Эффективные фиброармированные материалы и изделия для строительства и реставрации

Одним из условий обеспечения качества возводимых и реставрируемых зданий и сооружений является применение эффективных строительных материалов, в том числе дисперсно-армированных бетонов (фибробетонов) - композитов, в которых воедино собраны лучшие качества исходных составляющих.

В общем случае фибробетоном называют композиционный материал, состоящий из цементной (плотной или поризованной, с заполнителем или без него) матрицы с равномерным или заданным распределением по ее объему ориентированных или хаотично расположенных дискретных волокон (фибр) различного происхождения.

Исследования, проводимые на протяжении последних трех десятилетий, убедительно показывают, что дисперсное армирование улучшает механические характеристики бетонов: повышает трещиностойкость, ударостойкость, прочность на растяжение и изгиб; способствует стойкости бетона к воздействию агрессивной среды; позволяет сократить рабочие сечения конструкций и в ряде случаев отказаться от использования стержневой арматуры или уменьшить ее расход. Таким образом, создаются условия для снижения материалоемкости и трудоемкости строительства, увеличения его номенклатуры, повышения архитектурно-художественной выразительности новых и реставрируемых объектов.

При этом масса полученной информации позволила определить эффективные области использования различных видов волокон в качестве дисперсной арматуры и выделить некоторые закономерности, которые могут считаться общепризнанными:

1.      свойства фибробетона определяются видом применяемых волокон и бетона, их количественным соотношением и во многом зависят от состояния контактов на границе раздела фаз;

2.      существенное повышение прочностных характеристик композита по сравнению с исходным бетоном с сохранением достигнутого уровня во времени обеспечивается использованием высокотехнологичных волокон, химически устойчивых по отношению к матрице и с большим, чем у нее, модулем упругости;

3.      вид волокон, их относительная длина (l/d) и процентное содержание в смеси (μ) должны назначаться, исходя из требований к изделиям и конструкциям с учетом принятой технологии. Отступление от оптимальных значений указанных параметров в большую или меньшую сторону снижает эффективность дисперсного армирования;

4.      при оптимальных параметрах армирования введение волокон способствует улучшению структуры и свойств исходного бетона, повышению его стойкости и долговечности.

В настоящее время достаточно изучены и прошли определенную производственную проверку следующие разновидности фибробетонов: бетон, армированный стальными волокнами различной длины и поперечного сечения (сталефибробетон); легкий бетон на пористых заполнителях, армированный стальными или синтетическими волокнами; плотный или поризованный цементно-песчаный бетон, армированный синтетическими высоко- или низкомодульными волокнами; ячеистый фибробетон, армированный низкомодульными синтетическими волокнами.

Проведенные исследования позволили определить области рационального использования указанных разновидностей фибробетонов. Так, применение сталефибробетона наиболее эффективно в тонкостенных плоских и криволинейных конструкциях, безнапорных и низконапорных трубах, а также при изготовлении ударостойких и изгибаемых конструкций с целью исключения дополнительной арматуры и связанных с ней работ. При этом стальную фибру получают путем нарезки низкоуглеродистой проволоки, фольги или листовой стали, формованием из расплава, фрезерованием полос и слябов, а также прерывистым вибрационным резанием в ходе токарного процесса. Прочность сталефибробетона, армированного фрезерной и токарной фиброй, может достигать при изгибе 30…35 МПа, а при сжатии 80…100 МПа.

В качестве примера успешного использования сталефибробетона можно привести данные, согласно которым на объектах строительства Санкт-Петербурга и Ленинградской области забито более 30 000 свай различной конструкции с применением этого материала, что обеспечило экономию средств в размере 30 %.

Более 15 лет Волховский КСК в рамках опытно-промышленного производства осуществлял выпуск сталефибробетонных колец для колодцев способом роликового прессования. Технологическая линия оснащена высокопроизводительным оборудованием, позволяющем в том числе изготавливать и саму стальную фибру из проволоки различного диаметра.

Положительно зарекомендовал себя сталефибробетон в конструкциях подземных сооружений, о чем свидетельствует как зарубежный, так и отечественный опыт. В частности, на протяжении ряда лет успешно эксплуатируется один из участков тоннеля Петербургского метрополитена, выполненный в сталефибробетонном варианте. При этом в качестве дисперсной арматуры для изготовления тюбингов и лотковых блоков использовалась фибра, полученная прерывистым вибрационным резанием, которая, по мнению специалистов, может составить серьезную конкуренцию традиционной фибре из проволоки.

Легкий сталефибробетон на мелких пористых заполнителях средней плотностью 1600…1800 кг/м³ и прочностью при изгибе до 25 МПа, разработанный на кафедре технологии строительных изделий и конструкций Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (СПбГАСУ), нашел применение в производстве плит фальшпола и элементов временной шахтной кровли. В данном случае некоторое удорожание изделий из-за повышенного расхода фрезерной и токарной фибры компенсируется облегчением ручного труда и безопасностью проведения работ в условиях подземного строительства.

