Добавка к бетону тонких полипропиленовых волокон уменьшает пластическое растрескивание и пластическую усадку, а также улучшает сопротивление удару и истиранию. Благодаря своей трехмерной/пространственной функции внутри бетонного раствора, волокна также уменьшают повреждения бетона при замерзании/оттаивании, просачивании воды и химических веществ. Как было установлено Британским научно-исследовательским институтом во время испытаний отделки туннелей на огнестойкость, эти же свойства волокон способствуют уменьшению опасности взрывного откалывания бетона.

Полипропиленовые волокна применялись на таких объектах, как нефтяная платформа в Хайдруне в начале 1990-х годов, где было израсходовано 23 000 м3 бетона, содержащего полипропиленовые волокна. В настоящий момент полипропиленовые волокна включены в проект туннеля в Норт Даунзе, который расположен между Фолкстоуном, графство Кент, и вокзалом St. Pancras в Лондоне на железнодорожной дороге, соединяющей туннель под Ла-Маншем с Лондоном. Пожар в туннеле под Ла-Маншем, другие аналогичные пожары и ущерб, причиненный пожарами отделке туннеля из обычного железобетона, привлекли внимание к механизмам, вызывающим откалывание бетона в больших масштабах. Для того, чтобы предотвратить такое откалывание, важно понять механизм этого явления.

Механизм откалывания бетона

При нагревании бетона во внешних слоях происходит десорбция влаги. Большая часть водяных паров стекает внутрь пористой структуры бетона, подальше от источника тепла. Когда внутренние пустоты насыщаются влагой, их захватывает приближающийся тепловой фронт, и у границы слоев вода испаряется. Благодаря быстрому подъему температуры и пустотам, ограничивающим расширение, давление пара быстро растет. Сначала прочность бетона на растяжение перпендикулярно тепловому фронту будет противодействовать этому давлению. При нагревании плиты из монолитного бетона с одной стороны, слой бетона вблизи поверхности подвергается растяжению. Это может привести к появлению трещин в плоскости, параллельной нагретой поверхности. Если прочность на растяжение растрескавшегося бетона при достигнутой температуре недостаточна для того, чтобы противостоять силам, возникшим внутри бетона вследствие давления пара, то неглубокий слой может внезапно отколоться в виде взрывного откалывания поверхностного слоя. Затем вся последовательность явлений повторяется, что приводит к постепенной потере поверхности.

Как полипропиленовые волокна уменьшают взрывное откалывание бетона?

При температуре 160 ºС полипропиленовые волокна начинают плавиться, что приводит к уменьшению объема отдельных волокон. С увеличением интенсивности нагревания волокна будут разрушаться и начнут воспламеняться при температуре 360 ºС. Они распадаются на составляющие и, в результате, единственное, что остается от них - это сажа, занимающая примерно 5% пространства пустот. Образующиеся при этом газы либо просто сгорят в огне, либо рассеятся в атмосфере. Оставшиеся пустоты являются теми путями, которые дадут выход водяным парам. Таким образом, давление пара уменьшается, что позволяет избежать взрывного откалывания.

Программы испытаний на огнестойкость

Программа испытаний была разработана в Нидерландах Организацией по прикладным научным исследованиям (T.N.O.) в городе Утрехт в 1999 году. Цель этих испытаний заключалась в том, чтобы установить различное влияние однонитевых и фибриллированных волокон на уменьшение откалывания бетона. Оба вида волокон применялись с дозировкой 2 кг на м3, и бетонные секции нагревались в печах до температуры 1300ºС. Результаты показали, что испытуемые бетонные панели, содержащие однонитевые волокна, оказывают более стойкое сопротивление взрывному откалыванию, чем бетон, содержащий фибриллированные волокна. Это открытие было принять во внимание, когда компания "Rail Link Engineering" приступила к выполнению своей собственной программы испытаний.

В связи с пожаром в туннеле под Ла-Маншем, компания заказала проведение серии испытаний для оценки поведения различных материалов во время пожара, выявления обстоятельств, при которых происходит откалывание, а также для усовершенствования целостности отделки при аналогичных условиях.

• Образцы нагружались до предварительно установленного уровня нагрузки в 2.5 Н/мм2 при увеличении нагрузок равными дозами по 100 кН. • Образцы нагревались до температуры в диапазоне от 1100 ºС до 1200ºС.
• Дозировки огневых нагрузок составляли 1 кг/ м3 и 2 кг/ м3.
• Испытания были основаны на графике зависимости температуры от времени Стандарта ISO 834.
• Испытуемые материалы включали однонитевые полипропиленовые и стальные волокна.

Краткое изложение результатов испытаний на огнестойкость

Результаты испытаний доказали, что добавка в виде полипропиленовых волокон приводит к значительному повышению огнестойкости бетона. В частности, откалывания не происходило в смесях с добавлением однонитевых волокон. На объект было поставлено свыше 40 000 кг волокон, дозировка которых составляла 1 кг/ м3. Бетон замешивался на месте в бетонном узле, а волокна добавлялись в бункер для взвешивания заполнителя специальным дозирующим устройством. Затем бетон смешивался в обычной бетономешалке, и бетон, содержащий волокна, доставлялся к месту проведения работ, где он заливался в формы на секции из напыленного бетона. Этот бетон, усиленный волокнами, известен под названием "слоя-жертвы".

Выводы, которые можно сделать по результатам испытаний на огнестойкость

Необходимо дать несколько рекомендаций:

• Не следует применять легкие заполнители в высокопрочном непроницаемом бетоне, предназначенном для отделки туннелей.
• В бетон следует вводить однонитевые полипропиленовые волокна.
• Для каждого конкретного контракта потребуется проведение дальнейших испытаний для определения оптимального состава смеси. Эти испытания будут включать в себя простую систему, когда испытуемые образцы подвергаются воздействию сжимающих нагрузок, моделирующих условия нагрузок в туннеле.

Важно помнить о том, что доля волокон, необходимая для уменьшения взрывного откалывания, может варьироваться в зависимости от уровня нагрузок, прочности на сжатие, а также количества стальной арматуры, необходимых для каждого конкретного проекта.

Напыленный бетон с содержанием полипропиленовых волокон

Усиленный волокнами бетон может также напыляться при отделке туннелей, как в широко освещенном прессой проекте Humbercare Flow Transfer Project в городе Гулль, где обрушилась секция туннеля. После того, как грунт был заморожен с помощью жидкого азота, на замерзший грунт была нанесена основная облицовка/отделка. Затем эта облицовка/отделка была усилена сеткой, решетчатыми арками и смесью из стальных и полипропиленовых волокон.

Преимущества использования полипропиленовых волокон при применении бетона в виде напыления следующие:

• Меньше отражение/отскакивание
• Стальные конструкции внутри бетона защищены
• Уменьшение утечки/фильтрации
• Хорошее сцепление
• Увеличение прочности и жесткости
• Повышение удобообрабатываемости
• Низкая проницаемость
• Более постоянный состав бетонной смеси.