×

Вы используете устаревший браузер Internet Explorer. Некоторые функции сайта им не поддерживаются.

Рекомендуем установить один из следующих браузеров: Firefox, Opera или Chrome.

Контактная информация

+7-863-218-40-00 доб.200-80
ivdon@ivdon.ru

Разработка эффективных составов фибробетона для подземного строительства

Аннотация

С.Г. Страданченко, М.С. Плешко, В.Н. Армейсков

Дата поступления статьи: 11.11.2013

Рассмотрены наиболее перспективные технологии бетона и железобетона для подземного и транспортного строительства. Выполнены исследования бетона с включением стальной и полипропиленовой фибры. Установлены факторы, влияющие на прочность и модуль деформации материалов. Сделан вывод о необходимости исследования эффективности составов бетонов с комбинированным армированием.

Ключевые слова: Бетон, подземное строительство, фибра, прочность, модуль деформации

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Основным строительным материалом для возведения подземных и транспортных сооружений является железобетон. При всех известных достоинствах он имеет недостатки: конструктивные швы между сборными элементами; технологические швы в монолитных конструкциях; высокая стоимость и трудозатраты устройства гидроизоляции, дренажного слоя и защитной кладки; перенасыщенность арматурой несущих каркасов обделки; сложность обеспечения однородности свойств по всей протяженности монолитных конструкций; недостаточно эффективная работа при изгибающих и растягивающих нагрузках и др.
За последние 20 лет в технологии бетона и железобетона, благодаря более глубоким знаниям о механизме формирования высококачественной структуры цементного камня и бетона, возможности модифицировать цементную систему с помощью высокоэффективных добавок, совершенствованию способов армирования, произошли значительные изменения, характеризующиеся появлениям бетонов нового поколения и изменением ряда традиционных нормативов.
В качестве наиболее перспективных технологий бетона и железобетона для подземного и транспортного строительства можно выделить:
1. Обеспечение трещиностойкости и водонепроницаемости массивных фундаментов при непрерывном бетонировании самоуплотняющимися смесями.
2. Применение расширяющих добавок в бетонах, повышающих водонепроницаемость, морозостойкость и стойкость при воздействии агрессивных сред, в том числе сульфатных.
3. Переход на высокопрочную рабочую арматуру класса А500С - А1000С, позволяющую существенно снизить вес сеток и каркасов.
4. Применение фибробетонов на основе стальной, полипропиленовой и др. фибры, обеспечивающей рост прочности бетона на растяжение при изгибе, увеличение износостойкости, трещиностойкости и долговечности аэродромных, дорожных и половых покрытий, железнодорожных шпал и т.п.
5. Гидроизоляция материалами проникающего действия, заполняющими поры, трещины и капилляры бетона на глубину до 0,5 м и более и создающие эффективную водонепроницаемую оболочку.
Ряд новых технологий был успешно внедрен при строительстве транспортных тоннелей. В то же время технология строительства подземных сооружений характеризуется некоторыми специфическими особенностями, в частности влиянием на процесс твердения бетона и последующую работу конструкций деформаций массива, взрывных работ, подземных вод и др.
Повысить эффективность работы конструкций в таких сложных условиях можно при использовании бетона с высокой прочностью на сжатие и растяжение в раннем и проектном возрасте, но при минимально возможном модуле деформации материала.
Одним из возможных решений является включение в состав бетона полипропиленовой и стальной фибры.
Для оценки целесообразности применения полипропиленовой фибры выполнены испытания различных составов бетона с включением химических добавок пластифицирующего действия (табл. 1).
Таблица 1
Основная характеристика исследованных составов бетонов


№ п/п

Состав бетонной смеси

Характеристики смеси

Ц*, кг/м3

Вид и
количество добавки

П, кг/м3

Щ, кг/м3,

В, л/м3

ОК, см

γ, кг/м3

П/Щ

В/Ц

1

350

-

750

1050

175

3

2325

0,714

0,50

2

350

С-3
(0,5%)**

750

1050

175

16

2326,7

0,714

0,50

3

350

Реламикс -2
(1,0%)

750

1050

168

15

2321,5

0,714

0,48

4

350

Biseal SCC
(1,00%)

750

1050

168

16

2321,5

0,714

0,48

5

350

SikaViscoCrete
(1,0%)

750

1050

168

12

2321,5

0,714

0,48

Примечания:
* - в табл. обозначено: Ц – содержание цемента, П – содержание песка, Щ – содержание щебня, В - содержание воды, ОК – величина осадки конуса; γ – плотность приготовленной бетонной смеси; В/Ц – водоцементное отношение; П/Щ – отношение массы песка к массе щебня.
** - процент содержания добавки по отношению к массе цемента.

Таблица 2
Параметры фибры из полипропилена


№ п/п

Наименование параметра

Значение параметра

1

Вид материала

Чистый полипропилен С3Н6
с замасливателем

2

Длина фибры, мм

18

3

Диаметр фибры, микроны

15

4

Плотность при 20 ºС, г/см3

0,91

5

Начальный модуль упругости, МПа

5700

6

Температура размягчения, оС

160

7

Температура воспламенения

>320 ºС

На первом этапе исследован контрольный состав бетона без включения добавок (состав №1, табл. 1). Количество фибровых волокон принималось равным 0,7, 0,9, 1,1, 1,3 и 1,5 кг/м3.  Для каждой серии образцов определялась прочность на сжатие в раннем и проектном возрасте, далее производился анализ влияния расхода фибры на изменение прочностных характеристик бетона.
Установлено, что изменение расхода полипропиленовой фибры оказывает влияние на прочность образцов бетона в возрасте 1 сут. Полученная зависимость отношения прочности фибробетона к прочности бетона обычного состава от расхода фибры представлена на рис. 1. На прочность бетона в возрасте 7 и 28 сут. изменение расхода фибры не оказывает существенного влияния.
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что включение фибры в бетон в количестве более 1,1 кг/м3 экономически не эффективно, кроме того происходит уменьшение подвижности бетонной смеси на 10 - 15%. Это затрудняет качественную укладку бетона за опалубку и последующее уплотнение.



