Алексеева Л.Л. Инновационные технологии и материалы в строительной индустрии

Подождите немного. Документ загружается.

полняет своего прямого назначения. Кроме того, значительное количество стали в

железобетонных конструкциях расходуется на монтажную, поперечную и распре-

делительную арматуру. Коэффициент использования арматуры колеблется от 1,3

до 4,5. Как видно, имеются потенциальные возможности снижения расхода арма-

туры в конструкциях. Поэтому дальнейшее совершенствование бетонных мате-

риалов должно предусматривать не только улучшение их механических характе

ристик, но и изыскание путей наиболее рационального использования металличе-

ской арматуры, а также создание новых эффективных армирующих материалов.

В настоящее время достигнуты значительные успехи в области повышения

активности минеральных вяжущих веществ – цемента и гипса, используемых для

изготовления различных видов бетонов. Это позволило разработать составы бето-

на с пределом прочности на

сжатие до 80-100 и более МПа, а гипсовых отливок

до 50 МПа. Однако прочность бетонов и растворов при растяжении остается во

много раз ниже прочности на сжатие. В связи с этим использование волокон в ка-

честве арматуры с целью преодоления недостаточной прочности при растяжении

бетонных материалов может создать предпосылки для получения бетонов

нового

типа, с более широкими возможностями их применения в строительстве.

Как и в традиционно армированных структурах, упрочнение волокнами ос-

новывается на предположении, что материал бетонной матрицы передает волок-

нам приложенную нагрузку посредством касательных сил, действующих по по-

верхности раздела, и, если модуль упругости волокна больше модуля матрицы, то

основную долю

приложенных напряжений воспринимают волокна, а общая проч-

ность композиции пропорциональна их объемному содержанию.

Принципы построения композитов лежат в основе организации структуры

многих природных материалов. Например, легкий и прочный бамбук является ха-

рактерным композиционным материалом, в котором мягкая целлюлозная состав-

ляющая упрочнена вытянутыми в нитку кристаллами оксида кремния. Совершен-

ную композицию

представляют собой кости. Дисперсное распределение кристал-

лов извести в кости, их сцепление и ориентация в коллагене обеспечивает не

только высокую прочность, но и трещиностойкость композита.

Трещины, которые могли бы развиться в кости под нагрузкой благодаря

прочной связи кристаллов извести с пластичным коллагеном, блокируются, при

этом значительно снижается "чувствительность" материала к внешним воздейст-

виям.

Вместе с тем материал, подобный кости, не мог бы являться эффективной

арматурой для бетона, так как модуль упругости костной ткани (21000 МПа)

практически не превышает модуля упругости рядового бетона. Тем не менее со-

отношения между модулями костей и биологических тканей (для которых

кости

являются армирующим материалом) изменяются в пределах 35…100, т.е. значи-

тельно превышают те же соотношения между модулями бетона и арматурной ста-

ли.

Работы, связанные с дисперсным упрочнением бетонных материалов, ве-

дутся в двух направлениях.

Одно из направлений – это применение специальных затравок, интенсифи-

цирующих процессы твердения бетона и улучшающих его физико

-механические

показатели. В качестве таких затравок используются нитевидные кристаллы гид-

росиликатов кальция, достаточно близкие по своим физическим и физико-

химическим параметрам к новообразованиям, возникающим при гидратации це-

ментных вяжущих. Данный метод позволяет повысить прочность бетона на изгиб

до 2-4 раз.

Второе направление основано на применении для повышения прочности бе-

тонной матрицы

армирующих волокон, отличающихся по своему составу от ма-

териала матрицы и способных в процессе работы композиции воспринимать бо-

лее высокие по сравнению с матрицей растягивающие напряжения. Получаемый

эффект упрочнения в значительной мере зависит от вида используемых волокон,

характера их сцепления и ориентации в объеме бетона, химической устойчивости

по отношению к

продуктам гидратации цементных вяжущих.

