Статьи по строительству и стройматериалам Применение сталефибробетона в конструкциях итоги анализа исследований физико-механических характеристик и практики применения сталефибробетона в 1998-2007гг

В результате работы с ГИПами «Челябметротранспроекта», Иркутского и Хабаровского ГИПРО-ДОРНИИ, НИЦ «Мосты» ЦНИИСа, ремонтных и эксплуатирующих организаций Челябинска, Хабаровска, Иркутска, Свердловска, Москвы и т.д., а также принимая во внимание приказ №22 от 14.03,96 Федерального дорожного департамента Министерства транспорта Российской Федерации «О мерах по повышению качества строительства мостовых сооружений на автомобильных дорогах» было определено, что материал гидроизолирующих слоев мостов должен соответствовать определенным требованиям:

Применение подобранного и апробированного в работе нашей фирмой состава сталефибробетона (1999-2005гг.) показывает, что его физико-механические характеристики составляют в полевых условиях и по исследованиям в научных лабораториях по 10 обьектам 1999-2005гг.:

Как следует из вышеизложенного, требования к материалу гидроизолирующего слоя проезжей части мостов сталефибробетон заданного состава стабильно выдерживает. Можно было бы остановиться на констатации факта вышеуказанных преимуществ сталефибробетона перед традиционно армированным бетоном. Но оставались вопросы, возникающие при рассмотрении таких фактов:

Если прочностные характеристики СФБ выше, чем у обычного бетона в среднем в 2 раза (растяжение при изгибе, осевое растяжение), то почему долговечность конструкций выросла в первом случае в 6,4 раза, а во втором еще больше? Ведь в морской воде фибра должна разрушаться не в пример по времени быстрее, чем арматура традиционная (связи между элементарными частицами бетона, скрепленными между собой стальными волоконцами, должны теряться быстрее, хотя бы потому, что она в сотни раз меньше по площади поперечного сечения); в сочетании с высокими механическими нагрузками, которым подвергается волнорез, материал конструкции должен разрушаться, по крайней мере, не настолько медленнее по сравнению с традиционно армированным, чем это происходило в указанном случае! В чем же дело? На наш взгляд, самое большое преимущество сталефибробетона заключается в его повышенной трещиностойкости по сравнении с традиционно армированным бетоном. Трещиностойкость СФБ, если не ориентироваться на ГОСТ 29167-91, который дает оценку этому качеству только через косвенные характеристики вязкости разрушения, можно оценивать упрощенно, через сравнение значений прочности на растяжение при изгибе, либо при осевом растяжении. Зависимость тут прямая – чем больше прочность на растяжение, тем выше трещиностойкость. Следуя этому постулату повышения трещиностойкости можно добиться, увеличивая прочность цементного камня, связывающего между собой компоненты бетона. Предел повышения прочности бетона наступит при достижении равнопрочности связывающего материала (цементного камня) и материала входящих компонентов. Композитами такого рода в природе являются гранит, известняк, мрамор и т.д. Если бы можно было из цельного куска, допустим, гранита, создать мостовую конструкцию, то в ее долговечности можно было бы не сомневаться в силу высокой прочности материала в целом.

Разумеется, можно добиться такого результата. Сейчас такие добавки, дающие возможность (если не принимать во внимание экономическую и технологическую стороны вопроса) получать бетон с высочайшим классом прочности, есть. Но общеизвестно и то, что композиты бетона не обладают способностью упруго воспринимать деформацию от действующих нагрузок. Приложение околоразрушающих по величине нагрузок на определенном этапе вызывает появление сначала весьма малых по величине трещин. Это локальное ослабление является необратимым для снижения прочности конструкции в целом, т.к. стороны трещины ничего не связывает. Возникновение повторной нагрузки вызывает развитие трещины, т.к. величины напряжений на концах трещин ( в силу концентрации напряжений по линии раздела материала) на порядок выше, чем в этот же момент в сплошном материале. Следовательно, трещина будет развиваться по длине и по ширине до тех пор, пока в данной области не будет компенсирована деформация от данной нагрузки. При таком строении материала это и является причиной дальнейшего роста трещины и разрушения всей конструкции в конечном итоге.

