«СИ АЙРЛАЙД»: дисперсное армирование с применением синтетических волокон

Железобетон и бетон — одни из важнейших формообразующих элементов архитектуры нашего времени. Их широкое использование стало привычным и повсеместным. Железобетон применяется в строительстве зданий, инженерных сооружений, дорог и т. п. Объемы производства крупнопанельных изделий из различных видов бетонов, изготавливаемых на высокомеханизированных предприятиях, огромны.

Микроармирование синтетическими волокнами цементной матрицы предварительно напряженного железобетона рассматривается как способ создания бетонных конструкций, способных воспринимать длительные изгибающие и растягивающие напряжения и динамические нагрузки, сопротивляться образованию трещин. Так, работающие на изгиб плиты перекрытий и несущие балки в конструкции воспринимают, во-первых, нагрузку конструкции пола (в том числе и собственный вес), во-вторых, нагрузку от статической массы предметов и динамических воздействий, возникающих вследствие перемещения масс (движение погрузочных и транспортных устройств), в-третьих, знакопеременное (инерционное) воздействие, передающееся от фундаментов и слабых, подвижных грунтов (движение авто-, железнодорожного транспорта, метрополитен).

В то же время повреждения изделий могут происходить как при их транспортировке, так и при их монтаже. Влага обычно попадает в изделия при контакте с землей (капиллярный подсос) или атмосферными осадками, что может привести как к ухудшению механических характеристик изделия, так и к развитию на нем корродирующей микрофлоры. Наиболее распространенный вид повреждений изделий и конструкций при расформовке, транспортировке и монтаже — механические повреждения.

Мировой опыт подтверждает, что перспективным направлением в строительной индустрии является применение бетона с микроармированием синтетическим волокном для конструкций различного назначения, в частности, для воспринимающих различного рода нагрузки железобетонных пространственных конструкций. За последние три десятилетия и в России возрос интерес к применению фибробетона в строительных конструкциях. Разработки в этой области ведет челябинская компания ООО «Си Айрлайд».

Фибробетон — принципиально новый вид бетона. Как и традиционный бетон, он представляет собой композиционный материал, включающий дополнительно распределенный в объеме фиброволоконный наполнитель. По таким показателям, как прочность на растяжение и срез, ударная и усталостная прочность, трещиностойкость, вязкость разрушения, морозостойкость, водонепроницаемость и ряд других, фибробетон в несколько раз превосходит традиционный, что обеспечивает его высокую эффективность при применении в строительных конструкциях. Важнейшей характеристикой фибробетона является прочность на растяжение. Этот показатель для фибробетона увеличивается на 30–35% по сравнению с обычным бетоном.

Неорганические вяжущие обладают определенными клеящими способностями, и их функция — склеивание отдельных составляющих в единое целое. Качество сцепления связующего с заполнителем и определяет в итоге свойства бетонной композиции. Нарушение склеивания может произойти по причине слабой адгезии компонентов (инертных заполнителей) бетонной смеси и цементной матрицы либо когезии (снижения прочности, связанного с возникновением напряженных участков клеящей матрицы из-за нарушения размеров «клеящего» слоя). Прочность цементного камня на разрыв при изгибе существенно ниже прочности при сжатии. 

Дисперсное армирование бетонной матрицы позволяет в значительной степени воздействовать на основные недостатки бетона — низкую прочность при растяжении и изгибе, хрупкость, а также улучшить способность воспринимать знакопеременные (инерционные) воздействия. Дисперсное армирование с применением синтетических фиброволокон (фибры «Си Айрлайд-ВСМ») изменяет поведение непосредственно цементного камня как составляющей бетонной структуры, что позволяет создать необходимый запас прочности, сохраняя целостность конструкции даже после появления волосяных трещин.

Кроме того, в результате совмещения микроармирующего волокна и матрицы цементного камня образуется дополнительный комплекс свойств композита, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала. Таким образом, в композитах увеличение статической прочности приводит не к снижению, а к повышению характеристик вязкости разрушения.

Одной из основных проблем при производстве различных строительных работ (гидроизоляционных, отделочных) является низкое сцепление строительных растворов с основанием и их растрескивание при высыхании и твердении. 

Ввод армирующего компонента с высокой оптимизирующей способностью, которым и является синтетическое фиброволокно «Си Айрлайд-ВСМ», может решить эту проблему. Синтетическая фибра обеспечивает трехмерное упрочнение бетона, в отличие от традиционной арматуры, которая обеспечивает лишь двухмерное упрочнение, и увеличивает сопротивление цементного камня изгибающим нагрузкам. С применением синтетического фиброволокна повышается долговечность материала, понижается усадочная деформация, значительно возрастают трещиностойкость и ударная вязкость.

Дисперсно-объемное микроармирование строительных композиций также позволяет значительно уменьшить общий вес строительных конструкций за счет уменьшения сечения при неизменных прочностных показателях. Попутно это способствует решению основных проблем, возникающих при строительстве на слабых грунтах, а также касающихся экономии сырьевых, энергетических и трудовых ресурсов. 

Таким образом, фибробетон рекомендуется для конструкций, в которых наиболее эффективно могут быть использованы его технические преимущества, выраженные повышением следующих физикомеханических показателей:

• ударная и усталостная прочность;
• прочность на растяжение и срез;
• трещиностойкость;
• морозостойкость;
• водонепроницаемость;
• прочность на изгиб, деформативность бетонной конструкции (восприятие материалом изгибающих моментов силы без разрушения).