В качестве исходных армирующих материалов для бетона используются

металлические, минеральные и органические волокна в виде непрерывных нитей

(сеток, тканей и других подобных рулонных материалов) или в виде коротких от-

резков волокон-фибр (рисунок 10).

Рисунок 10 – Классификация дисперсно армированных бетонов

Методами дисперсного армирования предусматриваются возможности по-

лучения направленной и произвольной (свободной) ориентации волокон в объеме

бетона. Направленная ориентация реализуется главным образом при использова-

нии непрерывных нитей, жгутов, различного рода тканых и нетканых сеток, раз-

реженных тканей и других аналогичных материалов. Подобный вид ориентации

может быть также осуществлен при армировании бетона

короткими волокнами, в

частности стальными фибрами при формовании изделий, например в магнитном

поле.

Произвольная ориентация осуществляется, как правило, короткими волок-

нами, однако в этом случае могут использоваться и рулонные материалы в виде

холстов, матов и вуалей, в которых волокна не имеют организованного перепле-

тения. На практике в конструкциях могут реализовываться

различные виды про-

извольной ориентации.

Плоско-произвольная ориентация характеризуется равновероятным и неог-

раниченным (свободным и хаотичным) распределением волокон в плоскости (в

двухмерном пространстве). Дисперсное армирование в этом случае реализуется

главным образом в тонкостенных изделиях в виде плоских листов, плит, а также в

элементах, обладающих криволинейной формой. Толщина изделий в этом

случае

меньше, как правило, длины используемых волокон, при этом углы наклона во-

локна по отношению к поверхности изделий сравнительно небольшие.

Объемно-произвольная ориентация характеризуется равновероятным и не-

ограниченным (свободным и хаотичным) распределением коротких армирующих

волокон во всем объеме бетона (в трехмерном пространстве). Углы наклона воло-

кон по отношению к поверхности

изделий от 0 до 90

С, размеры изделий во всех

направлениях значительно превышают длину волокон.

Стестненно-произвольная ориентация имеет место, когда по меньшей мере

два геометрических параметра элементов конструкций, например их высота и

ширина, ограничены в размерах, что стесняет свободу произвольной ориентации

армирующих волокон в объеме бетона. Подобная ситуация наблюдается при дис-

персном армировании балок,

ребер плит, различного рода перемычек. Чем мень-

ше размеры поперечного сечения изделий, тем в большей мере ограничены воз-

можности свободной ориентации армирующих волокон. Анализ показывает, что

эффект стеснения ориентации волокон проявляется в основном в тех случаях, ко-

гда соответствующие размеры превышают длину армирующих волокон не более

чем в 5 раз. При более значительных размерах поперечного сечения изделий эф-

фект стеснения заметно снижается, параметры ориентации волокон в бетонной

матрице в этом случае приближаются к параметрам плоско- или объемно-

произвольного армирования.

По своему характеру дисперсное армирование может осуществляться одним

видом

фибр или смесью различных фибр (разной длины и разного состава). Зна-

чительный интерес представляет применение дисперсной арматуры для традици-

онно армированных железобетонных конструкций, в которых часть стержневой

арматуры заменяется на фибровую (комбинированное армирование). Вполне оче-

видно, что технологические методы изготовления таких конструкций зависят в

значительной мере от вида используемых для них

армирующих материалов.

Принципы технологии и приемы дисперсного армирования зависят во мно-

гом от вида используемых бетонных матриц.

Для изготовления дисперсно армированных конструкций используются

обычный тяжелый бетон с ограниченной величиной зерен крупного заполнителя,

цементно-песчаный раствор, а так же цементный или гипсовый камень. В ряде

случаев целесообразно использование легких бетонов.

Вид бетона определяет ха-

рактер рационального для него вида дисперсного армирования и оптимальные

значения геометрических параметров дисперсной арматуры.