Традиционно армированный бетон противодействует появлению трещин наличием арматурных стержней, связывающих макрообьемы бетона друг с другом. Но в промежутках между стержнями, трещина, под воздействием нагрузок, раскрывается по вышеописанному принципу. Развитие каждой трещины в макрообьеме бетона продолжается так до момента компенсации деформации в области, подверженной воздействию нагрузки. Сдерживание ее развития происходит через традиционное макроармирование обьема бетона, подверженного его влиянию. Появление еще одной трещины в этом же макрообьеме весьма проблематично (разве только появятся дополнительные нагрузки по другим направлениям воздействия), т.к. в сплошном материале напряжения не достигают необходимых для этого значений из-за наличия компенсатора в виде первоначально возникшей трещины. Рост первоначально возникшей трещины по всем параметрам обусловлен, как указано выше, наличием концентрации напряжений по концам трещины. Пока нагрузка не превышает определенных, позволяющих арматуре восстанавливать геометрические параметры конструкции после снятия нагрузки, величин, не допуская при этом проникновение в трещину посторонних частиц, конструкция работает в «штатном режиме».

Повторное приложение нагрузки, уже даже меньшей по величине, продолжает вызывать рост ранее возникшей трещины (наличие трещины в бетоне - это локально ослабленная зона из-за потери связи между частицами бетона по плоскости разделения- следовательно для продолжения развития трещины нужны меньшие нагрузки). Остановить этот процесс нельзя, т.к. материал не может восстанавливать разрушенные между своими макрочастицами связи (нет механизма восстановления). В результате процесс идет только в одну сторону: сначала трещина раскрывается до величины, когда в нее могут проникать посторонние частицы и вода, затем до появления в критическом сечении сквозной трещины, т.е. до разрушения конструкции.

В сталефибробетоне, в силу обьемного армирования, на начальном этапе воздействия нагрузки, развитию трещины препятствуют стальные волоконца. При фиброармировании, когда в кубический метр бетона вводится, например, 80кг стальных фибр, количество их составляет (для СФБ на базе «Челябинки») около 1миллиона штук. При длине активной (межанкерной) части стального волокна 28мм (ФЛА 4-2-35), оно пронизывает в среднем 2-2,5 элементарных (1см3) кубика бетона, связывая их между собой и сдерживая разделение этих кубиков под воздействием нагрузки на данную область конструкции, т.е. препятствуя развитию трещины.

Необходимо четко понимать, что трещина, под воздействием нагрузки, если мы принимаем, как исходное условие, полное отсутствие у компонентов бетона упругих свойств (что практически имеет место быть), появляется всегда. Все дело в величине ее раскрытия - составляет ли она микроны или миллиметры, но, при появлении нагрузки, трещина является обязательным следствием приложения нагрузки.

В начальный момент воздействия нагрузки сопротивление деформации складывается из сопротивления деформации матричного бетона (за счет внутренних взаимосвязей его компонентов) и начального сопротивления фибровых волокон, обусловленных условиями твердения. Вопрос начальных напряжений фибр, находящихся в бетоне, не изучен, по крайней мере в публикациях нам это не встречалось. Но нам предоставляется, что таковые имеют место быть, т.к. только этим (наличием явления преднапряжения фибровой арматуры) можно обьяснить значительное повышение показателей водонепроницаемости и морозостойкости сталефибробетона против тех же показателей матричного бетона при всех прочих равных условиях технологии изготовления конструктивов. Величина преднапряжения, видимо, незначительна, обусловлена усадочными деформациями при твердении, но эффект от этого (см. выше) имеется. Исключительно важное значение при этом имеет степень анкеровки стальных волокон в бетоне, что влияет, в конечном итоге, на возможность волокон при микродеформациях твердения принять нагрузку на себя, устанавливая режим преднапряжения. А это становится возможным, если анкера разнесены по концам волокон и межанкерная часть имеет прямолинейный характер и, кроме того, эффект анкеровки усиливается, если волокно дополнительно анкеруется по всей своей длине боковыми шероховатостями.

Продолжая тему о деформациях при внешнем воздействии: при дальнейшем росте нагрузки стальные волокна сдерживают дальнейшее раскрытие трещины, передавая нагрузку на соседние элементарные обьемы бетона, включая в работу соседние волокна. Чем больше раскрывается трещина, тем большее сопротивление оказывают этому волокна, попавшие в зону раскрытия – это провоцирует возникновение все новых и новых трещин.

