Главная

Бетонные смеси со стальными волокнами (обзор)

История вопроса

Технология улучшения свойств цементирующих смесей за счет включения в них волокон не нова. Свыше трех тысяч лет назад естественные волокна, такие как джут и конский волос, использовались для скрепления раствора. Естественное волокно широко применяют и в наше время в производстве асбестоцемента. К сожалению, недостатком асбестоцемента является его хрупкое разрушение, в особенности если он подвергается изгибу или удару.

С начала 60-х годов были проведены исследования по использованию синтетических, стальных, стеклянных, полипропиленовых, карбоновых, нейлоновых и других волокон для армирования цементного теста, раствора и бетонных смесей с целью улучшения их свойств.

Стекловолокно из стекла Е и из щелочестойкого было применено при изготовлении тонких листовых материалов, чтобы устранить недостатки асбестоцемента, применяемого, например, для изготовления облицовочных панелей и каркасов.

Карбоновые волокна, очень дорогой и в высшей степени специальный материал, также использовали в технологии изготовления листовых материалов наряду со стекловолокном. При этом был получен материал, обладающий чрезвычайно высокой прочностью. Однако возможности промышленного использования этих волокон пока не определены.

Следует отметить, что карбоновые волокна и стекловолокно не используются для бетонной смеси, хотя О.Коннинг в США провел работу по резке стекловолокна и добавке его в автобетоносмесители при бетонировании дорожного покрытия. Эта работа имела целью сравнить свойства бетонов, армированных стекловолокном и стальным волокном. Других работ по применению стекловолокна в бетоне, как нам известно, не проводилось.

Для армирования бетонов с крупным заполнителем размером более 5 мм в основном использовали стальные или пропиленовые волокна. Главной областью применения бетона с полипропиленовыми волокнами является изготовление сборных оболочек свай. Стальные волокна использовали, в основном, в товарных бетонных смесях. Начало применению стальных волокон в бетоне положено корпорацией "Бэттелл дивелопмент корпорейшен" (США), а с 1970 г. по лицензиям корпорации осуществляется во всем мире.

Области применения

Растворы и бетоны со стальными волокнами широко используют:

Для облицовки тоннелей и стабилизации скалистых грунтов.

В технологии сборных бетонных изделий.

При изготовлении бетонных труб.

Для обделки труб.

Для получения огнеупорных бетонов.

В дорожных и аэродромных покрытиях.

В покрытиях полов.

Товарный бетон со стальными волокнами используется для двух последних позиций.

Развитие методов изготовления

Применение смесителей с опрокидными барабанами, как это было предложено Тейлором Вудроу в Доунрейском проекте комиссии по атомной энергии, позволило изготовлять бетон со стальными волокнами в промышленном масштабе. Механически просеянные проволочные волокна подавались конвейером в бетономешалку с опрокидным барабаном. В меньших масштабах использовались механические распределители, которые устанавливались непосредственно над чашей бетоносмесителя принудительного действия.

При производстве товарных бетонных смесей используются следующие схемы:

А) сухие материалы дозируются в автобетоносмеситель; барабан включают перед разгрузкой;

Б) автобетоносмеситель загружают затворенной бетонной смесью, барабан периодически включают при транспортировании смеси до объекта;

В) автобетоносмеситель загружают затворенной смесью при непрерывном перемешивании ее во время транспортирования.

В ранних работах, проведенных в США корпорацией "Бэттелл дивелопмент корпорейшен" совместно с фирмой "Андерсон конкрит" использовалась практика добавления фибры в барабан автобетоносмесителя непосредственно через один из бункеров на заводе. Волокна доставлялись на завод в картонных коробках массой 25 кг. В смесь их добавляли до введения большей части воды. Объем загрузки чаши автобетоносмесителя составлял 70%.

В Великобритании стало обычной практикой подавать волокна в смесь при помощи механического распределителя. В этом случае может быть установлен автоматический контроль за количеством добавляемых волокон. Такие устройства устанавливают в основном на заводах.

Была сделана также попытка вводить волокна не на заводе, изготавливающем бетонную смесь, а непосредственно на строительной площадке. Такая практика оказалась приемлемой для тех случаев, где использовались автобетоносмесители, загруженные сухой смесью.

Недавно попробовали добавлять фибры прямо в автобетоносмесители без применения распределителя. Практика показала бесполезность этого способа, так как это приводит к образованию ежей из фибры.

Свойства бетона зависят от типа используемых волокон, которые характеризуются определенным параметрическим отношением (длина/диаметр). Так, волокна с отношением свыше 100 не рекомендуется использовать. Чаще всего применяют волокна с отношением от 60 до 80.

Дальнейшие разработки по решению проблемы ввода волокон в смесь были осуществлены по бельгийской лицензии корпорацией "Бэттелл Дивелопмент корпорейшен" (США). Волокна по 10 штук соединяли при помощи водорастворимого связующего и в склеенном виде без труда добавляли в смесь, находящуюся в автобетоносмесителях. В бетонной смеси пластины из склеенных волокон распадались и волокна равномерно распределялись по всей смеси. Способствует решению этой проблемы также и изменение формы концов волокон и одновременное их укорочение.