При решении вопросов дисперсного армирования бетонных материалов не-

обходимо учитывать, что не все искусственные волокна способны противостоять

воздействиям среды гидратирующихся цементов. Например, стеклянные волокна

обычного состава подвергаются интенсивной коррозии в твердеющем бетоне

на

портландцементе и практически не вступают в химическое взаимодействие с про-

дуктами гидратации гипсовых вяжущих. Стальные волокна заметно корродируют

в композициях на основе гипса, но надежно защищаются от процессов коррозии в

гидратирующейся среде цементных вяжущих. Эти обстоятельства должны учиты-

ваться при назначении оптимальных составов композиции "бетон-волокно".

Дисперсное армирование обеспечивает

повышение прочности сечений сжа-

тых, растянутых и изгибаемых элементов конструкций, увеличивает их трещино-

стойкость, ударную вязкость, термическое сопротивление и другие физико-

механические показатели.

Дисперсно армированные бетоны уже успешно применяются в конструкци-

ях различного назначения: стеновых панелях, плитах покрытий, сваях, трубах,

днищах резервуаров, полах промышленных зданий, коммуникационных каналов,

дорожных и аэродромных покрытиях, несъемной опалубке для возведения моно-

литных конструкций, в трубах, лотках, ограждениях лоджий и балконов, банков-

ских хранилищах.

В настоящее время разработаны, испытаны и применены складчатые панели

покрытий безрулонной кровли для жилых и сельскохозяйственных зданий, склад-

ских помещений, навесов для

пассажирских платформ, стоянок автотранспорта и

других целей.

С применением тонкостенных складчатых панелей могут быть возведены

различные помещения для складирования и укрытия техники. Эффективным

примером является разработанная ЛенЗНИИЭП при участии НИИЖБ конструк-

ция здания универсального назначения с пролетом 12 м и длиной 36 м. Конструк-

ция здания состоит из трехшарнирных рам, собираемых из

однотипных тонко-

стенных сталефибробетонных складчатых панелей. В жестких узлах рамы панели

соединяются сваркой закладных деталей. В Ленинградской области построено не-

сколько таких зданий.

Представляет интерес применение сталефибробетона в трубах и кольцах

водопроводных и канализационных сетей. Применение сталефибробетонных сте-

новых колец смотровых колодцев позволяет резко снизить трудозатраты и мате-

риалоемкость конструкций,

улучшить их качество и почти полностью устранить

производственный брак.

За последние годы очень эффективным оказалось строительство индустри-

альных полов из сталефибробетона. При этом снижаются материало- и трудоем-

кость строительства, объемы земляных работ, стоимость строительства, при этом

повышается качество, эксплуатационная надежность и увеличивается межре-

монтный ресурс конструкций пола.

В мире уже

построены миллионы квадратных метров фибробетонных инду-

стриальных полов и несколько тысяч квадратных метров – в России. Достаточно

сказать, что сейчас в Германии более 25% всех промышленных полов выполняет-

ся из сталефибробетона.

В России были выполнены исследования и разработаны составы сталефиб-

робетона для защитных ограждающих конструкций различного класса взломо-

устойчивости – от V до X по

ГОСТ Р50862 (при максимальном XIII классе) с со-

ответствующей сертификацией качества.

Наиболее интересным объектом с применением сталефибробетонных за-

щитных конструкций является задание ГРКЦГУ Центрального банка России в

г.Москве. В конструкциях пола, стен, колонн и перекрытий применялся стале-

фибробетон класса В45. Использовалась фибра отечественного производства.

По разработкам и при участии НИИЖБ были построены стеклофибробетон-

ные тонкостенные параболические оболочки размером 12х24 м, возводимые на-

брызгом на надувную опалубку (г.Воронеж); тонкие элементы несъемной опалуб-

ки для оград, обделки

тоннелей, плит облицовки фасадов (г. Москва), стеновые

панели (г.Ереван), кольца смотровых колодцев толщиной 20 мм (г. Вангажи).

