Применение сталефибробетона при устройстве промышленных полов

Сталефибробетоном( или фибробетоном) называют бетон, армированный хаотически расположенными в нем стальными волокнами- фибрами. Каждая фибра играет роль стержневой арматуры в железобетоне, а все фибры в бетоне создают новый композиционный материал- фибробетон. По своим свойствам он значительно отличается от бетона. Так, прочность фибробетона на растяжение при изгибе возрастает в 2-3 раза, трещиностойкость-в 1,5-3 раза, прочность на удар в 8-10 раз по сравнению с бетоном. Существенно возрастает износостойкость и  морозостойкость. За счет улучшения приведенных выше свойств   долговечность фибробетонных конструкций возрастает в 2-3 раза по сравнению с обычными железобетонными. Именно эти высокие физико-механические и эксплуатационные характеристики фибробетона обусловили применение фибробетонных конструкций для различных жестких покрытий: дорожных, аэродромных, танкодромных; стоянок для самолетов, автобусов, автомобилей. Вот некоторые примеры применения сталефибробетона за рубежом:
        
1.На автомагистрали в г. Детройте (США) было уложено   дорожное покрытие толщиной 80 мм из фибробетона с процентом армирования 0,8-1,5% , движение было открыто через 48 часов после укладки покрытия.
    
2.Такие же покрытия выполнены на шоссе в штатах Мичиган, Айова и  Миннесота (США). Длина покрытия дороги в штате Айова составляет 8 км при ширине 6,7м. Армирование производилось отрезками  стальной проволоки до 1,5% по объему, при  толщине покрытия от 51 до 102 мм.
        
3.Крупнейшая в штате Техас стоянка для   танков площадью 22572м2 была сооружена из фибробетона с 1,5% армирования по объему. Покрытие толщиной 102 мм укладывалось по слою асфальтобетона толщиной 127мм /I/.
  
4.Лаборатория инженерных исследований армии США провела инженерные исследования на военном аэродроме, где взлетно-посадочные полосы были сооружены из обычного бетона и из фибробетона. Толщина ВПП из обычного бетона 25,4 см, из фибробетона -15,2 см ( на 40% меньше).После 700 циклов загружения ( взлетов- посадок) покрытие из обычного бетона практически было выведено из строя, в то время как фибробетонное выдержало 4500 циклов т.е. долговечность фибробетонного покрытия оказалась в 6,4 ра за выше бетонного /2/.
      
5.В аэропорту Мак Карен в г. Лас-Вегас (США) сооружена стоянка для самолетов. Ее площадь 7300 кв.м, она предназначена для самолетов с большой массой. Аналогичные покрытия для рулежных дорожек,  взлетно посадочных полос имеются в Международном аэропорту г.Тампа (США), Сэдар Рэпиндз(США), Джона Кеннеди (США) и других /I/.  На аэродроме в г.Лас-Вегас площадь уложенного СФБ  51400м2, толщина 15см вместо 30см из обычного бетона. Укладку вели серийными бетоноукладчиками. Есть сведения об успешной эксплуатации покрытия тяжелыми самолетами./4/

Такие примеры применения требуют обьяснения:
  
Традиционное армирование защитного слоя проезжей части моста производится обычно сеточной арматурой, диаметр ее 5мм с ячейкой 100Ч100мм. Зона влияния арматурного стержня, как принято считать, расположена в радиусе 3-х ее диаметров. Следовательно зоны, в которых элементарные кубики бетона связываются арматурой, представляет собой полуцилиндры, сечения которых  в плоскости, перпендикулярной арматуре, представляют собой полукруг  радиусом 15мм,  диаметр которого лежит на плоскости гидроизолиру-ющего слоя. Полуцилиндры расположены вдоль  сторон ячеек сетки. За исключением этой «армобетонной» сетки, весь остальной бетон защитного слоя  не армирован. Этот бетон,  а это 90% защитного слоя, и является зоной наиболее вероятного начала появления трещин, выбоин и т.д. Полностью устранить данное положение  усилением традиционного армирования невозможно по причинам как  технологического, так и экономического характера. При данной конструкции покрытий для защиты от  температурных  деформаций, при больших перепадах температур, устраиваются компенсирующие швы, предотвращающие появление хаотических трещин, возникающих для компенсации увеличения линейных размеров поверхности.

В то же время дисперсное армирование исключает подобные явления.    Качественный рост  физико-механических характеристик сталефибробетона происходит из-за того, что стальные волокна  связывают между собой элементарные обьемы бетона - матрицы, армируя его по всему макрообьему (при равномерном распределении фибры), увеличивают прочность бетона -матрицы на растяжение добавлением своего сопротивления растяжению. При хаотическом расположении стального волокна в обьеме бетона-матрицы, сопротивление растяжению растет во всех направлениях примерно одинаково. Это обьясняет, в частности,  факт сравнительно малого роста (см. выше)  прочности СФБ на сжатие, т.к. волокно при этом увеличивает сопротивление сжатию только косвенно, за счет сопротивления  отрыву  друг от друга элементарных обьемов бетона в зонах растяжения, образующихся на периферии зоны непосредственного действия сил при сжатии образца. В то же время значительный рост прочности на  осевое растяжение и  растяжение при изгибе происходит за счет преимущественно прямого включения волокна в процесс растяжения, в этом случае сопротивление СФБ растяжению складывается из сопротивления разрыву самого бетона - матрицы и стальных волокон, препятствующих отрыву друг от друга элементарных частиц бетона-матрицы. Этим же обьясняется и повышенная трещиностойкость сталефибробетона  и, как следствие, возможность отказаться от устройства температурных швов даже при устройстве дорожных покрытий (Япония, северная оконечность острова Хоккайдо – покрытие из СФБ  толщиной 50мм, расстояние между швами – 50м;  Англия- шестиполосная магистраль возле Бирмингема-основание- материалы, обработанные цементом, толщиной 25см, слой непрерывно армированного цементобетона, толщиной 22см, слой асфальтобетона -4см, полностью отсутствуют температурные швы).

