Фибра «Стигма» для армирования конструкций и сооружений с повышенной анкерующей способностью

Фибра «Стигма» для армирования конструкций и сооружений с повышенной анкерующей способностью (ООО НПО «Магнитогорск Фибра-Строй»)

Область применения:

Дорожное покрытие

Бетонное дорожное покрытие работает как плита на упругом основании, что приводит к неупругим деформациям конструкции и вызывает прогрессирующее во времени трещинообразование. Кроме того, необходимо учитывать тяжелые условия эксплуатации дорожных покрытий, когда конструкция подвергается переменному воздействию высоких и низких температур, циклическому замораживанию и оттаиванию, интенсивным ударным и динамическим нагрузкам. В таких условиях, именно сталефибробетон, как материал обладающий повышенными прочностными свойствами, трещиностойкостью, водонепроницаемостью и морозостойкостью может являться альтернативной заменой обычному бетону.

Длительная эксплуатация дорожной одежды приводит к образованию выколов бетона в рабочих швах монолитных покрытий и местах сопряжения сборных дорожных плит. Применение сталефибробетона, в этом случае, позволяет повысить долговечность стыков и снизить эксплуатационные расходы на их ремонт.

Расход фибры при устройстве дорожной одежды (далее под термином дорожная одежда понимается не только дороги, но и полы промышленных зданий и дорожные покрытия мостов) составляет порядка 60 — 80 кг на куб.м. бетона. Для дорожной одежды наиболее подходящим является фибра из стали 08кп.

Приведенные ниже расчеты сталефибробетонного дорожного покрытия выполнены специалистами Расчетно- конструкторского отдела «Южуралакадемцентра» Российской Академии Архитектуры и строительных наук (РААСН) и Институтом «Челябинскметротранспроект».

По результатам расчетов получено, что применение сталефибробетона позволяет снизить:

• стоимость 1 кв.м. бетонного покрытия — минимум на 8,1 руб;
• транспортные расходы — на 22,5%;
• трудоемкость работ при устройстве покрытия — на 28%;
• получить экономический эффект от эксплуатации в течение 30 лет 1 кв.м. сталефибробетонного дорожного покрытия в размере 27,7 руб.

Сталефибробетон показал эффективность в сборных конструкциях дорожных покрытий. Расчеты выполненные ЛатНИИстроительства и ГПИ «Союздорпроект» показывают, что применение дорожных плит размерами 6000x2000x140 мм с применением сталефибробетона взамен типовых железобетонных позволит увеличить срок их службы в 2 раза, сократить расход металла на 7% и цемента на 7,5%.

Опыт изготовления сталефибробетонных плит показал, что при их изготовлении сохраняется технологический режим конвейерного производства завода-изготовителя. При этом из конструкции изделия исключаются пролетные арматурные сетки с заменой последних на послойное фибровое армирование.

Испытания плит внешней нагрузкой на стенде завода-изготовителя показали более высокие результаты, чем плиты изготовленные согласно типовому проекту. Многолетние наблюдения за плитами, уложенными в дорожные покрытия показывают справедливость теоретических предположений о долговечности сталефибробетона в конструкциях дорожных одежд.

Тоннельное строительство

Применение сталефибробетона в тоннельном строительстве позволяет повысить прочность обделок и безопасность всей конструкции, снизить трудоемкость и стоимость конструкций, повысить технологичность производства работ.

Опробована фибронабрызгбетонная крепь на перегонном тоннели на линии метро «Киевская» — «Парк Победы» Московского метрополитена. При одинаковой толщине покрытия из набрызгбетона и фибронабрызгбетона экономический эффект достигается за счет отказа от металлических арок (представляющих собой три изогнутых арматурных стержня и располагающихся через каждый метр проходки) и арматурной сетки (состоящей из стержней диаметром 6 мм с ячейкой 100×100 мм). Снижается расход металла (до 150 кг на 1м конструкции), увеличивается скорость проходки, снижается «отскок» материала. Аналогичные результаты получены при возведении фрагментов временной крепи из торкретфибробетона тоннеля метро на станции «Бажова» г.Екатеринбург.

