Строительные конструкции из волокнистых композиционных материалов

длины к диаметру менее 100 (как правило, от 40 до 80). Прочность на растяжение варьируется в пределах от 200 до 2 600 МПа, максимальное относительное удлинение – от 2 до 25 %. Предел прочности значительно выше значения, требующегося для усиления матрицы, что может оказать неблагоприятный эффект на эффективностьармированиябетона.Испытаниянавыдергивание волокна показывают, что в матрицах с малой прочностью высокопрочные волокна сильнее дробят бетон вокруг точки выхода волокна.

Одним из главных преимуществ использования стальной фибры является ее высокий модуль упругости, составляющий около 200 ГПа, что значительно увеличивает механические характеристики ВАБ. Один из основных недостатков стального волокна – подверженность коррозии, что негативно влияет на свойства ВАБ. Однако влияние коррозии не столь велико, как на традиционном железобетоне, так как фибра дисперсно распределена в матрице. Стальные волокна зачастую имеют увеличивающие сопротивление коррозии покрытия, например из цинка. При растяжении разрушение ВАБ со стальной фиброй происходит либо после разрыва волокна, либо после его выдергивания из бетона.

2.4. Неорганические волокна

Неорганические волокна включают, главным образом, стеклянные, базальтовые и углеродные волокна. Их отличительной особенностью является высокое значение модуля упругости, сопоставимоесозначениемдлястальныхволокон.Попыткиприменения стекловолокна в качестве армирующей фибры в бетонных композитах проводились с начала 1960-х годов. Однако исследования показали, что такие волокна быстро теряют прочность вследствие слабой устойчивости к воздействиям щелочной среды. Поэтому стекловолокно практически не использовалось в ВАБдопоявлениящелочестойкогостекла(ЩС)(AR-glass).Всо- став ЩС-стекла добавляется химически стойкий керамический

21

материал–цирконий,чтоотличаетегооттрадиционногобороси- ликатногостеклатипаЕ(E-glass).Стеклянныеволокнаобладают достаточновысокойпрочностьювнесколькотысячМПа,низким удлинением при разрыве до 5 % и высоким значением модуля упругости в 70 ГПа.

ВпоследниегодывсечащеприизготовленииВАБиспользуется базальтовоеволокно.Егомеханическиесвойствасравнимыспоказателями стекловолокна. Также оно примечательно своей низкой стоимостьюивысокимимеханическимихарактеристиками.Значительнолучшимимеханическимихарактеристикамиобладаетуглеродноеволокно.Оноизготавливаетсякаквобычномварианте,так иввысокомодульном.Прочностьнарастяжениевысокомодульного волокна может достигать 5000 МПа, модуль упругости – 800 ГПа, что превышает аналогичные показатели не только других видов синтетического, но и стального волокна. Однако достижение таких высоких показателей отрицательно сказывается на стоимости бетонных конструкций.

2.5. Синтетические волокна

Синтетическиеволокнаявляютсяпродуктомнефтехимической отрасли промышленности. Их использование в качестве армирования бетона находит все большее применение. Синтетические волокна для ВАБ изготавливаются из органических полимеров, в сочетании с портландцементом используются следующие виды волокон:

–акриловые;

–арамидные;

–полиамидные;

–полиэфирные;

–полиэтиленовые;

–полипропиленовые;

–поливиниловый спирт (ПВС).

Механическиесвойствасинтетическойфибры,такиекакпрочность на растяжение и модуль упругости, варьируются в широких

22

пределах.Модульупругости,какправило,имеетменьшеезначение, чем соответствующий показатель цементной матрицы. Только за исключением арамидных волокон, которые стоят гораздо дороже. Несмотря на это, механические свойства бетонного композита могут быть значительно улучшены, например повышаются деформируемость, ударостойкость и трещиностойкость. Диаметр синтетическихволоконможетсоставлятьотдесятковмикрометров до нескольких миллиметров. Ниже рассмотрим наиболее распространенные типы синтетических волокон.

Полипропиленовое (ПП) волокно производится в виде монофиламентов или фибры. Преимущества ПП-волокна – щелочестойкость,относительновысокаятемператураплавления(165°С), дешевизнаматериала,недостатки–плохоесцеплениесматрицей, чувствительностьксолнечномусветуикислороду,низкиймодуль упругости,малаяогнестойкость.Существуютразнообразныеспособы армирования ПП-волокном цементных композитов. При использовании в тонкослойных конструкциях оно может играть рольосновногоармирования,дляэтогонеобходимосравнительно

Рис. 2.4. Поперечное сечение и общий вид ПП-волокна

23

высокоесодержаниеволокнавсмеси,около5%.Нарис.2.4представлено поперечное сечение и общий вид ПП-волокна.

