Застосування сополімерної фібри

Застосування сополімерної фібри при зведенні промислових підлог та поверхонь

В відповідності з положеннями документа ACI 544.1 Американського інституту бетону «волокна можуть також покращувати властивості бетону, включаючи міцність на розтяг, міцність на стиск, модуль пружності, тріщиностійкість, попередження тріщиноутворення, довговічність, ударну стійкість, супротив стиранню, усадку, розширення, термічну, та пожежостійкість».

Волокна далеко не новий вид будівельного матеріалу. Принцип заклечається в введенні в структуру крихкого та твердого матеріалу (матриці) волокон певного типу (дисперсне армування) для покращення його фізикомеханічних властивостей. Подібні методи для підсилення конструкцій використовували ще з часів древнього Єгипту.

Дисперсно-армований бетон використовувався для багатьох відповідальних та знакових об’єктів: Берлінський парк (1988) реконструкція пішохідного двопрольотного мосту реконструкції в одному з японських гольф-клубів для спорудження вантового мосту (1992) В В сейсмічно активних районах Каліфорнії, в рамках програми підвищення сейсмостійкості мостових конструкцій, було прийнято рішення використовувати для облицювання захисні мати на основі фібробетону (1993).

На сьогоднішній день існує декілька видів дисперсно армованих бетонів, основою класифікації являється фізична природа  волокон.

Види дисперсно-армованих бетонів	Міжнародна назва	Характеристики використовуваних волокон
Фибробетон с армированием натуральными волокнами	Natural Fiber Reinforced Concrete (NFRC)	Натуральні волокна: сизаль (луб'яне волокно), кокос, бамбук, джут
Сталефібробетон	Steel Fibre Reinforced Concrete (SFRC)	Металеві волокна: з холоднотянутого дроту або листової сталі, з анкерами у вигляді відгинів, зигзагоподібної форми
Склофібробетон	Glass Fiber Reinforced Concrete (GFRC)	Скловолокна: скло E, скло S
Фібробетон з синтетичними волокнами	Polymer Fiber Reinforced Concrete (PFRC)	Синтетичні волокна: поліетилен, поліестер
Фібробетон з вуглецевими волокнами (карбоновими)	Carbon Fiber Reinforced Concrete (CFRC)	Вуглецеві волокна: карбон, арамід (кевлар)
Фібробетон зі змішаними типами фіброволокон	Multiscale-Scale Fiber-Reinforced Concrete (MSFRC)	Змішані види волокон різної довжини та товщини поперечного перетину

Найбльш поширеними на ринку України є сополімерна (полікарбонатна), полімерна, базальтова та сталева фібри.

Існує досить поширена думка, що фібра являється повноцінним армуючим матеріалом, і здатна замінити сталевий арматурний каркас в несучих конструкціях. Насправді це абсолютно хибне твердження, адже каркасне армування (арматурний каркас) та дисперсне армування (включення фібри в тіло бетону) виконують абсолютно різні функції, а отже і надають конструкції абсолютно різні властивості. Арматурний каркас покращує несучу здатність конструкцій та споруд, тоді як фібра (дисперсне армування) має на меті покращити тріщиностійкість, безусадочність та ін. Іншими словами, фібра забезпечує правильний набір міцності при застиганні, попереджає усадку, та запобігає утворенню мікро та макротріщин (мікро і макрофібра відповідно) в бетонних конструкціях. Це досягається більш рівномірним розповсюдженням волокон фібри по бетонній матриці, а також дисперсному зв’язуванню самої матриці одразу в усіх трьох проекціях.