В Челябинске был выполнен фрагмент опытного участка тоннеля метро на станции «Торговый Центр» с применением сталефибробетона. Расчет постоянной обделки тоннеля метро был выполнен институтом «Челябметротранспроект» с использованием САПР «Муссон». В результате было получено, что толщина временной крепи снижается со 100 мм до 80 мм, толщина постоянной обделки снижается на 50 мм (до 200 мм), а общий вес армоконструкций на 1 п.м. снижается с 251 кг до 107 кг.

На Очаковском заводе Мосметростроя изготовлено более тысячи замковых блоков из сталефибробетона для сборной обделки перегонных тоннелей метрополитенов. Применение сталефибробетона позволило повысить трещиностойкость этих конструкций в 1,5 раза

Сваи

Для восприятия напряжений возникающих в оголовках железобетонных свай при забивке предусматривается конструктивное армирование их концевых участков сварными поперечными сетками. Однако, во многих случаях, это не обеспечивает требуемую ударную прочность, вследствие чего невозможно осуществить забивку сваи до проектной отметки в связи с преждевременным разрушением оголовка, а иногда и ствола сваи. Указанные недостатки можно устранить, если использовать в оголовке и острие сваи сталефибробетон.

Применение сталефибробетона в сваях снижает трудоемкость и стоимость изготовления свай, существенно повышает их ударостойкость, что позволяет бездефектно погружать сваи в грунт до проектных отметок и исключает необходимость применения свай-дублеров. При этом погружение свай может осуществляться с повышенной энергией удара, что уменьшает время погружения до 60%. Как показали испытания, ударостойкость таких свай в 4-5 раз выше, чем типовых.

На основании статистических данных институт «Фундаментпроект» установил, что при производстве сталефибробетонных свай экономия бетона достигает 14%, снижение стали — на 10%, трудозатрат — на 17%. Снижение трудозатрат на каждые 10 тыс. куб.м. забиваемых свай — 3 тыс. чел.-дней.

Конструкции инженерных сооружений

Применение сталефибробетонных лотков для водоснабжения и водоотведения взамен типовых железобетонных позволяет полностью отказаться от использования арматуры, что дает экономию приведенных затрат — до 50%, трудоемкости изготовления — в 2 раза, бетона — в 2 раза, стали — до 15%.

Применение сталефибробетона в изделиях круглых колодцев (кольцах, плитах покрытий) позволяет снизить расход бетона по сравнению с аналогичными железобетонными конструкциями на 25-30% при примерно равном расходе стали. Стоимость сталефибробетонных конструкций снижается от 11 до 27%, а затраты труда — в среднем на 20%.

По данным НИИЖБ применение сталефибробетона в безнапорных трубах диаметром 1000 и 1200 мм взамен типовых может дать экономию стали — до 50%, бетона — до 15%, трудоемкости — до 3 чел.-час/куб.м. Как показали испытания, несущая способность сталефибробетонных труб выше в 1,5 — 2 раза несущей способности типовых железобетонных труб.

Технические характеристики:

Производство фибры «Стигма» осуществляется из качественного стального листа, изготовленного на лучших металлургических заводах России. Временное сопротивление фибр разрыву находится в диапазоне 510 — 850 МПа и зависит от марки исходного металла. Возможно производство фибры из жаропрочных (нержавеющих) сталей для армирования теплостойких конструкций и сооружений. Геометрические и прочностные свойства нашей фибры регламентированы ТУ 0991-123-46854090-2001.

Фибра выпускается длиной L = 20, 30 и 40 мм и условным диаметром d = 0,6 … 0,8 мм (рис.1). В соответствии с требованиями заказчика геометрические размеры фибр могут быть иными.

