Фибробетон

Фибробетон

Фибробетон – это композит, образованный объемным сочетанием компонентов, отличающихся по химическому и минералогическому составу, физико-механическим и другим свойствам, имеющих четкую границу раздела и плотную механическую или (и) химическую связь. К композиционным материалам относятся традиционный бетон и железобетон, асбестоцемент, стеклоцемент, стеклопластик и другие материалы.

Известно, что материалы на основе неорганических вяжущих веществ отличаются высокой прочностью на сжатие, но малой растяжимостью, трещиностойкостью и большой хрупкостью. Введение в эти материалы дисперсных волокон позволяет значительно уменьшить эти недостатки. Такие материалы получили название «Фибробетон, фиброцемент, стеклоцемент». Они отличаются повышенной прочностью на растяжение, изгиб, более высокой трещиностойкостью, сопротивляемостью ударным и циклическим нагрузкам, а в ряде случаев более высоким сопротивлением истиранию. При этом значительно снижаются трудозатраты на изготовление арматуры и армирование изделий.

Композиты на основе различных вяжущих веществ классифицируются по виду применяемого вяжущего  (стеклоцемент, стеклопластик, гипсоволокнистый материал и т.д.), по назначению (конструкционные, конструктивно-теплоизоляционные, декоративные, гидроизоляционные) и другим признакам.

Материалы для изготовления фибробетона:

· Вяжущие – портландцемент, глиноземистый цемент, гипс, композиционное гипсовое вяжущее, полимерцемент, полимерные связующие (полиэфиры, реже эпоксидные, фенолформальдегидные и другие олигомеры с отвердителями);

· Добавки – эффективные ПАВ, пенообразователи, полимерные добавки         (см. гл.         ).

Арматура – металлические и неметаллические армирующие волокна             (см. гл.         ).

Фибробетон (фиброцемент) может армироваться непрерывными или дисперсными волокнами. Критическая длина дисперсных волокон определяется из условия, чтобы сила защемления (анкеровки) волокон в материале была равна усилию разрыва волокон (рис.    )

Рекомендуемые материалы

Содержание металлических дисперсных волокон в фибробетоне до 3 % по объему (реально 78...200 кг/м³), длина 10...60 мм, диаметр 0,1...0,5 мм.

Содержание неметаллической дисперсной арматуры в фиброцементе составляет 3...5 % по объему, а непрерывной – 10...12 %. Длина волокон 10...50 мм, диаметр 10...130 мкм в зависимости от вида вяжущего, условий долговечности и величины модуля упругости.

Состав формовочной смеси проектируется в соответствии с ГОСТ 27006. В качестве примера можно привести состав фиброраствора с металлической дисперсной арматурой: Ц=530 кг/м ³; П=1670 кг/м ³; В=200 кг/м ³; Фибры 180...200 кг/м ³; СДБ – 1,06 кг/м ³.

                     2                                                                            1

                                                              I

  P                                                                                            P

  

   I

Схема микрообъема фиброцемента.

1. Образец из цементного камня.

2. Дисперсное волокно длиной «l» и диаметром «d».

Для расчета принимается, что на образец действует растягивающее усилие «Р», под воздействием которого разрушение образца происходит по сечению I – I (рис.    ). Тогда

pdlR_сц    =      pd²R_а

2 4

                R_а d

l =                            ; при R_cц= 0,2 R_M

              2 R_сц

R_а d

l =                            ; где

              0,4 R_M

R_сц , R_a , R_m – соответственно прочность сцепления волокон и прочность на сжатие матрицы.

Из выше изложенного следует, что длина дисперсной арматуры зависит от прочности волокон на растяжение, их диаметра и прочности матрицы.

Прочность композитов с непрерывным R_к^н и дисперсным R_к^д армированием можно рассчитать соответственно по формулам:

R_к^н = Е_м * e_к * V_m + Е_в * e_к * (1 – V_m),

R_к^д = (1 – (L_кр / 2L) * R_вV_в + R_м (1 - V_в).