Застосування фібри в стяжках та сумішах дозволяє отримати немало додаткових переваг в порівняні зі звичайною протиусадочною сталевою сіткою. Сополімерна фібра, наприклад, значно зменшує тріщиноутворення на ранній стадії усадки, тоді як функція протиусадочної сталевої сітки – зниження розвитку усадочних тріщин на поверхні стяжки та утримання матеріалу з тріщинами що вже з’явилися. Іншими словами сталева сітка працює лише тоді, коли стіжка вже тріскається. Не дарма британський стандарт BS 8204 підтримує як альтернативу використанню сталевої сітки суміші різних типів фібр (наприклад суміш сополімерної макрофібри та поліпропіленової мікрофібри) в стяжках підлог. При цьому враховується, що сталева сітка на протязі часу втрачає свої характеристики та властивості в стяжці, в той час я синтетичні фібри зберігають свої властивості на протязі всього періоду експлуатації. До того ж надлишок води в стяжці може призвести до руху сталевої сітки в стяжці вгору (розшарування стяжки). І найголовніше – це те що дисперсне армування це армування структури бетону в трьох проекціях, тоді як армуючи сітка працює лише в двох проекціях. Таким чином є всі підстави відмовитися від використання проти усадочної сталевої сітки для стяжок та промислових наливних підлог, її зберігання та перевезення. Тим більше що сополімерна фібра може додаватися в рідкий розчин як на вузлі змішування розчину бетону, так і на будівельному майданчику безпосередньо. Вона дозволяє легко наносити та ущільнювати розчин, покращувати його характеристики при прокачуванні. Вироблена під суворим контролем суміш компонентів повинна вміщати добре від градуйований, відмитий пісок, портландцемент, поліпропіленові волокна та сополімерну фібру. Відповідні компоненти в суміші дозволять досягти потрібного час роботи з матеріалом (зазвичай 8-12годин з моменту змішування). Вода додається для отримання напівсухої консистенції в цілях полегшення укладки та необхідного ущільнення. Суттєвою перевагою стяжки з фіброю являється те, що вона не підтримує горіння.

Найважливішою, на наш погляд, перевагою додавання фібр в стяжки це попередження тріщиноутворення як на протязі твердіння суміші (до 28 доби) так і на протязі всього наступного функціонування об’єкту. Це досягається завдяки зменшенню усадки та надання процесу тріщино утворення більш в’язкого характеру, таким чином зводячи його до мінімуму. А після затвердіння суміші всі внутрішні напруження стримуються завдяки армую чому ефекту, який між іншим спостерігається по всьому тілі об’єкту (а не лише в площині в середині тіла, так як це буває у випадку використання проти усадочної сітки). До того ж навіть при утворенні тріщини, їй набагато тяжче поширюватись, адже дуже часто на її шляху зустрічаються поперечно розташовані волокна. Таким чином також попереджаутьмя сколи та вилущування.

Утворення тріщин в бетоні

Тріщини представляють собою структурні дефекти бетонних виробів та діляться на 2 типи: технологічні а силові. Перші, розміри яких не перевищують діаметру частки заповнювача, а їх довжина складає декілька мікрон (1–5 нм), — в основному мікротріщини та пори в матриці, тріщини порожнини на межі крупного заповнювача та матриці, що виникають в процесі виготовлення конструкції. Вони переважно розміщуються в одному напрямку, що приводить до суттєвої відмінності в механічних властивостях бетонної конструкції вздовж та впоперек шарів бетонування. Другі – макротріщини, являються з’єднанням мікротріщин, представляють собою великі розриви. Довжина цих тріщин може бути такою, що вони проходять по всьому поперечному перерізу зразка – так звані наскрізні тріщини, які виникають в процесі експлуатації конструкції. Силові тріщини звичайно рівномірно зорієнтовані, що приводить до зміни фізико-механічних характеристик по різним напрямкам – анізотропії властивостей. Нарешті, в структурі бетону присутні магістральні тріщини, що характеризуються руйнуванням всієї конструкції в цілому, або окремих її частин. Магістральні тріщини відносяться до мегатріщин.

