Строительные конструкции из волокнистых композиционных материалов

Положительные результаты применения таких материалов заключаются в следующем:

–обеспечиваетсявозможностьпродлениясрокаслужбысуществующих бетонных конструкций;

–обеспечиваются аналогичные механические характеристики при меньших размерах сечений;

–расширяются возможности в строительстве за счет усовершенствования строительных технологий;

–увеличивается долговечность элементов конструкций и, как следствие, проектируемый срок службы.

Всевышеперечисленноепозволяетснизитьпотреблениебетона внезависимостиоттипарешаемойзадачи.Здесьмыфокусируемся на применении перспективных материалов, главным образом волокнистых,полимерныхикомпозиционных,применениекоторых позволяет придать новый темп городскому строительству, снизить нежелательное воздействие на окружающую среду и влияние на климатические изменения.

Дляобеспеченияразличныхаспектовжизнедеятельностичеловека необходимо обеспечивать непрерывный процесс развития во всехобластяхнаукиитехники.Однимизопределяющихфакторов такогоразвитияявляетсяразработкановыхиперспективныхвидов строительныхматериалов[5].Какмыотметилиранее,доминирующимистроительнымиматериаламивгородскомразвитиистановятся полимерные, волокнистые и композиционные материалы. Востребованностьвтакихматериалахобусловлена,соднойстороны,их высокимимеханическимихарактеристикамиидолговечностью,ас другой стороны – невозможностью обойтись без подобных технических решений в значительном прогрессе в прочных и облегченных конструкциях. Еще в конце XX века высокопрочные волокна (углеродные, стеклянные, арамидные и др.) применялись в основном в ответственных конструкциях и дорогостоящей спортивной экипировке.Запоследниетридесятилетиявысокопрочныеволокна

икомпозиты на их основе вошли в нашу жизнь и все чаще находят заменутрадиционнымконструкционнымматериаламвэнергетике, транспорте, электронике и других сферах деятельности.

11

1.2. Существующие и перспективные строительные конструкции из волокнистых композиционных материалов

Разберемболееподробносуществующиеиперспективныевиды строительных материалов и конструкций. Перечисленные виды материалов могут использоваться как в исходном виде, так и в комбинации друг с другом. Разделим материалы на группы и перечислим возможные варианты применения.

Первая группа – полимерные материалы, включает различные полимерныесмолы,какреактопластичные,такитермопластичные. Могут использоваться:

–для обработки поверхностного слоя бетона с целью защиты от влияния негативных воздействий окружающей среды;

–модификации структуры бетона с целью повышения характеристик (механических, химических и т. д.);

–в качестве самостоятельного конструкционного материала, например при производстве наливных полов;

–как пропитывающий состав для полимерной арматуры, армирующего текстиля, сеток и т. п.;

–в качестве матрицы в композиционном материале.

Вторая группа – волокнистые материалы, включает различные волокна, нити, ровинги, сетки, полотна как органического, так

инеорганического происхождения. Материалы данной группы находят применение:

–для изготовления строительных материалов – пультрузионная арматура, плоские и пространственные полотна, сетки

ирешетки;

–хаотичного армирования бетонных композитов (короткие волокна);

–непрерывного армирования бетонных композитов (сетки, решетки).

Третья группа – композиционные материалы, или композиты, в том числе различные сочетания волокнистой арматуры и полимерной матрицы. Основные области применения:

–полимерные композиты в виде профилированных сечений;

12

–тонкостенные легковесные бетонные композиты без металлической арматуры декоративного и конструкционного назначения;

–углепластики для усиления плит, колонн и т. п. Приведенная классификация демонстрирует, но не ограничи-

вает основные направления применения волокнистых, полимерных и композиционных материалов в строительстве. В сущности, современные разработки в области материаловедения могут противостоять любым вызовам, связанным с проблемами городского развития, изменений условий проживания и других явлений.

1.3. Свойства волокнистых конструкционных композитов

Структуру композита создают в соответствии с заранее определенной ориентацией в плоскости или пространстве и объемной долей волокон. Отличительной особенностью бетонных композитов является невысокая степень армирования, например при сравнениисполимернымикомпозитами.Заданнаяобъемнаядоля волокон определяется как [6]:

V=V f ,

Vc

гдеVf –объемволоконвкомпозите;Vc –общийобъемкомпозита. Объемная доля волокон в конкретной структуре зависит от переплетения нитей в материале. Объемная доля волокна в композиционном материале всецело влияет на его механические свойства. Теоретически максимальная объемная доля волокон в однонаправленном композите может составлять 90 %, однако на практике она максимально достигает 70 % из-за особенностейпроизводственногопроцесса,аобычнонаходитсявпределах 50–60 % [7]. В композитах, армированных коротким волокном, объемная доля волокон значительно меньше. В фибробетонном композитепроцентобъемаотвсегобетонасчитаетсянизкимпри значениях менее 1 %, умеренным – при 1–2 %, высоким – более 2 %, аналогичное процентное соотношение имеет и текстиль-

но-армированный бетон.