Ряд компаний - итальянская "Индастриал легхе металлшне" (держатель патента) совместно с "Маккаферри групп", "Адапти Солацци" - проводил эксперименты, видоизменяя лопасти смесителя бетоновоза и вдувая волокна в автобетоносмеситель. Предварительно волокна отделяли друг от друга распределителем. При этом было выяснено, что для обычно применяемых волокон (диаметр 0.4 мм и длина 25 мм) это не давало эффекта; достаточно использовать распределитель и конвейер для подачи волокон. Подача волокон осуществляется в автобетоносмеситель, загруженный на 75%, со скоростью, при которой 500 кг вводили в смесь, затворенную водой за 20 мин.

Проектирование состава смеси

Проволока, которая предлагается поставщиками, имеет диаметр от 0.25 до 0.65 мм и длину от 20 до 60 мм. Наиболее предпочтительны волокна следующих размеров:

Диаметр, мм	0.3	0.35	0.4	0.5	0.65
Длина, мм	25	20	25	40	60

Для бетонов со стальными волокнами обычно применяли заполнители с наибольшей крупностью - 10 мм; соотношение крупного и мелкого заполнителя 1:1. Разработка фибры с волокнами большей длины и диаметра позволила применять заполнитель с максимальным размером 20 мм для полов промышленных зданий и в дорожных покрытиях.

Для увеличения механической связи фибры и бетона выпускают волокна особой формы. Например, компания "Нейшнл стандарт" изготовляет проволоку с вмятинами под названием "дуаформ" (сочетание круглого и плоского сечений), хорошо сцепляющуюся с цементным тестом, в результате чего улучшаются характеристики бетона при любом количестве добавляемой проволоки.

Типичные смеси, предназначенные для фибробетонов и растворов, нельзя описать несколькими составами, так как удобоукладываемость фибробетона, его прочность, толщина сечения - все это предопределяет количество, размер волокон и скорость их добавления. В некоторых случаях может оказаться необходимым применять заполнитель с наибольшей крупностью 10 мм или даже раствор. В основном фибробетоны служат для возведения конструкций большой толщины (обыкновенно с длинными волокнами), растворы же применяют, если сечения конструкций невелики, а концентрация в смеси волокон высока. Однако не следует принимать это за догму, и в некоторых случаях другие факторы могут определить характер выпускаемой продукции. Следует отметить, что в фибробетоне содержание песка гораздо больше, чем в обычных бетонах.

Количество волокон, которое может быть включено в бетонную смесь, зависит от скорости их введения и максимального размера заполнителя. Теоретически не следует применять заполнитель, размеры которого превышают расстояние между отдельными волокнами, определяемое по формуле

где d - диаметр волокон, мм; p - объем волокон, %.

Однако оказалось, что эта формула чересчур строга. В связи с этим фирмой "Нейшнл стандарт компани лимитед" была разработана новая формула для определения максимально допустимого размера заполнителя исходя из общего объема, занимаемого одним волокном в смеси:

где p - объем добавляемых волокон, %; r - радиус волокон, мм; l - длина волокон, мм.

Например, для смеси с 3%-ным содержанием (по объему) волокон размером 0,25 х 25 мм объем, занимаемый одним волокном, составляет 40,5 мм³, в то время как для смеси с 0,5%-ным содержанием волокон размером 0.64 х 60 мм он равен 3868 мм³.

По новой формуле максимальный размер заполнителя составляет 4 и 18 мм соответственно против 2 и 12.4 мм, определенных исходя из первой формулы.

Объем волокон в смеси меняется в зависимости от требований к затвердевшему бетону, но это изменение будет колебаться в пределах от 0,5 до 2% по объему (от 1,6 до 6,5% по массе для обычного бетона). В ряде случаев были изготовлены бетоны и с более высоким содержанием фибры, в особенности в сборном железобетоне при тщательном контроле качества изготовления. Практически для большинства случаев достаточно не более 2% фибры по объему.

Размер волокон и отношение длины к диаметру (параметрическое отношение) также играет важную роль в выборе состава смеси. Для облегчения перемешивания и укладки бетона лучше применять волокна с низким параметрическим отношением (менее 70), а для повышения прочности волокна с высоким параметрическим отношением (70-100). Однако в последнем случае процесс укладки бетона затрудняется.

Большинство патентованных добавок, которые используют в обычном бетоне, пригодно и для фибробетона. Исключением является хлорид кальция, вызывающий при определенных условиях коррозию поверхности волокон.

Нельзя допускать появление ежей из волокон в бетоне, которые могут возникать либо в результате плохого распределения проволоки в смесителе, либо из-за ее чрезмерного объема в растворной части. В местах образования ежей возникают ослабленные зоны, а оставшегося количества волокон, равномерно распределенных по всей смеси, недостаточно для получения качественного материала.

В настоящее время проводятся работы по использованию суперпластификаторов, чтобы преодолеть некоторое снижение удобоукладываемости фибробетона, возникающее от включения стальных волокон. Ранее было показано, что достижение желаемой удобоукладываемости за счет чрезмерного добавления воды для фибробетона более вредно, чем для обычного бетона.

Заключение

Рост производства фибробетона со стальными волокнами во всем мире сохраняется неизменным.

Применение механических распределителей фибры имеет первоочередное значение для производства, так как необходимо тщательное распределение волокон в объеме бетона.

Существующие заводы товарного бетона не позволяют обеспечить получение фибробетона хорошего качества. Их необходимо оснастить непрерывными смесителями или смесителями принудительного действия.

---

email: KarimovI@rambler.ru

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

Теоретическая механика Сопротивление материалов

Прикладная механика Детали машин Теория машин и механизмов