Рис. 1. Фибра «Стигма»

Фибру отличает высокое качество сцепления с бетоном. Этому способствует уникальная форма ее боковой поверхности, напоминающая объемную зигзагообразную кривую. По своей анкерующей способности фибра «Стигма» существенно превосходит фибру из проволоки и фибру, получаемую путем фрезерования слитка.

Результаты комплексных испытаний физико-механических свойств бетонов, армированных фиброй «Стигма«, при прочих равных условиях, на 12-15% превосходят эти же показатели для бетонов армированных другими типами стальных фибр.

Фибра «Стигма» равномерно распределяется в бетонной смеси, не комкуется при перемешивании в бетоносмесителях различного типа, в том числе и в автобетоносмесителях. Фибра легко распушается после длительного хранения и транспортирования. Это исключает трудоемкие процессы при ее введении в бетонную смесь и делает фибробетонную смесь идеально однородной.

Фибра поставляется в коробках по 20 кг, установленных на европоддонах и покрытых стрейч-пленкой. Общий вес поддона с фиброй — 900 кг (45 коробок). Возможна поставка фибры отдельными коробками.

Физико-механические свойства

ТУ 0991-123-53832025-2001

Настоящие Технические Условия распространяются на стальную фибру, получаемую путем резки стального листа и предназначенную для дисперсного армирования бетонов и растворов на гидравлических вяжущих.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

1.   Стальная фибра изготавливается на станке марки СФЛ-96.00.00 в соответствии с требованиями настоящих ТУ по технологической документации, утвержденной в установленном порядке.

2.   Фибра представляет собой отрезки стального волокна, и, в зависимости от свойств исходной стали, конструкции рабочего инструмента и заданных технологических режимов, может быть следующей формы в виде:

o        призматического бруска с прямолинейной продольной геометрической осью;

o        призматического бруска с прямолинейной продольной геометрической осью, скрученного вокруг продольной оси на произвольный угол, при этом число скруток не регламентируется;

o        призматического бруска, изогнутого в продольном направлении по пологой винтовой линии; при этом шаг винтовой линии и количество витков по длине не регламентируются.

3.   Для изготовления фибры используют холоднокатаную сталь марок 08кп, ст.20 по ГОСТ 19904.

4.   Основные параметры и размеры.

Стальную фибру в зависимости от геометрических параметров сечения изготавливают двух модулей с размерами, указанными в табл.1.

Таблица 1.

Боковая поверхность фибр должна иметь периодический профиль в виде впадин и выступов, расположенных с шагом 3-6 мм.

Фибру изготавливают двух классов по прочности в зависимости от временного сопротивления растяжению:

§ первый класс соответствует временному сопротивлению растяжению фибры из стали 08кп;

§ второй класс соответствует временному сопротивлению растяжению фибры из стали ст.20.

Временное сопротивление растяжению фибры и начальный модуль упругости должен быть не менее величин, приведенных в табл.2.

Таблица 2.

Фибру обозначают марками, которые состоят из буквенно-цифровых групп, разделенных дефисами. Первая группа содержит обозначение модуля геометрических параметров, сокращенное название стальной фибры из листа (ФЛ) и класс фибры по прочности. Во второй группе приводят соответственно номинальную толщину и ширину поперечного сечения фибры и её длину в мм.

Пример условного обозначения стальной фибры модуля — 2, класса по прочности — 2, толщиной поперечного сечения 0,4 мм, шириной — 0,6 мм и длиной 40 мм.

2ФЛ2 — 0,4/0,6/40ТУ 0991-123-53832025-2001

Фибра должна выдерживать не менее двух загибов на 90(о) вокруг оправки диаметром 3 мм.

Отклонение размеров фибры по длине не должно превышать ±1 мм. При этом количество фибр, не удовлетворяющих этому требованию, не должно превышать 15% от общего.

