Применение фиброволокна (ВСМ) в приготовлении строительных смесей

Цель данного обзора заключается в представлении общей информации о применении для целей армирования специально разработанных синтетических волокон отечественного производства.

По причине хрупкости и низкой прочности на растяжение материалов на основе портландцемента для них требуется применение какого-либо армирования. В течение десятилетий для этой цели наиболее широко используется стержневое армирование. Изменить ситуацию может только технология армирования цементных композиций волокном. Наиболее широко применяемые волокна: стальные, стеклянные, полипропиленовые, натуральные волокна (такие, как целлюлоза, сизаль, джут и т.п.) и некоторые другие полимерные волокна. В последние годы в строительной отрасли различные типы органических волокон используются, в основном, для улучшения механических эксплуатационных характеристик и для уменьшения риска возникновения трещин из-за пластических усадочных напряжений.

Фиброармирование цементных материалов – это пример технологии создания "новых материалов из прежних". Фиброармированный бетон по экономическим показателям и прочностным характеристикам превосходит обычный бетон. Передовой опыт строительных компаний Великобритании, Германии, Японии и США, исследования зарубежных и российских ученых подтверждают высокую эффективность использования полипропиленовых, синтетических волокон как компонентной добавки, улучшающей физико-механические свойства растворов и бетонов для строительных конструкций различного назначения. Армирование выступает как эффективное средство снижения вероятности образования трещин на всех уровнях его структуры, способствующее микроструктурному уплотнению, что является основным фактором повышения долговечности и трещиностойкости.

Структура бетона оказывает существенное влияние на прочность и деформативность бетонных композиций. Наиболее перспективный способ структурной модификации бетонных и строительных смесей на сегодняшний день – применение инертного компонента (фибра, волокно синтетическое), оптимизирующего структуру матрицы бетонной композиции.

На поведение бетона при нагружении основное влияние оказывают неоднородности, относящиеся к верхнему уровню структуры материала. Именно структурообразование в значительной мере определяет кинетику формирования и развития критических трещин, ответственных за разрушение материала при силовых воздействиях. Следовательно, эффективным уровням дисперсного армирования должны соответствовать такие параметры структуры армированного материала, при которых в наибольшей мере проявляются торможение (блокирование) роста трещин бетонных матриц и исключение процесса седиментации.

В результате совмещения микроармирующих композиционных элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные материалы не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами (2,5*10 8) и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала. Более того, в композитах, в отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не снижению, а к повышению характеристик вязкости разрушения. /Васильев В.В. Композиционные материалы/.

Невысокая стоимость таких полимерных материалов как полиолефины (полипропилен и полиэтилен) и доказанная многими авторами эффективность введения синтетических волокон в бетоны позволяют судить о достаточно высоком потенциале применения полимерных волокон для улучшения физико-механических и других свойств композиций на основе неорганических вяжущих. Однако, невысокие механические показатели полимерных волокон, недостаточная адгезия их к цементной матрице не позволяют в полной мере использовать потенциал технологии микроармирования.

Хорошо известно, что для целей усиления структуры материала при помощи волокон, необходимо выбирать волокна, имеющие модуль упругости, превышающий модуль упругости минерального вяжущего вещества. В то же время, также известно, что при применении для армирования бетона волокон с низким модулем упругости получается значительное улучшение характеристик в отношении прочности на растяжение, способности к деформации без разрушения. 

Введение волокон в цементные смеси позволяет влиять на микроструктуру цементного камня, улучшая структуру бетонной композиции за счет контроля расслоения и сплошности смеси. Упругая пространственная многомерная хаотичная сетка из волокон (~250 штук/см³) препятствует седиментации (оседанию) частиц зерновой фракции смеси.

