из важнейших свойств сталефибробетона является повышенная пластичность (дуктильность). Увеличения прочности на растяжение путем добавления стальных волокон в привычных количествах практически не отмечается, тем более что первая трещина образуется при достяжении «чистой» прочности бетона на растяжение (то есть прочности бетона без фибры). Тем не менее, деформируемость обычно весьма хрупкого строительного материала бетон улучшается благодаря ярко выраженной способности переносить растягивающие напряжения через трещины в случае их образования (Рис. 10). После трещинообразования фибра перенимает часть растягивающей нагрузки и таким образом предотвращает хрупкое разрушение. Тем не менее, очевидно, что, если объем волокон варьируется в диапазоне 60… 80 кг / м3, то есть содержание волокон — ниже критического уровня, при котором перенимаемая сила после образования первой трещины уменьшается и даже при значительных значениях деформации не превышает нагрузки, вызывающей образование первой трещины (Рис. 11). Это приводит к тому, что вторичные трещины не образуются и что вся деформация проходит в пределах первой трещины. Таким образом, в случае содержания волокон ниже критического уровня нельзя ожидать от сталефибробетона эффекта ограничения ширины раскрытия трещин.
Для того чтобы с помощью стальных волокон обеспечить ограничение ширины раскрытия трещин, необходимо содержание волокон выше критического уровня (Рис. 11). При таких значительных объемах волокон существует риск, что бетон не будет обладать должной удобоукладываемостью. По этой причине рекомендуется для ограничения ширины раскрытия трещин использовать комбинацию стальных волокон и традиционной арматуры [8].
Оценка эффективности сталефибробетона
В качестве основы для оценки эффективности материала служит оценка переноса растягивающих напряжений после образования трещины. Для этого в Германии существует 2 подхода. В обоих случаях производится испытание на 4-точечный изгиб балочки размером 150x150x700 мм. Результаты испытания оцениваются с точки зрения пригодности к эксплуатации (малые деформации) или несущей способности (большие деформации).
В соответствии с Инструкцией DBV [7] по данным кривой зависимости прогиба балочки от нагрузки определяются эквивалентные пределы прочности на изгиб как для малых, так и для больших деформаций (Рис. 12 и 13). Это осуществляется посредством интегрирования площади под кривой вплоть до соответствующих характерных значений прогиба (соответственно 0,65 мм и 3,15 мм после образования трещины). По значению этого интеграла определяется среднее значение максимально воспринимаемого момента изгиба, и из него выводятся эквивалентные значения предела прочности на растяжение при изгибе исходя из момента сопротивления неповрежденного сечения бетона для соответствующего состояния (см. также Рис. 14). Эквивалентные значения предела прочности на растяжение при изгибе позволяют распределение фибробетона по классам F1 и F2.
При оценке, соответственно положениям Директивы Немецкого комитета по железобетону «Сталефибробетон» [4], по данным F-δ-диаграммы определяются так называемые остаточные значения прочности при прогибе равном 0,5 мм и 3,5 мм, после чего определяются значения предела прочности на растяжение при изгибе после образования трещин для распределения по классам L1 и L2 (Рис. 14). Этот пересчет осуществляется с помощью установленных факторов. Эти значения прочности могут использоваться для расчета пригодности к эксплуатации и несущей способности.
Маркировка сталефибробетона осуществляется в соответствии с документами [4, 8] аналогично. Они отличаются исключительно используемыми сокращениями / символами для обозначения классов эффективности или классов фибробетона. Сначала указывается класс прочности на сжатие, а затем класс эффективности или класс фибробетона.
Пример: C20 / 25 L1,6 / 1,2
Расшифровка: С20 / 20 = Класс прочности бетона на сжатие в соответствии с DIN EN 206 – 1 и DIN 1045 – 2
L1,8 / 1,2 = сталефибробетон класса L1 = 1,6 (прочность при растяжении при δ0,5 мм = 1,6 Н / мм2) и L2 = 1,2 (прочность при растяжении при δ3,5 мм = 1,2 Н / мм)
Таким образом, эффективность сталефибробетона может быть описана независимо от количества или формы волокон.
С введением Директивы Немецкого комитета по железобетону [4], которая рассматривается в качестве дополнения с общему ряду норм DIN 1045, связана надежда на расширение области применения сталефибробетона. Настоящая директива распространяется на расчет и дизайн конструкций из сталефибробетона, а также из сталефибробетона в комбинации с обычной стальной арматурой вплоть до класса прочности бетона на сжатие C50 / 60. Исключениями в настоящее время являются следующие области применения:
•Строительные конструкции из предварительно напряженного сталефибробетона,
•Плотный легкий бетон и легкий бетон без мелкого заполнителя,
•Высокопрочный бетон классом прочности начиная с C55 / 67,
•Сталефибробетон без стальной арматуры при классах экспозиции XS2, XD2, XS3 и XD3, в конструкциях с учетом стальных волокон при расчетах,
•Самоуплотняющийся бетон,
•Торкретбетон со стальными волокнами.
Дополнительные особые характеристики сталефибробетона, в том числе ориентация волокон
Использование сталефибробетона способствует не только улучшению поведению материала после образования трещин, но и значительному повышению ударопрочности, а также износоустойчивости. На другие характеристики затвердевшего бетона, например, модуль эластичности, ползучесть, усадку, добавление волокон оказывает лишь незначительное воздействие.
Эффективность применения стальных волокон зависит не только от уже описанных выше факторов, например от типа волокон, их количества и диаметра, а также от предела прочности бетона, но и в значительной степени от ориентации волокон в конструкции. Максимальный эффект оказывают стальные волокна, расположенные параллельно направлению действия нагрузки — то есть в направлении растягивающего напряжения — и соответственно пересекающие трещины. В случае отклонения от этого направления эффективность волокон уменьшается.
Теоретически следует исходить из ориентации волокон в бетонной смеси в направлениях x: y: z из значений 0,33:0,33:0,33 соответственно. В процессе укладки бетона (заливка свежеприготовленной бетонной смеси, уплотнение и т..д.) может происходить преимущественная ориентация волокон в определенном направлении. Ориентация волокон определяется на образцах в виде кубиков или кернов электромагнитным индукционным методом без разрушения образцов как на бетонной смеси, так и уже на затвердевшем бетоне [11]. В ходе соответствующих исследований, проведенных Рурским университетом Бохум [9], были подтверждены достаточная точность измерений, а также сопоставимость результатов с референциальными методами в соответствии с [10]. Таким образом, было подтверждено, что уже в результате обычного вибрационного уплотнения могут обнаруживаться изменения в ориентации волокон (Рис. 15).
В ходе проведенных исследований было четко установлено влияние уплотнения бетона на направление волокон. Волокна располагаются преимущественно перпендикулярно по отношению к направлению уплотнения. При этом в направлениях x и y было зарегистрировано по 40 % стальных волокон. Количество волокон, расположившихся в направлении уплотнения (z-направление), составило порядка 20 %. Подобная преимущественная ориентация волокон может быль полезна в одном случае, в другом же случае она может оказать негативное воздействие.
Антикоррозийные свойства
Стальные волокна, так же как и прочие стальные элементы конструкций, могут быть подвержены коррозии. Принципиально волокна находятся в щелочной среде бетона и таким образом защищены от коррозии. В случае карбонизации бетона происходит снижение уровня защищенности, и стальные волокна, расположенные близко к поверхности, могут корродировать. Однако коррозия в сталефибробетоне представляет собой в основном визуальное повреждение в виде бурых пятен на поверхности бетона. По причине незначительного диаметра волокон увеличение объема, происходящее в результате коррозии, недостаточно (в отличие от прочих арматурных прутков, диаметр которых измеряется в диапазоне от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров) для повреждения бетонного покрытия и в виде трещин и отколов.
В случае необходимости возможно использование дополнительных мер для предотвращения коррозии и вместе с тем появления ржавчины, как например, использование волокон из нержавеющей стали или оцинкованных волокон. Также возможно нанесение дополнительного защитного покрытия [5]. Однако в случае применения оцинкованных стальных волокон в бетонах, используемых на сегодняшний день, с цементами с пониженным содержанием хроматов наблюдается повышенное содержание мельчайших пузырьков в результате образования водорода, поэтому использование этого метода с целью предотвращения появления ржавчины на поверхности бетона сомнительно.