На поверхности фибр не должно быть смазки и грязи. Допускаются следы технической смазки и налета ржавчины. За налет ржавчины принимают её слой, удаляемый ветошью.

Поверхностные дефекты (риски, царапины, заусенцы) не являются браковочными признаками.

Маркировка.

На каждом упаковочном месте или ярлыке, прикрепленном к упаковке, должны быть указаны товарный знак или наименование и товарный знак предприятия-изготовителя, условное обозначение фибры, масса нетто и брутто, клеймо технического контроля.

Сравнительные испытания анкерующей способности фибр

Инструкция по применению:

Сталефибробетон

Серьезное улучшение прочностных свойств и эксплуатационной надежности железобетонных конструкций при использовании традиционных технологий их строительства и ремонта представляется весьма проблематичным.

В тоже время известны методы значительного повышения рабочих характеристик и эксплуатационного ресурса вышеперечисленных конструкций за счет применения при их изготовлении сталефибробетона, т.е. бетона с добавлением стальных волокон (фибр).

Сталефибробетон обладает набором специфических свойств, существенно превосходящих свойства обычного бетона и в мировой практике занимает значительную долю (12 — 15%) в общем объеме используемого бетона, для чего налажено серийное производство стальных фибр порядка 350-400 тысяч тонн в год. При этом сталефибробетон не следует считать модификацией обычного бетона, так как это новый материал, обладающий соответствующими качественными и количественными свойствами.

Правильно приготовленный сталефибробетон по сравнению с неармированным бетоном имеет ряд преимуществ:

• повышение прочности при сжатии до 25%;
• повышение прочности на растяжение при изгибе до 250%; повышение прочности при осевом растяжении до 60-80%; повышение сопротивления удару до 10-12 раз;
• повышение модуля упругости до 20 %;
• повышение долговечности конструкций и увеличение межремонтного цикла при их эксплуатации в 1,8+2,0 раза;
• повышается морозостойкость, водонепроницаемость, сопротивление знакопеременным температурам, сопротивление абразивному износу и др.
• фибровое армирование придает бетонной матрице пластический характер разрушения и повышенную трещиностойкость.

Области применения сталефибробетона можно определить технико-экономической эффективностью, которая обуславливается наиболее полным использованием его преимуществ по сравнению с обычным бетоном и железобетоном:

• монолитные и сборные покрытия дорог, настилы мостов, берегозащитные элементы; взлетно-посадочные полосы аэродромов;
• постоянная и временная обделка сводов тоннелей, в том числе и метрополитенов;
• фундаменты под оборудование ударного и динамического действия (тяжелые прессы, молоты, прокатные станы и т. д. );
• конструкции сборного железобетона (сваи, лотки, трубы, шпалы, сборные плиты дорог и промышленных полов, тротуарная плитка различной конфигурации, бордюры, разделительные полосы, водопропускные трубы, шумозащитные панели, тонкостенные покрытия автобусных остановок и т.д.);
• фортификационные сооружения; банковские сейфы и хранилища ценностей;
• сборные и монолитные гаражи с высокой устойчивостью к взлому; различные конструкции из торкретбетона.

После трагических событий 11 сентября 2001 года в г.Нью Йорке, ведущие специалисты США работающие в области бетона и железобетона считают, что подобных потрясений можно было бы избежать, будь несущие и ограждающие конструкции взорванных объектов выполнены из сталефибробетона (журнал Rock Products, Строительная газета № 9646). В связи с этим, в США интенсивно проводится широкий спектр исследований в области внедрения сталефибробетона при возведении объектов транспортного, промышленного, гражданского, энергетического строительства и сооружений объектов оборонного назначения.

