Упрощенная HTML-версия
Атомное строительство I 24
33
тема
номера
К первой группе относится высоко-
модульная фибра с Ef = (70–250)⋅10³
МПа, включающая стальную и неме-
таллические виды фибры на основе
базальтовых, асбестовых и стеклянных
волокон, а также такие специфические
модификации, нашедшие в последние
годы применение в производстве фи-
броармированных пластиков (ФАП),
тканных рулонных материалов, ком-
позитных лент, как углеродное, ара-
мидное, карбоновое волокна с Еf =
(200–700)⋅10³ МПа, применяемые
для усиления и ремонта строительных
конструкций, в первую очередь желе-
зобетонных. Последняя группа воло-
кон, обладающая сочетанием высокой
жесткости и прочности на растяжение
(Rf,u до 3,5–4⋅10³ МПа), значительно
более рациональна при использова-
нии в виде изделий с одно- или двух-
направленным размещением волокон,
а не в качестве хаотично распределен-
ной в объеме фибры.
Высокомодульная фибра является
одновременно высокопрочной, и она
способна обеспечить значительное
упрочнение фибробетона по отноше-
нию к исходному бетону-матрице при
значительном повышении трещино-
стойкости (по образованию и ширине
раскрытия трещин) как за счет высо-
кого соотношения модулей упругости
фибры и бетона Ef/Еb ≈ 7–30, так и за
счет высокого соотношения их проч-
ностей (Rf,u/Rb,u ≈ 10–100 для проч-
ности бетона на сжатие, Rf,u/Rbt,u =
100–1000 для прочности на растяже-
ние). Фибробетон на основе высоко-
модульной фибры обеспечивает также
повышенную ударную стойкость, мо-
розостойкость, водонепроницаемость,
истираемость.
Вторая по жесткости группа – низко-
модульная фибра – производится на
полимерной основе. Она имеет модуль
упругости (2–10)⋅10³ МПа, что ниже по
жесткости фибры первой группы при-
мерно на два десятичных порядка. Эта
фибра оказывает минимальное пози-
тивное влияние на статическую проч-
ность, но обеспечивает в значительной
мере снижение усадочного растре-
скивания, снижает усадку, повышает
ударную вязкость и морозостойкость
бетона, в частности неавтоклавного
пенобетона, обеспечивает водоудер-
живающую способность бетонной сме-
си.
Для конструктивных элементов, рабо-
тающих на действие статических на-
грузок, важнейшей характеристикой
является прочность фибробетона на
растяжение Ru,fbt и соответствующее
ей расчетное сопротивление на рас-
тяжение Rfbt. Эти характеристики соот-
ветствуют стадии работы композита с
выключенной из работы матрицей в силу
низкой растяжимости бетона в сочета-
нии с двумя возможными механизмами
работы фибры в предельной стадии –
разрывом (механизм 1) или выдергива-
нием из бетонной матрицы (механизм 2).
Выгодным с точки зрения достигаемого
эффекта и влияния на прочность стале-
фибробетона при растяжении является
разрыв фибры. В этом случае прочност-
ные возможности фибры реализуются
максимально, Разрушение по механизму
вырыва обуславливает использование
прочностных возможностей фибры на
уровне ниже прочности фибры на раз-
рыв, а при слабом сцеплении или малой
глубине (длине) анкеровки фибры – на
очень низком уровне.
В общем случае соотношение разрыва-
емых и выдергиваемых фибр на стадии
разрушения будет связано с расчетной
длиной анкеровки, определяемой из
условия баланса несущих способностей
фибры на разрыв и выдергивание
Принципиально новое поколение фибро-
бетонов - армированные короткой фи-
брой высокопластичные бетоны – strain-
hardening cement-based composites
(SHCC). Это высокотехнологичные мате-
риалы на цементном вяжущем, которые
упрочняются под действием растягива-
ющих нагрузок и обладают предельным
удлинением при достижении прочности
на разрыв, в 300 раз превышающим
удлинение обычных бетонов. Наряду с
высокой деформируемостью и повы-
шенной прочностью при изгибе и сдвиге,
высокопластичные бетоны отличаются
многочисленными трещинами с мини-
мальной шириной раскрытия даже при
предельном растяжении вплоть до 5%.
Это положительно влияет на долговеч-
ность композита, в особенности, когда
он используется вместе со стальной ар-
матурой.
Образование многочисленных новых
трещин и происходящее постепенное
вытягивание фибры, перекрывающей
трещины, в высокопластичном бетоне
ведет к очень высокому энергопогло-
щению как при статических, так и ди-
намических растягивающих нагрузках.
Таким образом, SHCC можно применять,
например, в качестве слоя, абсорбиру-
ющего энергию, для защиты зданий от
кратковременных механических воздей-
ствий (землетрясения, детонации) или
при возведении новых зданий и соору-
жений с соответствующими характери-
стиками. Среди других сфер применения
можно назвать композитные конструк-
ции из стали и высокопластичного бето-
на, а также тонкостенные элементы (фа-
садные элементы, трубы, несъемная
опалубка и др.), в которых традици-
онная арматура менее эффективна и
недостаточно защищена от коррозии.
Кроме этого, высокопластичный бе-
тон обладает отличным потенциалом
для восстановления или усиления со-
оружений. Материал, разработанный
в Дрезденском Техническом универ-
ситете, был успешно применен летом
2011 г. для санирования части верх-
него бьефа ГАЭС Хоэнварте II в Тю-
рингии. Этот проект предусматривал
надежное восстановление герметич-
ности бетонных стенок, которое было
достигнуто путем перепрофилирова-
ния изношенной бетонной поверхно-
сти и закрытия трещин и неплотных
швов.
Синтетическая фибра состоит из хи-
мически синтезируемых (полимериза-
ция, поликонденсациия, карбонизация
и т.п.) волокон. Различают арамидные,
акриловые, нейлоновые, полиэстер-
ные, полиэтиленовые, полипропиле-
новые и углеродные волокна. Волок-
на подразделяются на микро-волокна
с длинами в районе миллиметра и
макро-волокна с длинами до 80 мм.
Соотношения длины и эффективного
диаметра волокон находятся в преде-
лах от 100 до 500. Начало активных
исследований и выпуска различного
рода синтетических волокон отно-
сится к середине 1960х-1970х годов.
Синтетическая фибра по сравнению
со стальной легче распределяется и
смешивается, не вызывая абразив-
ных повреждений смешивающего и
подающего оборудованию. Фибра из
синтетических волокон является хи-
мически стойкой, но она имеет низкий
модуль упругости и высокую предель-
ную деформируемость, что предо-
пределяет деформацию фибробетона,
особенно после трещинообразования.
Тем не менее, она может эффективно
использоваться для улучшения рео-
логических свойств фибробетонных
смесей, структурообразования бето-
на-матрицы на стадии твердения и
повышения его долговечности. Наи-
более эффективными с позиций проч-
ности и долговечности фибробетона,
в т.ч. при экстремальных химических,
температурных и пожарных воздей-
ствиях, являются углеродные волокна.
Однако фибра из них пока слишком
дорога, а снижение ее стоимости – во-
прос будущего.
Важной характеристикой синтетиче-
ской фибры является температура ее
плавления, окисления или разложе-
ния.