В числе перспективных неметаллических волокон следует отметить фибру из щелочестойкого стекловолокнистого ровинга и полимерных природных и синтетических волокон.

Эффективным материалом для ограждающих конструкций и теплоизоляционных изделий является ячеистый фибробетон неавтоклавного твердения. В этом случае для армирования используются низкомодульные синтетические фибры, представляющие собой отрезки моноволокон, комплексных нитей и фибриллированных пленок, для изготовления которых в ряде случаев целесообразно использование промышленных отходов соответствующих производств. Введение таких волокон в пено- или газобетонные смеси позволяет в 2…2,5 раза увеличить прочность при изгибе, до 1,5 раз - прочность при сжатии, в 7…9 раз - ударостойкость исходного ячеистого бетона. Улучшение поровой структуры материала в результате дисперсного армирования способствует снижению водопоглощения и капиллярного подсоса, что обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик изделий и конструкций. Так, морозостойкость ячеистого фибробетона достигает 75…100 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Фибровое армирование полностью исключает появление и развитие усадочных трещин в процессе твердения и последующей эксплуатации материала.

Разработки кафедры технологии строительных изделий и конструкций СПбГАСУ нашли применение в производстве строительных материалов ООО «Красное» (Санкт-Петербург) и ЗАО «Фиброн» (г. Гатчина, Ленинградской обл.), освоивших серийный выпуск изделий из бетонов, армированных синтетическими волокнами. В настоящее время фибропенобетонные плиты, обладающие повышенной прочностью, ударостойкостью, необходимыми тепло- и звукоизоляционными свойствами, успешно применяются для возведения межкомнатных и межквартирных перегородок, а также в многослойных конструкциях наружных стен зданий и сооружений. Из плотного бетона, в котором синтетическая фибра служит для увеличения ударо- и морозостойкости, устранения усадочных трещин, изготавливаются элементы сборных декоративных ограждений и изделия малых архитектурных форм с применением немедленной распалубки. Армирование легкого бетона синтетической фиброй приводит к существенному улучшению структуры и физико-механических свойств материала, которые в результате превышают показатели лучших мировых аналогов. Так, при средней плотности 1300…1400 кг/м³ легкий фибробетон характеризуется пределом прочности при сжатии до 35…40 МПа, маркой по морозостойкости до F300…F400 и маркой по водонепроницаемости до W10…W15. Композит с указанными характеристиками успешно применяется для производства легких, прочных и долговечных облицовочной плитки и декоративного камня, а также может быть использован в монолитном варианте при выполнении реставрационных работ.

В числе последних отечественных разработок в области фибробетонов можно назвать сырьевую смесь для производства крупноразмерных фиброцементных плит толщиной 8-10 мм, в которой вместо природного асбеста в качестве армирующего материала используются целлюлозные волокна. Плиты предназначены для наружной и внутренней отделки ограждающих конструкций зданий и сооружений, и могут быть использованы при устройстве вентилируемых фасадов и внутренних перегородок, а также при изготовлении многослойных плоских и объемных конструктивных элементов (сэндвич-панелей, сантехкабин, шахт лифтов и др.). Данный материал незаменим в условиях открытой стройплощадки, его применение гарантирует удобство работ в течение всего года, простоту раскроя и обработки, отсутствие мокрых процессов и высокую скорость монтажа. Ровная и гладкая поверхность плиты хорошо окрашивается, а также допускает нанесение каменной крошки и других отделочных покрытий. Выпуск данной продукции освоен ЗАО «НПО «Фибрит» на действующих технологических линиях комбината «Мостермостекло» (Московская обл.).

Следует отметить, что наряду с указанными конструкциями получили апробацию и способы изготовления фибробетонов, которые позволяют применять такие эффективные приемы, как раздельную укладку, торкретирование, погиб свежеотформованных плоских заготовок, вакуум-прессование, пневмонабрызг, роликовую обкатку и другие.

Намечено использовать фибробетон при реставрации фасадов Смольного собора в Санкт-Петербурге. Было установлено, что существующие кронштейны находятся в аварийном состоянии и требуют замены. Характер отмеченных разрушений (сквозные трещины с шириной раскрытия до 3…5 мм) позволил сделать вывод о нецелесообразности изготовления этих конструкций из обычного железобетона ввиду его недостаточной морозо- и атмосферостойкости, а также большой массы.

Было разработано техническое решение, согласно которому рекомендовано изготовить кронштейны на фасадах Смольного собора методом пневмонабрызга из фибробетона, с использованием комбинации фибр из нержавеющей стали и щелочестойких стеклянных волокон.

Таким образом, накопленный опыт показывает, что использование дисперсно-армированных бетонов различной плотности и прочности позволяет интенсифицировать процессы, повысить качество и снизить ресурсопотребление при возведении новых, а также реконструкции и реставрации существующих строительных объектов.