Наиболее перспективным для создания высокоэффективных фибробетонов

нового поколения является применение модифицированных бетонов на основе

комплексных органо-минеральных модификаторов типа МБ-01 и наиболее эф-

фективной стальной фибры (типа «Драмикс»), щелочестойкой стеклянной (типа

«CemFil») или полипропиленовой

фибры оптимального агрегатного состояния. В

этом сочетании высокая плотность бетона-матрицы обеспечивает защиту фибры

от коррозионных процессов по ее поверхности, препятствуя их прохождению, при

одновременной возможности получения фибробетонных смесей с высокой удобо-

укладываемостью.

Наличие современных эффективных видов фибры позволяет упростить ее

введение и перемешивание в бетонной смеси, что в свою

очередь разрешает в

большей степени использовать технологическое оборудование, применяемое для

обычных бетонов.

В таблице 10 представлено сопоставление некоторых основных характери-

стик тяжелого бетона и фибробетонов.

Таблица 10 – Физико-механические характеристики фибробетона в

сравнении с аналогами для обычного бетона

Значения характеристик

Обычный

бетон

Фибробетон

Прочность на осевое растяжение, МПа 1,5-4,0 4,0-30,0

Прочность на сжатие, МПа 2,1-35,0 35,0-80,0

Прочность на срез, 10

-5

МПа 2,0-4,5 4,5-8,5

Коэффициент температурного расширения,

-6

см/

9,9-10,8 8,4-11,1

Ударная прочность, кг/м 4,8 13,8

Индекс усталостной прочности

(предельные отношения)

0,50-0,55 0,80-0,95

Индекс сопротивления растрескиванию (по

испытаниям на жаропрочность)

1 7

Индекс вязкости разрушения 1 10-20

2.2 Материалы для дисперсно армированных бетонов

Матричные материалы. Матрица обеспечивает монолитность композита,

фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, рас-

пределяет действующие напряжения по объему материала, обеспечивая равно-

мерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении частиц во-

локон. Материал матрицы определяет метод изготовления изделий, возможность

выполнения конструкций заданных

габаритов и формы, а также параметры тех-

нических процессов и т.д. Требования, предъявляемые к матрицам, можно разде-

лить на эксплуатационные и технологические. К эксплуатационным относятся

требования, связанные с механическими и физико-химическими свойствами ма-

териала матрицы, обеспечивающими работоспособность композиции при дейст-

вии различных эксплуатационных факторов. Технологические требования опре-

деляются

процессами получения композита, т.е. совмещения армирующих воло-

кон с матрицей и окончательного формования изделия.

Целью технологических операций является обеспечение равномерного рас-

пределения волокон в матрице (без касания между собой) при заданном их объ-

емном содержании; максимально возможное сохранение свойств волокон, главное

– прочности; создание достаточно надежного взаимодействия на границе волок

но-матрица.

В качестве матричных материалов для дисперсно армированных бетонов

применяют неорганические и органические вяжущие. И те и другие обладают оп-

ределенными клеющими способностями и их функции состоят в склеивании в

единое целое отдельных зерен, частиц, волокон, образуя конгломерат. Поэтому

все вяжущие можно считать клеями.

Склеивание определяется двумя факторами:

адгезией – прочностью сцепле-

ния клея и материала и когезией – прочностью самого клея. Нарушение склеива-

ния может произойти по причине слабой адгезии или когезии (или же самого

склеиваемого материала).

В местах склейки возникает контактный слой, толщина которого у поли-

мерных клеев равняется долям микрона, а у минеральных – 20-50 мк.

Адгезия может быть

специфической и механической. Специфическая адге-

зия объясняется различными видами физико-химических связей; механическая –

шероховатостью поверхности, усадочными напряжениями, защемлением, вызы-

вающим трение и др. Адгезия в чистом виде выявляется при нормальной отры-

вающей силе, вызывающей нормальные напряжения. Высокая адгезия возможна

только при совершенном контакте клея со склеиваемыми поверхностями. При

этом большое значение имеет чистота поверхности, хорошая ее смачиваемость,

шероховатость – что увеличивает площадь контакта.