Также представляет интерес полиэтиленовое волокно. Такое волокнодобавляетсявбетонвколичестведо4%отобъемасмеси, прииспользованиистандартнойтехникизамешивания.Дляулучшениясцеплениятакоеволокнозачастуюпредварительнодеформируется.Прочностьнарастяжениятакоговолокна,какправило, находится в пределах 80–600 МПа, модуль упругости – около 5 ГПа, что также меньше значения модуля упругости бетонной матрицы. Нередко в фибробетоне используется и полиамидное волокно, часто в качестве замены полипропиленовому. Полиамидныеволокнаустойчивыкповышеннымтемпературамисвету, обладаютщелочестойкостью,пределпрочностисоставляетоколо 500 МПа, модуль упругости – около 8 ГПа. При проектировании конструкций необходимо учитывать, что полиамидные волокна являются гидрофильными, то есть их свойства существенно зависят от влаги.

2.6. Натуральные волокна

Использование натурального волокна в бетонных композитах обусловленоегодешевизнойвсочетаниисприемлемымимеханическимихарактеристиками.ДляпроизводстваВАБснизкойстоимостью используется деревянное волокно из бамбука и сахарного тростника,такжеприменяютсятакиематериалы,какджут,сизаль, кокос,шелк,шерсть,хлопокит.д.Однимизглавныхпреимуществ использованияволокнаданноготипаявляетсяэкологичность,однако механические свойства композитов с натуральным армирующим волокном, как правило, уступают характеристикам ВАБ с синтетическойфиброй.Натуральноеволокночувствительноксодержаниювлаги,иегосвойствамогутухудшатьсявщелочнойсреде ивусловияхпродолжительнойгидратациицемента.Кпримеру,при повышении влажности прочность и модуль упругости волокон из целлюлозной массы уменьшаются, хотя при этом увеличивается их работа на разрыв.

24

2.7. Свойства волокнисто-армированного бетона

Как было сказано ранее, добавление волокон способствует значительному улучшению механических характеристик бетона. Свойства бетона зависят от типа волокна, его формы и свойств, а также определяются процентным объемным содержанием волокна. Концентрация фибры внутри ВАБ варьируется от десятых долей процентов до нескольких процентов. Целесообразно классифицировать ВАБ по проценту объема волокна, т. к. этот фактор значительно влияет на процессы замешивания, литья, а также на прочностные характеристики бетона. Процент объема от всего бетона считается низким при значениях более 2 %, уме- ренным–при1–2%,высоким–более2%.Концентрацияфибры влияет на выбор технологии производства ВАБ. Надо заметить, чтонизкоесодержаниефибрыхорошоподходитдлязамешивания

сиспользованиемобычногооборудованияилитья.Болеевысокие концентрации волокна часто требуют специальных технологий замешивания и литья [11]. Также от доли волокон зависит область применения. При низкой объемной доли ВАБ используется для устройстваплититротуаров,присреднемсодержанииулучшается стойкостькрастрескиваниюиусталостномусопротивлению,апри высокомсодержанииволокнаувеличиваетсянесущаяспособность.

Добавление волокна в бетон также влияет на его механическое поведение. На рис. 2.5 показано поведение исходного (неармированного) бетона и ВАБ. Главным достоинством ВАБ является гораздо большая остаточная несущая способность по сравнению

сисходным бетоном.

Механическиесвойстваволокнавключаютвсебяпределпрочностинарастяжение,модульупругости,деформациюприразрыве, адгезию поверхности. Физико-химические свойства волокна – плотность,шероховатостьповерхности,химическаястабильность, химическоевзаимодействиесцементнойматрицей,огнестойкость. Такжеприменительнокволокнамиспользуетсятакойпоказатель, каклинейнаяплотность,измеряемаявтексах,тоестьвграммахна километр длины волокна. Ниже представлена табл. 2.1 с характеристикамиволоконразличныхтиповдляармированиябетона[9].

25

Строительные конструкции из ВАБ применяются в качестве:

–усиленного фундамента;

–опалубки;

26

–межкомнатных перегородок;

–оконных и дверных перемычек;

–для оформления фасадов;

–шумозащитных щитов;

–чаш бассейнов;

–резервуаров;

–элементов малой архитектуры.

3.ТЕКСТИЛЬНО-АРМИРОВАННЫЙ БЕТОН

3.1.Структура текстильно-армированного бетона

Использованиетекстильныхсетоквкачествеармирующегоком- понентавнутритонкихбетонныхпанелейначалосьв1990-хгодах. Технология реализована подобно армоцементам [12] и пришла из многослойных структур, широко используемых при производстве полимерныхкомпозиционныхматериалов.Современныетекстильные технологии дают возможность производства разнообразных сеток технического назначения, обладающих большой гибкостью припроектированиигеометрииизделий.Ориентациянитейвтекстильнойарматуреможетбытьвдвухитрехнаправленияхдействия нагрузки,такжеарматураможетсостоятьизнитейразличноготипа

вструктуреоднойитойжесетки.Всевидытекстильныхтехнологий пригодны для производства сеток технического назначения.