Количество их растет до момента полной компенсации деформаций сталефибробетонной конструкции за счет суммарной величины раскрытия трещин от воздействия приложенных нагрузок. Остановка роста деформаций происходит в момент, когда внешние нагрузки становятся равными по величине силам сопротивления, возникшим при включении в эту работу суммарного сопротивления фибровой арматуры и сил сцепления композитов матричного бетона. Суммарная же величина раскрытия трещин, без потери конструкцией своих исходных геометрических параметров, может расти до момента, когда напряжение растяжения волокон, попавших в зону раскрытых трещин, не достигает предела текучести. При достижении волокнами предела текучести, деформации становятся необратимыми, т.е. после снятия нагрузки, конструкция не принимает своей первоначальной формы. Если же рост нагрузок, воздействующих на конструкцию, продолжается и величина напряжений доходит до предела прочности, конструкция разрушается. Характерно для сталефибробетона то, что временной промежуток между появлением необратимых деформаций и полным разрушением конструкции значительно меньше, чем при традиционном железобетонном армировании, при котором появление сквозных трещин в бетоне под воздействием нагрузки не вызывает мгновенного обрушения из-за наличия прутковой арматуры, которая растягивает процесс во времени. Именно это заставляет нас давать рекомендации не применять в чистом виде сталефибробетон в конструкциях, которые, при своей способности к мгновенному обрушению, могут привести к гораздо большим негативным последствиям, чем это имеет место быть в конструкциях с традиционным армированием, которые обладают способностью разрушаться с некоторым замедлением.

Вышеизложенное, на наш взгляд, дает достаточно убедительное объяснение по вопросам значительно более высоких показателей надежности и долговечности сталефибробетонных конструкций при динамических нагрузках против традиционно армированных, либо изготовленных из модифицированных бетонов, которые в ряде случаев имеют изначально значительно более высокие показатели прочности.

Решающую роль, повторимся, в данных ситуациях, играет:

Исходя из этого, применение Стального фибробетона должно быть, на наш взгляд, сориентировано преимущественно на конструктивы, воспринимающие большей частью динамические нагрузки; требующие повышенной трещиностойкости, морозостойкости, водонепроницаемости.

К таким конструктивам, в частности, можно отнести защитные пояса опор мостов (сплошная СФБ-рубашка, обкладка контурными СФБ-блоками ); проезжие части мостов и путепроводов; волноломы, волнорезы, причальные стенки, береговые укрепления; защитные дамбы от селевых потоков, защитные противолавинные дамбы; водоводные тоннели; укрепления и устройства оснований тяжелонагруженных, с высокой интесивностью движения, автодорог; взлетно-посадочные полосы аэродромов.

В настоящее время, на основе наработанного в течение 1999-2006гг опыта работы по применению сталефибробетона в отечественной практике, на основании анализа зарубежного опыта, анализа научно-технических разработок отечественных научных коллективов и ученых филиалом ОАО ЦНИИС «Научно-исследовательский центр «Мосты» разработаны «Рекомендации по применению сталефибробетона при строительстве и ремонте искусственных сооружении на автодорогах», охватывающие весь технологический цикл по сталефибробетону от требований к материалам до укладки и ухода за свежеуложенным слоем. Данный документ согласован с РосДОРНИИ, с успехом используется целым рядом строительных организаций при освоении СФБ-технологий при строительстве и ремонте проезжих частей мостов и путепроводов, автодорог. В настоящее время нашей компанией с помощью заказчиков, подрядчиков ведется сбор материалов по состоянию пущенных в эксплуатацию объектов, проводятся консультации по освоению СФБ-технологий, сбор материалов по отдельным технологическим переходам, которыми, с учетом появляющихся новых приемов и методов, необходимо дополнять основной документ (в частности, например, рациональное использование миксеров при транспортировке смеси на большое расстояние, проработка покрытий с упрочненным поверхностным слоем для исключения вышелушивания поверхности в случае, если отсутствует по каким – либо причинам асфальтобетонный слой и пр. ), разрабатывается и апробируется на практике усиление оснований автодорог супертонкими слоями.