При возведении железобетонных конструкций из традиционного бетона наиболее трудоемкими являются арматурные работы. Изготовление сеток, каркасов, установка арматуры и ее закрепление в проектное положение, необходимость обеспечения защитного слоя бетона приводят к значительным затратам труда. Применение сталефибробетона в ряде случаев дает возможность исключить из конструкций часть, а иногда и полностью отказаться от традиционной стержневой арматуры и заменить ее фибровой. Эффективность применения сталефибробетонных конструкций в этих случаях может быть достигнута за счет снижения трудозатрат на арматурные работы, сокращения расхода стали и бетона (за счет уменьшения толщины конструкций), совмещения технологических операций приготовления бетонной смеси и ее армирования, что, в конечном итоге, приводит к снижению трудоемкости изготовления конструкций на 25-27% и экономии строительных материалов на 1 куб.м. готового изделия. Кроме того, эффективность использования сталефибробетона может выражаться в увеличении долговечности конструкций и снижении затрат на текущий ремонт.

Приводится более подробная информация по технико-экономическим показателям применения сталефибробетона в некоторых конструкциях.

Технология торкретирования.

Технология торкретирования заняла в последние годы доминирующее положение в ряде областей строительства, где применение обычного способа бетонирования было бы нерационально, а в некоторых случаях и просто невозможно. Торкретирование с успехом можно реализовать при сооружении шахт, устройстве монолитных обделок тоннелей, укреплении откосов при строительстве автомобильных и железных дорог, строительстве заглубленных бассейнов и т.д. Торкретирование упрощает возведение тонкостенных железобетонных конструкций — оболочек, сводов и резервуаров. Целесообразно его применение при производстве ремонтно-восстановительных работ (усиление фундаментов, стен, балконов и перекрытий, опорных и пролетных строений мостов, морских причалов и т.д.), а также при создании огнестойких, тепло- и гидроизоляционных покрытий.

Метод торкретирования позволяет практически полностью механизировать производство работ и исключить использование опалубки. Использование в торкретбетоне стальной фибры (такой материал получил название торкрет-сталефибробетон, далее ТСФБ) позволяет достичь еще одного преимущества данного метода — повысить экономический эффект за счет отказа от арматурных сеток и уменьшения толщины возводимой конструкции, что обусловлено возможностью ТСФБ воспринимать растягивающие напряжения, возникающие в изделии. Здесь нужно заметить, что на ряду с повышенной прочностью на осевое растяжение, ТСФБ обладает и более высокой прочностью на сжатие, растяжение при изгибе, трещиностойкостью, ударной вязкостью, термостойкостью. Кроме того, снижается трудоемкость производства работ — армирование конструкции совмещается с процессом бетонирования, увеличивается толщина наносимых слоев, снижается «отскок» материала. Одновременно, применение стальной фибры позволяет улучшить качество сцепления торкретбетона с поверхностью нанесения.

Технология торкретбетонирования позволяют получить конструкции с высокой плотностью и незначительной капилярной пористостью, а возникающие в структуре материала микропоры имеют форму шаровидных, изолированных воздушных включений диаметром около 0,2 мм. Они не связаны между собой и выполняют роль компенсаторов деформаций при замерзании остаточной воды. Кроме того, в торкретбетоне практически отсутствуют усадочные раковины и трещины, образующиеся в обычном бетоне. При послойной технологии усадка каждого слоя происходит индивидуально и вероятность возникновения сквозных усадочных трещин в общей толщине торкретбетона практически исключается.

Учитывая, что на территории России зимний период длится в среднем 180 дней (6 месяцев) важное значение приобретает возможность производства сталефибробетонных работ при отрицательных температурах окружающей среды. Исследования, проведенные кафедрой «Технология строительного производства» Южно-Уральского государственного университета совместно с НПО «Магнитогорск Фибра- Строй» показали, что возведение сталефибробетонных конструкций в зимних условиях может осуществляться с использованием широко распространенных методов термос, предварительный электроразогрев и электропрогрев. При этом термообработка ведется с использованием стандартного электрооборудования, применяемого для обработки обычного бетона.

