ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В БЕТОНЕ С ПОМОЩЬЮ ФИБРОАРМИРОВАНИЯ /Бетон и Железобетон 2012-1/

Виктор Мещерин

Директор института строительных материалов строительного факультета Дрезденского технического университета (Германия), профессор

 

Фибробетон представляет собой бетон, в который при производстве добавляются волокна (фибра) для повышения стойкости к образованию трещин и разрушению. В качестве материала для фибры преимущественно применяются сталь, стекло, устойчивое к действию щёлочи, или полимерные материалы. Волокна интегрированы в цементный камень (матрицу) и выполняют функцию армирования, предотвращая развитие трещин. При наличии трещины в бето­не волокна могут соединять оба края трещины благодаря их высокой прочности на растяжение и хорошей анкеровке в матрице. Эффективность фиброармирования зависит как от содержания волокон в матрице, так и от их прочности, геометрии, равномерности распределения и других параметров. Количество волокон, требуемое для полной передачи растягивающих напряжений в трещине после её возникновения, можно определить с помощью концепции критического содержания волокон. При производстве бетона, как правило, используется содержание волокон ниже критического, при этом основной упор делается на уменьшение хрупкости бетона за счет постепенного вытягивания фибры из матрицы. В процессе производства конструкций из фибробетона образуются структуры с различной ориентацией волокон в бетоне и вследствие этого проявляются различия в его несущей способности.

Cогласно данным памятки Немецкого союза производителей бетона (DBV) «Сталефибробетон» по расчёту строительных изделий и конструкций из сталефибробетона, при изгибающих нагрузках производится выбор параметров для состояния I (пригодность к использованию) и состояния II (предельная несущая способность). Т. к. памятка DBV не обладает функцией стандарта, Немецким комитетом железобетонных конструкций (DAfStb) была разработа­на директива для сталефибробетона, которая в настоящее время существует в качестве проектной редакции. Основой директивы являются памятки DBV и рекомендации Международного союза лабораторий и специалистов в области испытаний строительных материалов, систем и конструкций (RILEM). В директиве DАfStb регламентируются характеристики сталефибробетонов до класса по прочности на сжатие C50/60, т..к. для них опытным путем в достаточной степени выявлены правила определения необходимых параметров и их учета при расчёте конструкций. С внедрением данной директивы становится более простым применение сталефибробетона и стандартизируется определение его параметров и правил расчёта.

Обычный бетон обнаруживает множество положительных характеристик, что делает его наиболее используемым строительным материалом нашего времени. Однако существенным недостатком обычного бетона яв­ляется хрупкость и склонность к образова­нию трещин, что при достижении предела несущей способности конструкции приводит к её внезапному разрушению. В обыч­ных железобетонных и предварительно напряжённых железобетонных конструкциях хрупкое разрушение предотвращается за счёт наличия стальной арматуры, которая придаёт конструкциям достаточ­ную способность к деформациям. Данный подход позволяет обеспечить пластичное разрушение конструкции, однако бетон как таковой остаётся хрупким и склонным к образованию трещин.

Наиболее эффективным решением для уменьшения хрупкости бетона является фиброармирование. В зависимости от размеров, механических характеристик и жёсткости волокон, образование трещин можно ограничивать как на микроуровне, так и на макроуровне.

Трещины в бетоне могут являться следствием вынужденных и собственных напряжений, а также внешних нагрузок. Вследствие возникновения трещин в бетон могут проникать вещества, вызывающие коррозию стали или повреждающие сам бетон. От ширины трещины в значительной сте­пени зависит то, в каком объеме происходит проникновение веществ, вызывающих повреждения.

Наличие волокон может привести к ограничению ширины трещины и тем самым к повышенной долговечности бетонных и железобетонных конструкций. Кроме того, тонкие трещины могут снова закрываться почти полностью благодаря т.н. «самозалечиванию бетона». При самозалечива­нии в трещинах кристализируется Ca(OH)₂ или CaCO₃. Также в самозалечивании уча­ствуют не полностью гидратированные компоненты цемента, которые после об­разования трещины вновь могут вступать в контакт с водой.

Если же коррозия стальной арматуры всё таки начинается, то за счёт пластичности фибробетона повреждение конструкции сначала остается незначительным, т.к. трещины, вызванные давлением продуктов коррозии (объемное расширение железа при оксидации), перекрываются. За счёт этого не происходит ни откола, ни отслоения бетонного защитного слоя. Однако квалифицированное восстановление поврежденных мест и в этом случае является обязательным!