Рис. 1. Изменение относительной прочности фибробетона при различном содержании фибры

В связи с этим далее выполнены испытания фибробетонов с постоянным содержанием фибры в количестве 1 кг/м3.
Полученные данные о прочности фибробетона на сжатие в различном возрасте и начальном модуле упругости материала представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты испытаний фибробетона


№ состава

Прочность бетона на сжатие (среднее по 10 образцам), МПа в возрасте, сут.

Начальный модуль упругости бетона, МПа·103

1 сут.

3 сут.

7 сут.

28 сут.

5

5,2

12,7

19,1

28,5

25,8

11

8,3

16,0

20,8

30,9

26,7

13

9,1

19,6

25,5

34,2

27,9

15

9,4

22,4

26,5

37,0

29,6

Обработка полученных данных показывает, что включение фибры позволяет увеличить отношение средней прочности бетона к начальному модулю упругости на 12,5%.
Увеличение сопротивляемости бетона растягивающим и изгибающим нагрузкам можно обеспечить путем включения в его состав стальной фибры. В табл. 4 представлены результаты сравнительных испытаний бетона и фибробетона с различным содержанием стальной фрезерованной фибры «VULKAN HAREX». Расход цемента для всех образов принят 360 кг/м3, водоцементное отношение – 0,58.
Таблица 4
Результаты испытаний обычного бетона и фибробетона на растяжение
при изгибе


№ п/п

Прочность на растяжение при изгибе, МПа

Контрольный состав

Сталефибробетон при содержании фибры

m=0,5%

m=1,0%

m=1,5%

m=2,0%

1

2,16

2,34

4,49

4,75

5,63

2

2,15

2,08

4,44

4,99

5,28

3

1,91

2,51

5,04

5,79

4,96

4

2,18

2,27

4,14

4,92

5,66

5

1,96

2,16

4,34

5,34

5,31

6

1,81

2,17

4,69

5,23

6,05

7

2,39

2,19

4,28

5,11

5,13

8

2,16

2,14

4,64

5,16

5,59

9

2,39

2,46

4,78

5,49

5,43

10

2,18

2,26

4,55

5,39

5,40

-

Rср=2,13

Rср=2,26

Rср=4,54

Rср=5,22

Rср=5,44

По сравнению с образцами контрольного состава прочность фибробетона на растяжение при изгибе возросла на 100 - 200%. Аналогичные данные получены и по испытаниям фибробетона на сжатие. Увеличение прочности составило 10 - 35%. Оптимальным расходом стальной фибры по экономическим соображениям является диапазон 1 - 1,5% на 1 м3 бетона, так как в дальнейшем увеличение прочности замедляется.
Актуальной задачей для дальнейших исследований является исследование эффективности составов бетонов с комбинированным фибровым армированием, направленным на одновременное изменение и прочностных и деформационных характеристик. Помимо подземного и транспортного строительства такие бетоны могут найти применение при устройстве подземных инженерных сетей.

Литература:

  1. Каприелов С.С., Батраков В.Г., Шейнфельд А.В. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспектива [Текст] // Бетон и железобетон. – № 6. – 1999. – С. 6 - 10.
  2. Плешко М.С. Крепь глубоких вертикальных стволов. Преспективы совершенствования [Текст] // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2010. – №4. – C. 159 - 165.
  3. Сапронов, А.А., Зибров, В.А., Соколовская, О.В., Мальцева, Д.А. Распространение акустических волн в водопроводных сетях с изменяющимся диаметром труб [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона, 2012, – №4 (часть 2). – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1460 – Загл. с экрана. - Яз. рус.
  4. Несветаев Г.В., Та Ван Фан. Влияние белой сажи и метакаолина на прочность и деформационные свойства цементного камня [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4 (часть 1). – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1110 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
  5. Pistill, M.F. Variability of Condensed Silica Fume from a Canadian Sourse and Influence on the Properties of Portland Cement // Cem. Concr. and Aggr. – 1984. – V.6: - №1. – P. 33-37.
  6. Setter, N., Roy, D.M. Mechanical Flatures of Chemical Shrinkage of Cement Paste. // Cem. and Concr. Res. – 1978. – V.8. - №5. – P. 623-634.
  7. Плешко, М.С., Крошнев, Д.В. Влияние свойств твердеющего бетона на взаимодействие системы «крепь – массив» в призабойной зоне ствола [Текст] // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2008. – №9. – C. 320-325.
  8. Маилян, Л.Р., Налимова, А.В., Маилян, А.Л., Айвазян, Э.С. Челночная технология изготовления фибробетона с агрегированный распределением фибр и его конструктивные свойства. [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2011, №4.- Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/714 (доступ свободный)- Загл. с экрана.- Яз. рус.
  9. Маилян, Л.Р., Маилян А.Л., Айвазян Э.С. Расчетная оценка прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования фибробетонов с агрегированным распределением волокон. [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона»,2013, №2.- Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1760 (доступ свободный)- Загл. с экрана.- Яз. рус.
  10. Кузнецова, О.В., Лазарева, Е.А., Тышлангян, Ю.С. Композиционные разработки в технологии производства. [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона»,  2013, №2. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1628 (доступ свободный) -Загл. с экрана.-Яз.рус.