Вотличие от дискретных волокнистых наполнителей именно

втекстильных сетках могут быть широко реализованы свойства высокопрочных и высокомодульных нитей и ровингов. Механизм работыармирующеговолокнавбетоннойматрицесильноотличаетсяотмеханизмаработывполимернойматрицепопричинетого, чтоудлинениебетоннойматрицызначительноменьшеудлинения самихволокон.Поэтомувбетонныхкомпозитахматрицаразрушаетсяраньше,чембудутреализованыпрочностныесвойстваволокна. В полимерных композитах матрица обычно более пластичная, чем волокно. Существенным преимуществом также является то, что волокно будет способно воспринимать нагрузку уже после

27

Рис. 3.1. Сравнениехаотичного(а)инепрерывного(б)армирования

образованиятрещиныиразрушенияматрицы.Нарис.3.1наглядно показаноотличиехаотичногоармированиякороткимволокномот непрерывного нитями или полотном.

3.2. Сетчатая арматура для текстильно-армированного бетона

Сетчатаяарматурадлятекстильно-армированногобетона(ТАБ) взависимостиоттехнологииизготовленияподразделяетсянаплоскую и пространственную [3]. Нити в плоских сетках ориентированы в одной плоскости и способны воспринимать нагрузку, как правило, в одном или двух направлениях. Свойства таких сеток зависят от свойств составляющих их нитей и выбранной технологии производства. Текстильные нити, ориентированные в пространстве, могут воспринимать приложенные усилия не только в плоскостисетки,нотакжевнаправленииеетолщины.Трехмерные структуры вырабатываются аналогичными с плоскими структурами способами, но при условии применения дополнительных технологических приемов, таких как введение дополнительных нитей в направлении толщины и др. Наиболее востребованными являются тканые и основовязаные полотна. На рис. 3.2 показаны плоскаяипространственнаяармирующиесетки,используемыедля изготовления текстильно-армированного бетона.

Текстильные сетки из них могут быть покрыты различными полимерными покрытиями. Текстильная арматура покрывается клейким полимерным составом, вследствие чего получается пропитаннаясеткаилиполотноспокрытием,вкоторомвсевнутренние филаменты приобретают прочные связи друг с другом. Механические свойства таких нитей и сеток значительно лучше

28

Рис. 3.2. Плоская (а) и пространственная (б) армирующие сетки

по сравнению с непропитанными за счет равномерного распределения усилий в поперечном сечении сетки и большего числа активных филаментов.

3.3. Функции и области применения текстиль-бетонных конструкций

В строительных работах часто возникает необходимость созданиялегкихконструкций,такихкакарки,перекрытиявходов, навесы, козырьки, карнизы, и ряда декоративных элементов – бордюров, рельефов и т. п. Конструкционные композиты на текстильной основе становятся передовым строительным материалом, особенно подходящим для разнообразных легковесных строительных конструкций. Основная область их применения находится там, где применение стальной арматуры ограничено. Данныебетонныекомпозитымогутизготавливатьсястолщиной от10мм,чтоневсегдаможетбытьдостигнутосиспользованием стандартной стальной арматуры из-за необходимого защитного слоя. Более того, из-за исключительно выгодного соотношения весаипрочностиданныекомпозитымогутбытьвесьмаполезнымиприпроизводстветонкостенныхстроительныхконструкций, реставрацииразличныхархитектурныхэлементов,приусилении

иармировании стен старых зданий, а также при изготовлении

иреставрационном восстановлении различных фасадных элементов.

29

К существующим областям применения ТАБ относятся:

–теплоизоляция фасадов с применением ТАБ-панелей;

–элементы обустройства городского хозяйства (скамейки, заборы и ограждения и т. д.);

–ограждающие шумопоглощающие экраны;

–элементы обустройства городского хозяйства (водоотводные лотки, трубы, ограждения и т. д.);

–армирование слоев асфальтобетонных дорог;

–восстановление несущей способности инфраструктурных объектов путем внешнего армирования в растянутых зонах;

–восстановление опор с применением оболочек из ТАБ.

К перспективным областям применения ТАБ можно отнести:

–армирование внешних слоев армирующего каркаса опор

ипролетных строений мостов;

–дорожные плиты, технологические настилы и т. п.;

–технологические накопители и емкости;

–армокаркасы купольных сооружений;

–висячие конструкции;

–армирование внешних слоев сводов тоннелей и подпорных

стен;

–объекты береговой инфраструктуры морских сооружений;

–технологическиеобъекты,требующиеисключениястального армирования из-за электромагнитных полей (электрические подстанции, различное оборудование).

На рис. 3.3 представлена классификация текстиль-бетонных конструкций в зависимости от способа возведения. Текстиль-бе- тонныеконструкцииможноразделитьнатриосновныхвида.Пер- вое,этосборныетекстиль-бетонныеконструкции,которыепреоб- ладаютвнастоящеевремя.Второе,этомонолитныеконструкции, которыеещепокамалоразвиты.Итретье,этосборно-монолитные текстиль-бетонные конструкции, которые представляют собой сочетание как сборных элементов, так и монолитных бетонных конструкцийдляукладкинаместестроительствамонолитногобетона.Еслимырассмотримнаиболеепопулярныевнастоящеевремя сборныеконструкции,тосрединихможновыделитьдваосновных

30