13

Механическиесвойстваармирующихволокнистыхматериалов существенноразличаютсявзависимостиоттипаволокна.Каждый тип волокна имеет свою отдельную область применения. Сравнительный анализ механических характеристик высокопрочных волоконпредставленнарис.1.1.Самымивысокимимеханическими характеристиками среди всех волокон обладают углеродные волокна.Основныедостоинстваихприменениясостоятввысоких механических характеристиках. При этом углеродные волокна по своимфизическимсвойствамтакжесущественноразличаются.Существуютразличныетипыуглеродныхволоконинитей,например высокопрочные, со стандартным модулем упругости, высокомодульные и сверхвысокомодульные (СВМ).

Каквидноизпредставленногоанализа,прочностьнарастяжениеимодульупругостиуглеродныхволоконлежатвдостаточно широком диапазоне. При этом если прочностные характеристики различаются не так значительно, то модуль упругости увеличивается весьма существенно. Если для обычных углеродных волокон модуль упругости сопоставим со значением для стали (200 ГПа), то для СВМ он может достигать значений

Рис. 1.1. Сравнительный анализ механических характеристик высокопрочных волокон

14

в 600–800 ГПа. То есть в три-четыре раза превышать модуль упругости стали. Для сравнения на данный график нанесены значениямодуляупругостидляиспользуемыхстальныхволокон (синяя линия) и возможных альтернатив в виде параарамидных волокон (желтая линия), волокон высокомодульного полиэтилена (зеленая линия). Несмотря на более низкое значение модуля упругости, данные виды волокон обладают достаточно хорошей устойчивостью к изгибным воздействиям и обладают неоспоримымпреимуществомпосравнениюсхрупкимилегкоповреждаемыми углеродными волокнами.

Кроме того, основным преимуществом использования высокопрочных волокон и композитов является их высокая удельная прочностьижесткость.Удельнаяпрочность(отношениепрочности к весу) может быть определена по формуле

σS = σγ МПa / смг 3 .

Удельнаяжесткость(отношениемодуляупругостиквесу)может быть определена по формуле

Сравнительный анализ свойств материалов по удельной прочности и удельной жесткости представлен на рис. 1.2.

Следуетотметить,чтосвойствауглеродныхкомпозитовприведеныпоотношениюкиххарактеристикамввидекомпозита,которыегораздоменьше,чемсвойстваисходныхуглеродныхволокон. Основная причина этого состоит в повреждаемости углеродных волоконприихпереработкеиз-захрупкости.Однакопоудельным показателям прочности и жесткости углепластики превосходят практическивсенаиболееширокоиспользуемыеконструкционные полимерные и металлические материалы.

Помимо этого, в строительных конструкциях используется много различных видов синтетических волокнистых материалов. Их механические свойства не такие высокие, однако они находят

15

Рис. 1.2. Удельная прочность и жесткость конструкционных материалов

свою нишу применения в строительных конструкциях, например в волокнисто-армированном бетоне, воздухоопорных и тентовых конструкциях.

2.ВОЛОКНИСТО-АРМИРОВАННЫЙ БЕТОН

2.1.Структура волокнисто-армированного бетона

Волокнисто-армированный бетон (ВАБ), или фибробетон, активно используется как конструкционный материал на протяжении полувека. Данное обстоятельство обусловлено непрерывным поиском инженеров-строителей более эффективных конструкционных материалов на основе бетона. Ввиду этого конструкции с применением волокон получают все большее распространение, главным образом из-за существенного улучшением механических свойств композитов на их основе по сравнению с традиционными конструкционнымиматериалами.Врядеслучаевфибразаменяетсобойтрадиционнуюарматурулибожедополняетее,снижаявесконструкцииирасходстали.Добавлениеволокнавбетонобеспечивает

16

сравнительно малые финансовые затраты, при этом наблюдается улучшениетакихсвойств,кактрещиностойкость,ударостойкость, истираемость, что обуславливает также увеличение остаточной прочности конструкций. Также повышается долговечность бетона, что способствует глобальному снижению его производства и, как следствие, уменьшению количества вредных выбросов при его изготовлении. Использование фибробетонов с различными характеристиками ведет к интенсификации процессов, повышению качестваиснижениюресурсопотребленияпристроительственовых, реконструкциииреставрациисуществующихобъектов.Нарис.2.1 показаныкороткиеполимерныеволокна.Основныепреимущества армирования коротким волокном перед обычным армированием состоят в следующем:

‒равномерноераспределениеволокнистойарматурывбетоне;

‒произвольнаяориентацияволокна,обеспечивающаяизотропность материала;

‒стойкость к коррозии (особенно при использовании синтетического волокна);

‒снижениетрудоемкостизасчетотсутствияарматурныхработ;

‒отсутствиеограниченийпоформеизготавливаемыхэлементов конструкций.