Виробництво та експлуатація бетонних споруд супроводжується тріщиноутворенням через ряд причин. Тріщини, деформації чи руйнування можуть бути викликані ударними, вібраційними, та іншими динамічними навантаженнями:

• прорахунками при проектуванні та армуванні

• використанні неякісних матеріалів

• порушенні режимів теплової обробки та технології монтажу

• різнорідністю жорсткості, пружності, та міцності матеріалів що використовується

• втрати міцності основи

Кожен з цих факторів найбільш інтенсивно проявляється на різних етапах твердіння бетону, і тому вплив на довговічність бетонних конструкцій неоднаковий. Найбільш велику роль грають деформації, шо виникають в уже затверділому бетоні, причому основна доля приходиться на ті з них, що пов’язані з розтягуючи ми та згинаючими навантаженнями, внутрішніми напруженнями при циклічному замерзанні та відтаванні, впливами зовнішнього середовища, та корозійними процесами. Розвиток дефектів на протязі часу суттєво впиває на напружено-деформаційний стан конструкції. Всі вищеперераховані фактори можна суттєво знизити, а бо взагалі їм запобігти за допомогою дисперсного армування бетонів, тобто за допомогою додавання фібр в бетонні суміші. Застосування такого композитного матеріалу допомагає вирішити ряд наступних задач:

• посилення мостових конструкцій

• посилення злітно-посадкових смуг

• посилення бетонних автомобільних доріг

• посилення промислових поверхонь та бетонних промислових підлог (в тому числі з заміною армуючої сітки повністю на дисперсне армування)

• більш якісного торкретування бетону

• більш технологічному тунельному будівництві

• створення тонких шарів стяжок, та тонкостінних конструкцій

• створення декоративних елементів та ін.

Нижче наведено порівняння різних типів фіброволокон на прикладі випробування зразків

Тип армувальної фібри	Клас бетону матриці	Вміст фібри кг/м3	Прирощення міцності, %
			на розтяг при згині	на стиск
Металева	В30	25	11, 2	4…12
		35	15, 9
		45	16, 4
Базальтова	В30	4…6	30, 4	3…20, 5
Полімерна – армувальна	В30	До 2	36, 9	4…10, 9
Сополімерна	В30	1,5	49, 5	3…15

Як бачимо на стиск матеріал покращує свої характеристики не значно, проте на роздяг при згині матеріал працює набагато краще.

Незважаючи на багатий асортимент волокон на ринку дисперсно-армованих волокон, що застосовуються в будівництві, в питанні запобігання тріщиноутвореня, та зниження темпів розповсюдження тріщин ведучі ролі приділяються саме змішаним типам волокон. Існує два наукових вирішення даної проблеми. Перший – це застосування одного типу фібри,але різного розміру. Наприклад застосування сополімерної фібри двох розмірів, для макро та мікроармування. Інший напрямок – це застосування двох різних типів фібри. Напиклад комбінація сталевої фібри із поліпропіленовою мілко дисперсною фіброю.

На підставі вищенаведених прикладів, досвіду, та досліджень можна зробити висновок, що в багатьох випадках бетонування, а особливо при створенні промислових поверхонь та підлог використання фібри є незамінним.

Існує ряд неспростовних переваг:

• протиусадочність

• колосальна ударостійкість

• стійкість проти стирання

• можливість створювати досить тонкі шари

• боротьба як з макро так і з мікротріщинами

• адгезія розчину до полікарбонатів та поліпропіленів вища ніж до сталі

• дисперсне армування в трьох проекціях

• захист від тріщино утворення вже із перших годин застигання

• простота в використанні та монтажі (додається в розчин прямо в міксері)

• зниження ваги (не більше 5кг в випадку синтетичних фібр, до 50кг сталь)

• універсальність

• пряма економія на матеріалах (в випадку заміни протиусадочної сітки)

• пряма економія в роботах (не потрібно попередньо монтувати сітку)

Відкидається частина недоліків традиційного методу:

• усадка та розтріскування

• сколи від ударів

• розповсюдження тріщин

• корозія

Для запобігання виникнення як макро, так і мікротріщин рекомендовано використовувати одразу два види фібр. Найкращим варіантом використання 1,5кг сополімерної (полікарбонатної) макрофібри та 1кг поліпропіленової мікрофібри на 1м3 розчину бетону.