Анализ полученных результатов показывает, что сталефибробетон обладает электрофизическими свойствами, существенно отличающимися от свойств обычного бетона. Так, удельное электрическое сопротивление сталефибробетона в 2+3 раза меньше, чем у обычного бетона, удельная теплоемкость меньше на 8+12%. Это позволяет:

• уменьшить расход электроэнергии на термообработку на 15-20% по сравнению с термообработкой обычного бетона;
• увеличить расстояния между электродами, что способствует образованию более равномерного температурного поля;
• уменьшить величину подаваемого напряжения, что повышает безопасность работ;
• уменьшить необходимую мощность прогревного трансформатора;
• снизить расход электродной стали;
• уменьшить сечение подводящих кабелей;
• упростить коммутацию электродов.

Благодаря фибре, равномерно распределенной в объеме бетона, улучшается его термонапряженное

состояние, что позволяет вести термообработку с более высокими градиентами температур. Кроме того, благоприятное термонапряженное состояние сталефибробетона приводит к сбросу его прочности при электропрогреве лишь на 5+7%, в то время, как электропрогрев обычного бетона вызывает сброс его прочности в среднем на 25%. Применение предварительного электроразогрева позволяет получить конечную прочность сталефибробетона в среднем на 12% больше, чем у сталефибробетона нормального хранения.

Выполненные исследования по зимнему бетонированию с применением сталефибробетона, а также знания и большой опыт в области термообработки обычного бетона позволяют нам предложить организацию температурно-прочностного контроля выдерживания бетона при возведении монолитных железобетонных и сталефибробетонных конструкций в зимних условиях. Температурно-прочностной контроль основан на расчетном определении прочности бетона по фактическим температурам в контрольных точках монолитных конструкций, и включает в себя:

1.           Анализ и технико-экономическое обоснование способов термообработки и выдерживания монолитных железобетонных и сталефибробетонных конструкций в зимних условиях.

2.           Разработка технологических регламентов термообработки и выдерживания конструкций с подбором оптимальных режимов термообработки средствами компьютерного моделирования.

3.           Внедрение на строительных объектах компьютерной системы оперативного контроля температурных режимов и прочностных параметров бетонов выдерживаемых в зимних условиях «Снежный барс» (поставка программного и методического обеспечения, обучение исполнителей).

Предлагаемые технологии зимнего бетонирования с применением сталефибробетона — это качественные монолитные конструкции и экономия энергетических, трудовых и материальных затрат при электротермообработке. Внедряемый температурно-прочностной контроль позволяет выполнять оперативный текущий контроль и прогнозировать изменение температурно-прочностных параметров бетона конструкции, а в случае их отклонения от принятых на стадии проектирования, принимать правильные решения по дальнейшему выдерживанию бетона.

Технология приготовления и укладки сталефибробетона как в нормальных, так и в зимних условиях, разработанная в ЮУрГУ, была проверена в условиях строительной площадки: дорожная одежда моста в г.Челябинске, фрагменты временной крепи из торкретфибробетона тоннелей метро на станции «Торговый Центр» г.Челябинск, станции «Бажова» г.Екатеринбург, станции «Парк Победы» г.Москва, фрагмент участка автодороги Москва — Лобня, монолитные сейфы хранилища ценностей Сбербанка России и Госбанка России, а также ряда банков в Челябинске, Екатеринбурге, Ростове, Магнитогорске, Барнауле, Орске, Тольятти, Нижнем Тагиле. На заводах стройиндустрии г.Челябинска были изготовлены и испытаны конструкции, необходимые для инженерного обустройства транспортных коммуникаций: сталефибробетонные водопропускные кольца и трубы, сваи, лотки, плиты железнодорожных переездов, предварительно напряженные дорожные плиты и т.п.

Эти работы показали эффективность применения сталефибробетона как с экономической, так и с производственно-технологической точек зрения