В дополнение к вышесказанному, нужно отметить исключительную важность степени анкеровки стального  волокна в бетоне.  Стальные волокна зарубежных и отечественных  фирм выполняются с различными загибами, крючками, уступами или имеют по всей длине различной формы выступы, которые увеличивают сопротивление выдергиванию. Кроме этого, стальное волокно должно иметь  достаточно шероховатые боковые поверхности для надежного сцепления с бетоном-матрицей. Ведь полное использование потенциала стального волокна для увеличения физико-механических свойств СФБ возможно лишь в том случае, если разрушающие нагрузки разрывают фибру, но не  выдергивают  ее из бетона-матрицы. Только при выполнении этого условия   коэффициент использования прочности стального волокна будет равен единице и, следовательно, для данного состава бетона –матрицы с таким стальным волокном можно получить максимально возможные физико-механические характеристики.     Наша фирма занимается изготовлением патентованного стального волокна, которое позволяет использовать прочность его практически на 100% за счет определенной формы  анкеров на его концах и шероховатости боковых поверхностей. Наши расчеты показывают, что при расходе фибры в 80-90кг на куб СФБ,  количество фибр колеблется в пределах одного миллиона. Активная часть стального волокна расположена между анкерами его и составляет для принятого типа (ФЛА 4-2-35 по ТУ 1276-002-51484465-2002)- 22мм. Предполагая, что каждое стальное волоконце пронизывает 2,5 кубика элементарных обьемов бетона  (один кубический сантиметр), можно считать, что каждый такой кубик в кубическом метре будет 2,2 раза пронзен стальными волокнами, которые сшивают таким образом всю массу бетона.

Рассмотрим процесс разрушения слоя покрытия. Допустим, что слой выполнен качественно по всей площади, бетон по своим характеристикам полностью соответствует требованиям проекта и т.д.. Представим теперь, что в результате каких либо событий при эксплуатации  возникла перегрузка в какой либо точке или маленькой площадке поверхности, повлекшая за собой деформацию слоя выше  проектной величины. На слое, традиционно армированном, появится в момент перегрузки трещина или несколько трещин в наиболее слабых местах, которые компенсируют увеличение длины поверхности при деформации. При прогибе нижней поверхности вниз бетону поможет уменьшить величину трещин в какой-то степени арматура, да и то в местах, где имеется зона влияния ее на бетон. При изгибе слоя вверх, в верхней части слоя  влияние арматуры практически полностью отсутствует. Поэтому трещины появятся в слабых местах и величина их  раскрытия будет зависеть от степени деформации слоя под нагрузкой, а их количество будет зависеть от степени однородности бетона в области деформации. Понятно, что трещин будет мало, т.к. у бетона очень малая способность передачи нагрузки не разрушаясь от частицы к частице, поэтому первая микротрещина будет развиваться до тех пор, пока не компенсирует деформацию слоя  вокруг себя, т.к. в концах этой  трещины концентрация напряжений на  порядок превышает напряжения, которые могут вызвать новую трещину в сплошном слое.
  
При выполнении  слоя из сталефибробетона процесс пресекается в самом начале. Во первых, при деформации возникает значительно большее количество трещин, т.к. стальные волоконца, включаясь в работу по сдерживанию раскрытия трещины в самом начале ее появления, провоцируют открытие все новых и новых. Во вторых, именно потому, что компенсация деформации происходит при достаточно большом их количестве,  величина раскрытия их на порядок меньше, чем в случае с традиционным армированием. Поэтому процесс начала развития трещины  в самом начале блокируется, если же, в силу каких либо причин, он начнется, то идти в сталефибробетоне он будет значительно медленнее, чем это происходит в случае с традиционным армированием и величина раскрытия трещины будет в разы меньше. Полностью исключается возможность попадания в них воды либо каких либо частиц, которые могли бы остаться в них после снятия нагрузки. Работа волоконец по сдерживанию раскрытия такого рода трещин проходит в режиме упругих деформаций, поэтому при снятии нагрузки трещины закрываются. Кроме того, дополнительно необходимо отметить, что при применении сталефибробетона, как правило, при правильном уходе, в свежеуложенных слоях  отсутствуют усадочные трещины, которые «обязательны»  при твердении  традиционно армированного бетона. Учитывая вышеизложенное, с полным основанием можно отказаться от устройства швов сжатия и швов расширения. Если полы эксплуатируются в крытом помещении, то устройство швов будут просто расточительством.