У минеральных клеев наилучшими адгезионными свойствами обладают

растворимое стекло, магнезиальный цемент, затем портландцемент и глиноземи-

стый цемент; худшими – пуццолановый и шлакопортландцемент, строительный

гипс и известь.

В полимерных клеях адгезионные качества определяются функциональны-

ми группами, входящими в состав молекул: например, гидроксильная – ОН, кар-

боксильная – СООН, нитрильная – СN и др. Немаловажную роль играет режим

полимеризации, ряд физико-химических и

технологических факторов и их раз-

личные сочетания (повышенное давление, температура, горячее прессование и

т.п.). Высокими адгезионными свойствами обладают эпоксидные, полиэфирные,

кремнийорганические и другие смолы.

Кроме цемента, извести, гипса, битума, полимеров матрицей могут быть и

более сложные материалы, уже являющиеся композитами: строительный раствор,

бетон, где матрица – цементный камень, упрочняющий компонент –

мелкий и

крупный заполнитель. При армировании этих композитов получают как бы новые

композиты – армоцемент и железобетон соответственно. Этот композит имеет

двойное и тройное упрочнение, т.е. система с несколькими структурными уров-

нями.

Необходимо отметить некоторые характерные особенности матричных ма-

териалов.

Например, среда гидратирующихся портландских цементов является актив-

ной щелочной средой

(рН=13 и более). Это определяет влияние такой среды на

армирующие волокна. Продукты гидратации портландских цементов надежно

предохраняют от коррозии металлическую арматуру, но оказываются достаточно

агрессивными к любым видам минеральных (стеклянных, базальтовых) волокон.

С химической точки зрения основным компонентом жидкой фазы твердею-

щего портландцемента, определяющим в основном ее влияние на формирующие

волокна, является гидроксид кальция, активно взаимодействующий с компонен-

тами стекла (армирующих волокон). В результате происходит коррозионное раз-

рушение стеклянных волокон вследствие выщелачивания и разрушения их крем-

некислородного каркаса при длительном контакте с этой средой.

Кроме того, при решении вопросов применения портландцементов для дис-

персно армированных бетонов важное значение имеет определение оптимальных

соотношений между фазами алита (3СаО·SiO

) и белита (2СаО·SiO

) в цементном

вяжущем.

Повышенное содержание алита обычно является положительным фактором

с точки зрения защиты от коррозии металлической арматуры и соответственно

стальных фибр. В то же время снижение содержания алита и повышение количе-

ства белита уменьшает интенсивность агрессивного влияния среды гидратации

цемента по отношению к стеклянным волокнам.

Если использовать в

качестве матричного материала глиноземистый цемент,

то можно отметить несколько моментов: объемы промышленного производства и

применения в строительстве такого цемента ниже, чем портландских; стоимость

глиноземистого цемента значительно выше стоимости портландцемента; глино-

земистый цемент обладает быстрым ростом прочности в процессе твердения; бе-

тоны на глиноземистом цементе более плотны и водонепроницаемы.

Затвердевший глиноземистый

цемент оказывается в ряде случаев более

стойким ко многим агрессивным средам, а также более инертным в химическом

отношении и менее агрессивным ко всем видам минеральных волокон, чем обыч-

ный портландцемент. В связи с этим применение глиноземистого цемента может

оказаться в ряде случаев технически оправданным и экономически обоснован-

ным, например при небольшом

его расходе в тонкостенных стеклоармированных

конструкциях, а также при реконструкции, восстановительных работах и т.д.

Стоимость глиноземистого цемента значительно ниже стоимости всех видов по-

лимерных материалов, получающих применение в конструкционных стеклопла-

стиках.

При получении стеклоармированных композиций на основе глиноземистого

цемента важно учитывать, что прочность бетона с течением времени может изме

ниться как в сторону повышения, так и заметного снижения. Большое значение

имеют температурные условия, при которых осуществляется процесс гидратации

цемента.