Волокно может использоваться во всех типах бетонных покрытий (как наружных, так и внутренних), где необходимо предотвратить появление пластических усадочных напряжений, что способствует улучшению функциональных свойств бетонных композиций. Здесь реализуются основные достоинства микроармированного композита: способность воспринимать повышенные растягивающие и знакопеременные нагрузки, динамические (ударные) воздействия, повышенные морозостойкость, водонепроницаемость, сопротивление трещинообразованию. Незначительное снижение модуля упругости (деформативности) является достоинством применения технологии микроармирования, снижающей порог хрупкого разрушения бетонной конструкции. Основным сдерживающим фактором применения полипропиленовых волокон в бетонах, наряду с достоинствами (химическая стойкость), – их низкие механические характеристики. 

ООО "Си Айрлайд" инициированы теоретические и научно-исследовательские работы по применению волокон из органических (синтетических) модифицированных полимеров и коаксиальной конструкции в качестве микроармирующего многофункционального компонента бетонных композиций на основе неорганических вяжущих.

В качестве альтернативы широко известному полипропиленовому волокну, выступает полиэфирное волокно, которое отличается повышенным модулем упругости (8…14 ГПа). Однако, согласно литературным данным, полиэфир отличается от полипропилена низкой стойкостью к щелочам. Цементное тесто, равно как и гидратирующий цементный камень, обладают высокой щелочностью среды (с водородным показателем рН = 11...13). Пребывание полиэфирного волокна в такой среде вызывает его деструкцию с ухудшением прочностных характеристик волокна. Таким образом, применение данного типа полимера для дисперсного армирования бетона не представляется возможным.

Согласно теоретическим данным, модуль упругости цементного камня определен в диапазоне 8 ГПа и выше (без учета работы зернистого скелета заполнителя). Из этого следует, что модуль упругости армирующего волокна не должен быть меньше 8 ГПа, для обеспечения совместной работы цементного камня и волокна за счет сцепления в зоне контакта. 

Эффективность армирующего компонента оценивается: прочностью на разрыв, модулем упругости, относительным удлинением и адгезионными свойствами (способностью к защемлению волокна и цементной матрицы). При этом механические показатели полиэфирных волокон приближаются к механическим показателям низкосортной стали; а, как известно, фибры из стали достаточно широко применяются для фибробетонов, разработаны и приняты нормативные строительные документы, регламентирующие применение металлических фибр для промышленного и гражданского строительства.

Требуемый результат был получен при сочетании положительных качеств (щелочестойкость) одного материала и положительных качеств (механических свойств) другого. Современные средства химического производства позволяют производить не только моноволокно, но и коаксиальное волокно, имеющее в своей структуре ядро и оболочку. Таким образом, создаются предпосылки для направленного управления физико-механическими и физико-химическими характеристиками волокон. Под физико-механическими характеристиками в данном случае подразумевается начальный модуль упругости. Физико-химические – это характеристики щелочестойкости и поверхностной энергии полимера. При направленном управлении структурной модификацией ядра и полярными реакционными свойствами оболочки полимерных волокон можно одновременно добиться высокой прочности волокна, низкой его деформативности и высокой адгезии цементного камня к поверхности волокна.

Исходя из перечисленных выше предпосылок, были сформированы общие требования к созданию совершенно нового типа полимерных волокон для дисперсного армирования бетонов и растворов – коаксиального волокна. /Все авторские права интеллектуальной собственности на изобретение данного продукта защищены патентом России/.

Волокно строительное микроармирующее производится по ТУ 2272-006-13429727-2007 как структурирующий многофункциональный компонент цементного вяжущего. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено влияние дисперсной фазы (волокон) на скорость (кинетику) формирования кластерных агрегатов в структурных системах бетонных композиций. Сформированы основные технологические принципы повышения агрегатированной устойчивости цементного камня за счет объемного дисперсного микроармирования. Установлены закономерности механизма повышения прочности при растяжении цементного камня в зоне его контакта с дисперсным волокном, с учетом распределения градиента напряжений на границе раздела фаз.