 Литература

1.Meyer A.: Faserbeton. Zement-Taschenbuch 1979 / 80, S. 453 – 477. Bauverlag GmbH Wiesbaden — Berlin, 1979.
2.DBV – Merkblatt «Technologie des Stahlfaserbetons und Stahlfaserspritzbetons», Fassung August 1992, uberarbeitet 1996.
3.Breitenbucher R.: Herstellung und Verarbeitung von Faserbeton. In: Konig / Holschemar / Dehn: Faserbeton. Innovationen im Bauwesen. Bauwerk Verlag, Berlin, 2002. S. 19 – 28.
4.Deutscher Ausschuss fur Stahlbeton (DAfStb): Richtlinie Stahlfaserbeton, 2010.
5.Verein deutscher Stahlfaserhersteller e.V. (Hrsg.): Korrosion von Stahlfaser in Beton. Technische Merkblatter, 2010.
6.Strack M.: Modellbildung zum rissbreitenabhangigen Tragverhalten von Stahlfaserbeton unter Biegebeanspruchung. Dissertation, Ruhr-Universitat Bochum, 2007.
7.DBV – Merkblatt «Stahlfaserbeton», Fassung Oktober 2001.
8.Teutsch M.: Technische Regeln fur Stahlfaserbeton — Der Entwurf der Richtlinie des DAfStb. Westdeutsches Architekten- und Ingenieurforum, Bochum 18.09.2007.
9.Breitenbucher R., Rahm H.: Zerstorungsfreie Bestimmung des Stahlfasergehalts und der Stahlfaserorientierung im Frisch- und Festbeton. Neues Prufverfahren — Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit. Beton, Heft 3, S. 88 – 93, 2009.
10.Schonlin K.: Ermittlung der Orientierung, Menge und Verteilung der Fasern in faserbewehrtem Beton. Beton- und Stahlbetonbau 83, Heft 6, 1988.
11.Produkthandbuch BSM100 der Hertzsystemtechnik, Delmenhorst.

Файлы для скачивания:

 Читать материал полностью, файл PDF

< Назад

 

Поиск

Автор
Год выпуска
Опыт строительства энергоэффективных зданий в Республике Беларусь и экспериментальное исследование эксплуатационных характеристик энергоэффективного панельного жилого дома в г. Минске /БЕТОН И ЖЕЛЕЗОБЕТОН 2010/
Жилой фонд Республики Беларусь потребляет для отопления и горячего водо снабжения около 35 – 40 % энергоресурсов страны. В этой связи работы по снижению энергопотребления на отопление и горячее водоснабжение имеют для Республики Беларусь большую народно-хозяйственную значимость. Страны Западной Европы также ведут интенсивный поиск путей снижения энергопотребления при эксплуатации жилых зданий. В странах северного пояса Западной Европы происходит переход к строительству зданий в стандарте «Пассивный дом», уровень теплопотерь которых составляет 10 – 20 % общего существующего.
  © 2008 Славутич Разработка сайта Vitrum-Media