Рис. 2.1. Полимерное волокно (фибра)

17

Вследствие большого разнообразия волокон тип или комбинация армирующего волокна с определенными свойствами может быть выбрана исходя из желаемых свойств ВАБ. Кроме того, учитывается доступность волокна того или иного типа в конкретной местности.Кпримеру,внекоторыхюжныхстранахэкономически эффективно использовать джутовое или сизалевое волокно, имеющее низкую стоимость и изготавливаемое из возобновляемых ресурсов [8]. Также в качестве арматуры могут применяться переработанные материалы.

Широкийспектрматериалов,изкоторыхизготавливаетсяВАБ, условно можно разделить на четыре группы:

1)металлические волокна;

2)неорганические волокна;

3)синтетические волокна;

4)натуральные волокна.

2.2. Геометрические характеристики волокна

Геометрические характеристики волокна влияют в основном на механизм взаимодействия волокна и бетонной матрицы, что в своюочередьвлияетнасвойстваконечногокомпозита.Основные значимые геометрические характеристики волокна включают:

–длину волокна;

–диаметр или эквивалентный диаметр волокна;

–отношение длины к диаметру;

–форму (поперечного сечения и продольную).

Рассмотрим более подробно геометрические характеристики волокон.

Диаметридлинаволокна.Посколькупоперечноесечениеволокнаимеетразличныеформы(рис.2.2),тодляволоконснекруглыми поперечными сечениями используется понятие эквивалентного диаметра. Эквивалентный диаметр–диаметрокружности,имею- щей ту же площадь, что и реальное поперечное сечение волокна. Волокна со сравнительно малым эквивалентным диаметром имеют меньшую изгибную жесткость и способны, соответственно, находясь в бетонной смеси в пространстве определенной формы,

18

Рис. 2.2. Виды поперечного сечения волокна

изменятьформувзависимостиотрасположениячастицбетона.Волокнасосравнительнобольшимэквивалентнымдиаметромимеют большуюизгибнуюжесткость,засчетэтогоониоказываютвлияние напроцессуплотнениязаполнителявовремязамешиванияилитья бетоннойсмеси.Диаметрнаиболеечастоиспользуемогостального волокна–от0,2до1мм,длина–от10до60мм.Диаметрсинтети- ческой фибры варьируется в гораздо более широких пределах: от 10 мкм (параарамидные) до 1 мм (полипропилен).

Такжеотносительноданныхгеометрическихпараметровволокно, используемое в бетонных композитах, можно разделить на ма- кро-имикрофибру.Еслидлинаволокнабольше,чеммаксимальный размерзаполнителя(какминимумвдваразаприналичиикрупного заполнителя),адиаметрзначительнобольше,чеманалогичныйпоказатель зерен цемента (который обычно меньше 50 мкм), то речь идет о макрофибре. Если диаметр волокна того же порядка, что и диаметрзеренцемента,адлинаменьшемаксимальногоразмеразаполнителя,тотакоеволокноклассифицируетсякакмикрофибра[9].

Отношение длины к диаметру. Отношение длины к диаметру

(ОДД) – это величина, характеризующая гибкость отдельного волокна. Она подсчитывается делением длины фибры на ее эквивалентный диаметр. Фибра для ВАБ может иметь соотношение приблизительно от 40 до 1000, но обычно оно лежит в диапазоне от 40 до 100. Этот параметр также является мерой жесткости и влияет на процессы замешивания и литья. ОДД напрямую влияет насцеплениеволокнасматрицей,крометого,чемвышеОДД,тем вышепрочность.Дляулучшениясцеплениясбетономнеобходимо высокоеотношениедлиныкдиаметру,носуществуетограничение, приlf/df >100равномерноераспространениеидисперсияволокон по объему затрудняется, наблюдаются скопления волокон, что приводит к снижению механических характеристик ВАБ.

19

Рис. 2.3. Виды продольной геометрии волокна

Формаволокна.Дляулучшениясцеплениясбетоннойматрицей форма волокна может модифицироваться как по поперечному сечению, так и по длине волокна. Можно выделить следующие конфигурации поперечного сечения: круглое, эллиптическое, прямоугольное, квадратное, треугольное, многоугольное, неправильной формы (см. рис. 2.2). В зависимости от формы поперечного сечения меняется отношение между площадью поперечного сечения волокна и его длиной. По форме в продольном сечении волокнаделятсянапрямые,сотгибами,с«лопатками»,с«ручками», волновые,зубчатые,зазубренные,дугообразные,конусообразные, неправильной формы, закрученные (рис. 2.3).

Некоторые из этих параметров характерны для волокон определенных типов, например продольная форма с анкерами в виде отгибов присуща стальной фибре. Необходимо отметить, что по структуреволокнаможноразделитьнамонофиламентныеисгруппированные(фибриллированные,закрученные,склеенныеидр.), причем,например,полипропиленовоеволокноиспользуетсявразличных формах.

2.3. Металлические волокна

Металлические волокна, как правило, производятся из углеродистойилинержавеющейстали.Используютсяонивусловиях, гденеобходимастойкостьккоррозиииликповышеннымтемпературам[10].Стальноеволокнообычноимееткруглоепоперечное сечение, диаметр от 0,2 до 1 мм, длинуот 10до60мм, отношение

20