Таким образом, выполненный по технологии микроармирования синтетическими коаксиальными волокнами фибробетон, в противовес обычному бетону, особенно рекомендуется для таких конструкций, как: оболочки, тонкостенные панели со сложным рельефом, пустотелые балки и перемычки, трубы, резервуары, покрытия дорог, аэродромов, архитектурных элементов и т.д. Здесь наиболее эффективно могут быть использованы его технические преимущества, выраженные повышением следующих физико-механических показателей:

·        прочность на изгиб, деформативность бетонной конструкции (восприятие материалом изгибающих моментов без разрушения);

·        раскрытие трещин от растяжения в изделиях и конструкциях из бетона;

·        водонепроницаемость;

·        ударная и усталостная прочность;

·        прочность на растяжение и срез;

·        трещиностойкость;

·        морозостойкость.

Дисперсное армирование приобретает большое значение и в антисейсмическом строительстве, при возведении искусственных сооружений метрополитена. За счет способности микроармированных синтетическим волокном композиций воспринимать большие значения изгибающих и растягивающих напряжений, строительные бетонные конструкции приобретают такие свойства, как более высокая деформативность, высокая трещиностойкость материалов (макро- и микротрещины как концентратор напряжения).

Низкое сопротивление растяжению, характерное для бетонных конструкций - наиболее существенный недостаток, снижающий эффективность использования бетона в строительных конструкциях. Армирование фиброволокном дополняет комплекс специальных конструктивных мероприятий, направленных на повышение прочности и целостности несущих конструкций.

Вязкость разрушения микроармированного бетона меняет стадию разрушения, которая не происходит внезапно, как в обычном бетоне. Разрушение происходит постепенно, с раскрытием трещин в зоне чистого изгиба.

Основные преимущества бетона, армированного бикомпонентными волокнами: снижение толщины бетонного слоя, в сравнении с обычным бетоном, соответственно, снижение общей стоимости строительства, уменьшение трудозатрат, связанных с установкой проволочной сетки, уменьшение стоимости ремонта и обслуживания благодаря долговечности бетона, армированного волокном. Важнейшая характеристика бетона - прочность на растяжение - является не только прямой характеристикой материала, но и косвенной, отражая сопротивление механическим воздействиям, а также долговечность. Достигаемое увеличение отношения пределов прочности при растяжении и сжатии (Rbt/Rb) представляет средство повышения эффективности бетона как конструкционного материала. Учет относительно низкой стоимости и достигнутых механических характеристик синтетических волокон позволяет решить вопрос о конкурентоспособности фибробетонов с ВСМ в сравнении с другими видами армирующих волокон (фибр).

Таким образом, бетонные конструкции, армированные ВСМ, способны воспринимать значительные растягивающие моменты с неизменной статической прочностью. Анализ полученных результатов позволяет построить функциональную зависимость модифицированного бетона: Rbt = f(Rb). Сопротивление осевому растяжению определяют по эмпирической формуле, справедливость которой распространяется и на бетоны до класса В60:

Rbt = K•Rb2/3; /Высокопрочные бетоны, О.Я. Берг/, где К – коэффициент = 0,5.

Применение технологии микроармирования позволяет спроектировать и произвести бетонную композицию с измененным, полученным опытным путем К = 0,7 , учитывая концентрацию дисперсного армирования.

Анализ, экспериментальные и производственные исследования бетонных композиций армированных волокнами нового типа доказывают эффективность применения модифицированного бетона в несущих конструкций. Возможность применения волокон нового типа в различных областях строительства представляет армирование синтетическими волокнами как великолепную альтернативу некоторым традиционным решениям, разработанным для строительных растворов (стяжки, фасадные растворы, штукатурки и т.п.) и для искусственных строительных сооружений и изделий (плиты, резервуары и трубы для воды, сборные железобетонные элементы, и т.п.).

Превосходные механические характеристики коаксиальных волокон, физические и химические качества обусловливают дополнительно ряд преимуществ – улучшения свойств ограничения усадки, улучшения механических характеристик (ударной вязкости), стойкости к знакопеременным, цикличным воздействиям, водонепроницаемости и длительной прочности. 

Автор: Директор департамента исследований и разработок ООО «Си Айрлайд» Савельев А. А.

08.08.2007