 

где Е_м, Е_в – модули упругости соответственно матрицы и волокон;

e_к – относительная деформация композита;

V_м, V_в – относительный объем соответственно матрицы и волокон в композите;

R_в, R_м – прочность соответственно волокон и матрицы;

L и L_кр – длина и критическая длина волокон.

При L=L_кр в композите реализуется лишь 50% возможностей волокон, а при L=10L_кр – 95%. Поэтому выгоднее использовать последний вариант. Из формул следует также, что для эффективного упрочнения матрицы необходимо использовать волокна с максимально высоким модулем упругости.

Основные условия получения высокопрочных композитов :

1). Высокая прочность матрицы;

2). Достаточное количество высокопрочных волокон, с максимально возможным модулем упругости, равномерно распределенных по сечению материала;

3). Хорошее сцепление волокон с матрицей и их стойкость в среде материала;

4). Одинаковые или близкие коэффициенты температурного расширения волокон и матрицы.

При таких условиях можно получать композиты с прочностью на растяжение до 120 МПа на портландцементе и до 70 МПа на гипсе. Трещиностойкость фиброцемента, например, повышается в 60...100 раз по сравнению с неармированным цементным камнем. Более эффективно дисперсное армирование раствора или цементного камня.

На прочность композита весьма значительное влияние оказывает модуль упругости армирующих волокон. Для получения фиброцемента высокой прочности необходимо, чтобы Е _в > Е_м. Чем больше эта разница, тем прочнее материал.

Например, при увеличении модуля упругости волокон в 2 раза при прочих равных условиях прочность композита с содержанием волокон 10% по объему повышается в 2 – 3 раза.

Алюмоборосиликатные стеклянные волокна разрушаются в щелочной среде цементного камня. Поэтому целесообразно в таких условиях использовать щелочестойкие волокна Щ – 15Ж, 7тк, 7тм, базальтовые, арамидные, углеродные и другие (см.гл.        ). Но возможно использование и обычных стеклянных волокон с введением в состав композиций полимерных смол (ПВА, смола № 89 и другие 0,1...0,4% Ц). Тогда можно получать композиты со стабильной и высокой прочностью (табл.     ). Чем больше полимера в фиброцементе, тем выше его прочность. Но при этом повышается его усадка. Для снижения усадочных деформаций рекомендуется вводить в состав смеси наполнители (кварцевый песок, зола – унос и другие), расширяющиеся добавки или применять расширяющиеся и безусадочные цементы.

Ещё посмотрите лекцию "Занятие 5" по этой теме.

Не корродируют стеклянные волокна в матрице на основе гипса, композиционного гипсового, и полимерном полимерцементного и полимерном вяжущих (см.гл.       ).

Тепловая обработка в несколько раз снижает прочность композита, так как интенсифицирует разрушение волокон в цементном камне. Например, автоклавирование композита на цементе снижает его прочность в 4...5 раз по сравнению с твердением в естественных условиях.

Вопросы долговечности фибробетона рассмотрены в гл.

При приготовлении фибробетонных смесей возникают определенные трудности введения дисперсной арматуры в формовочную массу при длине волокон, равной (80...120) d, а поэтому применяются специальные технологические приемы выполнения этой операции.

В целом, с применением различных вяжущих и волокон, смешанного армирования использование фибробетона перспективно при изготовлении дорожных и аэродромных покрытий, мостовых балок, ирригационных каналов, резервуаров, тюбингов, морских пирсов, взрывоустойчивых конструкций, защитных торкретированных покрытий, облицовок шахт, оболочек тоннелей, отстойников, объемных элементов, труб, стен, (в т.ч. 3^х слойных), полов, лестничных маршей, лотков, облицовочных плит, свай, кровельных панелей, элементов ограждений, плит покрытий и перекрытий, колонн, балок и т.д.

 Исследования показывают, что фибробетон с остальными волокнами при толщине изделия до 70 мм не уступает традиционному железобетону по несущей способности, а при толщине менее 70 мм – превосходит его. Применение фибробетона малой толщины снижает материалоемкость конструкций, в частности сокращает расход стали и бетона. Поэтому использование фибробетона целесообразно прежде всего в тонкостенных элементах конструкций, особенно пространственных со сложной конфигурацией.