Существенным механизмом действия волокон в бетоне является «сшивание» трещин, которое в наилучшем случае должно осуществляться на всех рассматриваемых уровнях (микро, мезо, макро). На рис. 1 схематически представлено изображение трещин в обычном железобетоне с хрупкой матрицей и с квазипластичной матрицей (фибробетон), а также соответствующие потоки силовых линий. За счёт образования множества мелких равномерно распределенных в квазипластичной матрице трещин стальная арматура локально не пе­регружается. Эти трещины помогают стали нести нагрузку на растяжение, а дефор­мации бетона и стали в значительной мере являются совместимыми.

Дополнительным преимуществом введения волокон в бетон и связанным с этим множественным трещинообразованием является большое поглощение энергии, которое, в частности, оказывает положи­тельное влияние на характеристики строительного элемента при ударной нагрузке. Энергия расходуется как на формирование многочисленных поверхностей трещин, так и на вытягивание волокон, происходящее в ходе расширения трещин. В качестве дополнительных важных позитивных факторов определённой пластичности бетона необходимо указать также перегруппиров­ку усилий в нагруженной конструкции, пе­рераспределение напряжений, а также отсутствие ослабления поперечного сечения вследствие отслаива­ния бетона. Кроме того снижение хрупкости повышает уровень на­дёжности конструкции вследствие появления предварительных признаков разрушения.

Первый патент на сталефибробетон был выдан еще в 1872 году. В ХХ веке было проведено множество экспериментов с различными типами волокон. Однако первые убедительные, научно обоснованные концепции целенаправленного дизайна композиционного материала-фибробетона были разработаны лишь в последние десятилетия и годы. В сочетании с современными методами анализа строительных материалов и технологией производства эти разработки дают возможность целенаправленного создания перспективных высокофункциональных композиционных материалов на ос­нове цемента.

Для производства фибробетона в настоящее время применяются главным образом стальные, стеклянные и полимерные волокна, причем стальные волокна играют доминирующую роль. Главным образом (до 70 %) фибробетон применяется при создании полов для производственных поме­щений. В статически неопределенных системах, таких как плиты полов из сталефибробетона, вследствие образования пла­стичных звеньев возможно значительное увеличение несущей способности сверх значения нагрузки, вызывающей образование трещин, см. рис. 2. Предельная нагрузка со­ответствует полутора-двукратному значению нагрузки, вызывающей образование первых трещин. Наряду с этим, необходи­мо отметить также увеличивающееся при­менение фибробетона при высотном строительстве и в тоннелестроении.

При определении параметров и расчёте конструктивных элементов согласно нормативам DIN 1045–1 количество стальной арматуры в значительной степени определяется подтверждениями пригодности к эксплуатации. При этом применение стальных волокон может уменьшать требуемые ко­личества стальной арматуры, а в отдельных случаях полностью заменять её. Сочетание стальной арматуры и стальных волокон оптимальным образом влияет на характери­стики применения и тем самым на долговечность и надежность. У строительного элемента за счёт применения дисперсной арматуры уменьшаются ширина трещин и деформации. Как правило, у железобетонных элементов и предварительно на­пряжённых железобетонных конструкций полностью отсутствует армирование защитного слоя бетона. Только в том случае, если в подобный строительный элемент дополнительно внедрены волокна, бетонный защитный слой армирован.

Наряду с более широким применением «известных» фибробетонов в последнее время стремительно разрабатыва­ются и распространяются новые фиброармированные материалы с высокими технологическими характеристиками, которые дают возможность существен­но лучшего контроля над образованием и раскрытием трещин. В ближайшие го­ды применение подобных фибробетонов может произвести переворот в определённых областях как капитального стро­ительства, так и реконструкции сооружений, см. рис. 3.

В данной статье, прежде всего, поясняются некоторые основы по теме «фибробетон». При этом подробно рассматривается проблематика предупреждения трещинообразования в бетоне посредством целенаправленного выбора волокон, учета ха­рактеристик матрицы и сцепления (бетона с армирующим волокном). Кроме того в ста­тье представлено современное состояние процесса стандартизации сталефибробетонов в Германии.

Принцип действия фиброармирования

Когда при производстве бетона в него вводятся волокна из стали, стекла, полимеров или других материалов, создается композиционный материал, называемый фибробетоном. Фиброармирование при растягивающей нагрузке должно увели­чивать предел прочности при растяжении и /.или пластичность бетона как при растягивающей, так и при сжимающей нагрузке, повышать стойкость к трещинообразованию и способность к поглощению энергии. Равномерно распределенное в матрице армирование из прочных волокон сдержива­ет раскрытие трещин и при значительных деформациях растяжения способствует нехрупкой деформации материала, сопрово­ждаемой большим числом очень тонких и, как правило, безвредных трещин.

