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

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

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

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

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.