Необходимо отметить также возможность применения более производительных приемов формования армированных конструкций (таких, как плиты перекрытий, сборные колонны и составные сваи, балки, монолитные емкостные сооружения, дорожные и аэродромные покрытия, монолитные полы, промышленные здания), повышение степени механизации и автоматизации их производства и, как следствие, снижение трудозатрат на арматурные работы. Кроме модификации бетона применение «Си Айрлайд-ВСМ» целесообразно также для следующих работ:

• дисперсное армирование гипсокартона (позволяет использовать его в малонагруженных несущих конструкциях);
• производство сухих штукатурных и строительных смесей на основе цементного и гипсового вяжущего с применением синтетического волокна (позволяет увеличить трещиностойкость покрытия, увеличить марку водонепроницаемости, морозостойкости и снизить внутренние напряжения, возникающие в слое покрытия).

Дисперсное армирование ячеистого бетона (автоклавный газобетон и неавтоклавный пенобетон) синтетическим фиброволокном «Си Айрлайд-ВСМ» значительно уменьшает или полностью исключает появление и развитие усадочных трещин в процессе изготовления, твердения и последующей эксплуатации материала. Это особенно актуально в последние годы, когда ячеистые бетоны приобретают высокую популярность в малоэтажном и одноэтажном (коттеджном) строительстве, развитие которого регламентировано государственной целевой программой «Жилище». Потенциал развития малоэтажного строительства подтверждается и мировым опытом. Ячеистые бетоны совмещают низкую плотность с прекрасной теплозащитой, их применение обеспечивает снижение затрат по устройству фундаментов. Но наряду с перечисленными достоинствами ячеистому бетону присущи и недостатки — в первую очередь трещинообразование и высокая хрупкость.

По инициативе ООО «Си Айрлайд» были проведены исследования, результаты которого позволяют рекомендовать дисперсное армирование неавтоклавного пенобетона синтетическими фиброволокнами, такими, как «Си Айрлайд-ВСМ», что обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик изделий и конструкций.

В жидкой минеральной среде на основе цемента присутствие волокнистого армирующего наполнителя меньшает пластическую усадку, улучшает водоудерживающие способности, ограничивает оседание минеральных составляющих за счет создания трехмерной сети внутри минерального теста и исключает расслаиваемость смеси.

Дисперсное армирование приобретает большое значение и в антисейсмическом строительстве за счет способности армированных синтетическим фиброволокном конструкций воспринимать большие значения изибающих и растягивающих напряжений, приобретая такие свойства, как более высокая деформативность бетонной конструкции и высокая трещиностойкость (макро и микротрещины как концентратор напряжения) строительных материалов. Армирование фиброволокном дополняет комплекс специальных конструктивных мероприятий, направленных на повышение прочности и монолитности несущих конструкций. Вязкость микроармированного бетона меняет стадию разрушения, которая не происходит внезапно, как в обычном бетоне. Разрушение происходит постепенно, с раскрытием трещин в зоне чистого изгиба. Дисперсное армирование синтетическим фиброволокном «Си Айрлайд-ВСМ» позволяет значительно повысить всю совокупность физико-механических показателей бетонов.

Низкое сопротивление растяжению, характерное для бетонных конструкций, — наиболее существенный недостаток, снижающий эффективность использования бетона в строительных конструкциях.

Важнейшая характеристика полимер фибробетона:

 прочность на растяжение

является не только прямой характеристикой материала, но и косвенной, поскольку отражает его сопротивление другим механическим воздействиям, а также долговечность.

Ударная прочность (вязкость разрушения) фибробетона на синтетической фибре в 3–5 раз превышает ударную прочность обычного бетона. Достигаемое фибровым армированием увеличение отношения пределов прочности при растяжении и сжатии (Rbt/Rb) представляет собой средство повышения эффективности бетона как конструкционного материала. Учитывая относительно низкую стоимость и доступность синтетических фиброволокон, можно утверждать, что это решит вопрос конкурентоспособности фибробетонов с ВСМ(фибро), в отличие от других видов армированных бетонов. 

Имеются мнения, что для этого потребуется достижение величины Rbt/Rb 0,5–0,6. Практически такое соотношение прочностей возможно только при дисперсном фибровом армировании цемент-матрицы. Наиболее ценным качеством микроармирования фиброволокнами бетонных композиций является способность его тормозить образование и развитие микротрещин. Таким образом, бетонные конструкции,  армированные ВСМ (фибро), способны воспринимать значительные изгибающие моменты с более высокими показателями статического напряжения.

В нормативных документах, регламентирующих проектные решения, прочность при сжатии всегда рассматривалась в качестве определяющего фактора, другие показатели бетонов считались производными от статической прочности. Такой способ не позволяет достоверно оценить надежность бетонной конструкции в целом, обеспечить равнонадежность различных бетонных конструкций. В настоящее время разработана общая методика полного вероятностного расчета бетонных конструкций по надежности. 

Однако такой расчет требует глубоких знаний и контроля изменчивости всех основных факторов, входящих в технологический расчет. Кроме того, для массового внедрения в нормы полного вероятностного расчета нужно установить необходимые общие уровни надежности для различных бетонных конструкций.

Специалисты НИИЖБ, МНИИТЭП и фирмы «Фибробетон» разработали строительные нормы «Проектирование и основные положения технологий производства фибробетонных конструкций» ВСН 56–97, в которых предусматриваются и допускаются проектирование, применение и методы изготовления фибробетонных конструкций на основе тяжелого и мелкозернистого бетонов, а также синтетических фиброволокон (пп. 1.14; 1.1.22; 1.2.13; 2.1.1; 2.2.1). 

Производимое компанией ООО «Си Айрлайд» строительное микроармирующее фиброволокно «Си Айрлайд-ВСМ» отвечает всем законодательно утвержденным требованиям и установленным нормам.

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

27.04.2009