В большинстве случаев в бетон добавляются короткие волокна, которые в зависимости от технологии производства и геометрии строительного элемента: 

a) оказывают воздействие во всех направлениях (неориентированные), 

b) направлены только в одной плоскости, как, например, у фиброторкретбетона, или 

c) расположены в преимущественном направлении, как у бетонных элементов, изготавливаемых методом экструзии. 

В качестве альтернативы для определенных областей применения могут быть использованы сплошные длинные волокна, уложенные в направлении ожидаемых растягивающих напряжений, как например, при применении бетона с текстильным ар­мированием. В зависимости от распределения и направления волокон могут вы­являться существенные различия в проч­ности и пластичности композиционных материалов.

У фибробетона можно различить два основных механизма действия фибры: противодействие приросту микротрещин и противодействие расширению трещин на мезо- и макроуровнях.

В затвердевающем бетоне всегда возникают микротрещины, которые образуются вследствие ранних вынужденных напряжений и собственных напряжений, например, в результате усадки бетона или отвода тепла при гидратации цемента. В большинстве случаев они возникают в пористой зоне контакта «цементный камень/зерно заполнителя». С увеличением нагрузки начинается рост этих трещин. При попадании основа­ния трещины на волокно дальнейшее распространение трещины на какое то время предотвращается, т..к. волокно восприни­мает растягивающие усилия, действующие на основание трещины; трещина стабили­зируется. Т. к. возникает множество коротких очень тонких невидимых микротрещин, то для эффективного предотвращения развития таких трещин важным фактором, прежде всего, является большое количество волокон с малым диаметром. Длина волокон при этом имеет второстепенное значение, т.к. на данной стадии развития трещины не происходит никаких относительных перемещений между волокнами и матрицей цементного камня.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к увеличению ширины и длины микротрещины и к сращиванию микротрещин в большие трещины. При этом происходит относительное перемещение волокон относительно матрицы цементного камня или строительного раствора, вследствие че­го волокна, перекрывающие трещину, воспринимают растягивающие усилия за счет напряжений сцепления, и волокна могут передавать их через края трещины. Таким образом, распространение трещины и ширина её раскрытия ограничиваются. Рис. 4 иллюстрирует различия в характеристиках трещин в неармированном и фиброармированном бетоне. После достижения предела прочности в неармированном бетоне разветвление трещины и сцепление её краёв являются главными факторами, ко­торые позволяют передавать растягивающие усилия по «треснувшему» бетону. В зависимости от максимального размера зерна бетона, и начиная с ширины открытия трещины 0,1–0,3 мм, трещины уже практически не способны передавать растягивающее усилие. Сцепление краями трещины и её разветвление существуют также и в фибробетоне. Однако передача растягивающего усилия осуществляется главным образом с помощью волокон, которые закреплены в бетоне на обеих сторонах трещины.

Критическое значение содержания волокон

Влияние волокон на характеристики бетона увеличивается при увеличении со­держания волокон. Однако в зависимости от геометрии волокон их содержание при определенных условиях ограничивается вследствие их негативного влияния на удобообрабатываемость бетонной сме­си. В отношении количества добавляемых волокон важную роль также играют эконо­мические соображения.

С уменьшением содержания волокон происходит плавный переход к характеристикам неармированного бетона. С увеличением содержания волокон, в зависимо­сти от их характеристик и характеристик матрицы, в случае одноосного растяжения возможно достижение квазипластичных ха­рактеристик композиционного материала. Это специфическое поведение проявляется в результате образования многочисленных трещин при сохранении или даже увеличе­нии способности композита воспринимать растягивающее усилие после достижения предела прочности его матрицы.

В соответствии с классической теорией композиционных материалов, составляющие напряжения, воспринимаемые матрицей и волокнами, определяются объемной концентрацией волокон V_F и соотношением модуля упругости n = E_F/E_M обоих компо­нентов. Эффективность фиброармирования повышается с увеличением значений V_F и n. Предел прочности композиционного мате­риала при растяжении наряду с зависимо­стью от содержания волокон определяется, главным образом, типом волокон, их ориентацией (направлением укладки бетона по отношению к направлению испытаний) и сцеплением между матрицей и волокна­ми. Увеличение прочности на растяжение происходит только в том случае, когда со­держание волокон находится выше критического значения V_{F, crit}. Упрощенно это может быть выражено формулой (1).