ВВЕДЕНИЕ
Проблема фибробетонов в ее современной постановке существует более 3-х десятков лет и в настоящее время приобретает особую актуальность в связи с необходимостью коренного улучшения качества при одновременном снижении материало-, трудо- и энергоемкости железобетонных конструкций.
Отличительными признаками фибробетонов являются высокая анизотропность и дискретность, что позволяет выделить их в самостоятельную и очень ценную группу конструкционных материалов с присущими только им особенностями структуры и свойств. Очевидные преимущества фибробетонов (многократное увеличение прочности, трещиностойкости, износостойкости и т.д.) и кажущаяся легкость достижения желаемого результата предопределили в основном эмпирический характер исследований, что позволило накопить обширные экспериментальные данные для инженерной практики, но, тем не менее, не привело к созданию современной технологии, в полной мере отвечающей потенциалу прогрессивности, конкурентоспособности и экономичности дисперсного армирования, способного обеспечить значительные сдвиги в вопросах повышения эффективности строительной продукции. Успешное решение этой задачи невозможно без теоретического обобщения и дальнейшего углубления знаний о сложных процессах, обуславливающих формирование структуры и физико-механических свойств фибробетонов, об их взаимосвязи с состоянием исходных материалов, составами и технологическим процессом получения изделий. С попыткой создания такой целостной системы представления о фибробетоне связаны цель, задачи и содержание работы.
Целью исследований являлась разработка теоретических принципов и практических основ материаловедения и управления технологическим процессом, обеспечивающих направленное регулирование структуры и физико-механических свойств фибробетонов.
Для достижения поставленной цели:
6
1 .Рассмотрены особенности организации структуры фибробетона как высококонцентрированной грубодисперсной системы с учетом физико-механики межчастичных контактных взаимодействий, в том числе между цементным тестом (камнем) и армирующим волокном.
2.Определена роль дисперсной арматуры на всех стадиях структурооб-разования и работы материала.
3.Исследовано влияние вида, количества и дисперсности армирующих волокон на формирование структуры цементной матрицы и свойства фибробетона.
4.Определена и исследована совокупность технологических факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на процесс структурообразо-вания и свойства получаемого материала.
5.Решены прикладные задачи по совершенствованию и интенсификации производства фибробетонных изделий, созданию новых видов дисперсно-армированных бетонов, технических и технологических способов их получения.
В диссертации обобщены результаты исследований и разработок, полученные автором на кафедре технологии строительных изделий и конструкций СПбГАСУ в процессе выполнения важнейших плановых НИР, являющихся частью отраслевых и межвузовских программ.
Научная новизна работы
Развиты представления о строении фибробетона как гетерогенного полиструктурного капиллярно-пористого тела, свойства которого во многом определяются количеством и состоянием контактов на границе раздела фаз «волокно - матрица».
Впервые получены теоретические и экспериментальные данные об изменении физико-механических характеристик фибробетонов в широком диапазоне объемного насыщения волокнами.
Предложена структурно-технологическая модель фибробетона, отражающая взаимодействие основных структурообразующих элементов при
7
различных уровнях дисперсного армирования и их взаимосвязь со свойствами получаемого материала.
Впервые сформулированы принципы и разработаны методы конструирования фибробетонов оптимальной структуры, обеспечивающие получение композитов с заранее заданными свойствами.
Обоснована и исследована совокупность технологических факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на процесс структурообразо-вания и свойства фибробетонов.
Практическая ценность и реализация работы
На основе представлений о структуре фибробетонов и закономерностях ее формирования определены требования к технологии изготовления изделий и доказана возможность их реализации в рамках существующего производства при условии оптимизации параметров технологического процесса.
Получены экспериментальные данные о конструкционных, технологических и эксплуатационных характеристиках различных видов фибровой арматуры, в том числе стальной, получаемой фрезерованием или в результате токарного процесса, а также изготавливаемой из полимерных высоко- и низкомодульных волокон. Результаты этих исследований послужили основой для расширения информационной базы проектирования составов фибробетонов и создания в ходе выполнения диссертационной работы новых эффективных композитов и способов их изготовления (А.С. №№: 863545, 1203065, 1528761, 1671646, 1701673, 1742270 и др.).
На основании результатов экспериментальных исследований, в том числе проводимых в заводских условиях, определены рациональные области использования фибробетонов и соответствующие этому наиболее эффективные виды армирующих волокон и их комбинаций.
Разработаны принципы организации и технологические схемы производства, составлены Технические условия и Технологические регламенты на изготовление фибробетонных изделий различной плотности (400 ... 2700 кг/м3) и прочности (0,8 ... 100 МПа), включающие составы сырьевых смесей,
8
описание технологических процессов и оборудования, обеспечивающих заданное распределение дисперсной арматуры в объеме бетона, плотную упаковку и повышенное сцепление составляющих фибробетонной смеси, сохранность фибр на стадии изготовления конструкций и в процессе их последующей эксплуатации.
На основе предложенных технических решений выпущены опытно-промышленные партии фибробетонных изделий различного назначения (тюбинги, кольца колодцев, элементы шахтной кровли, плиты фалын-пола, стеновые блоки, плиты для перегородок и теплоизоляция из ячеистого фибробе-тона, облицовочные плиты для вентилируемых фасадов и др.) и составлены технические задания на переоснащение производства для их массового изготовления.
Результаты проведенных исследований использованы при разработке НИИЖБом Госстроя РФ «Рекомендаций по проектированию и изготовлению сталефибробетонных конструкций» и «Руководящих технических материалов по проектированию и применению сталефибробетонных строительных конструкций», при разработке СевКавЗНИИсельстроем «Рекомендаций по изготовлению изделий из безавтоклавного фибропенобетона для сельского строительства», при организации опытно-промышленного производства на Волховском КСК, производственных баз ООО «Красное» (С-Петербург) и ЗАО «Фиброн» (г.Гатчина Лен. обл.), а также при техническом перевооружении технологических линий заводов асбестоцементных изделий в.г. Железнодорожный (Моск. обл.) и пос.Каменск (респ. Бурятия) с целью организации промышленного производства фиброцементных крупноразмерных плит.
Апробация работы
Результаты исследований докладывались и получили одобрение на многих международных, всероссийских, региональных и внутривузовских конференциях и семинарах.
Отдельные разработки экспонировались на международных выставках и удостоены дипломов Международного строительного форума «Интер-
9
стройэкспо» (С-Петербург, 1999 г.) и Недели высоких технологий (С-Петербург, 2004 г.).
В процессе выполнения исследований опубликовано 97 научных работ, получено 19 авторских свидетельств на изобретения и патентов. Основные положения диссертации отражены в Российской архитектурно-строительной энциклопедии, в журналах «Бетон и железобетон» и «Строительные материалы» и используются в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей-технологов в рамках изучаемых дисциплин «Технология ячеистых бетонов» и «Современные строительные композиты».
Объем работы
Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, общих выводов и приложений, содержит 315 страниц машинописного текста, в том числе 63 рисунка, 55 таблиц, список литературы из 162 наименований.
Первая глава посвящена анализу современного состояния и перспектив производства дисперсно-армированных бетонов. Обобщение имеющихся результатов теоретических и экспериментальных исследований позволило осуществить выбор направления, определить цель и задачи настоящей работы,
Во второй главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований в области структурного материаловедения, позволившие установить особенности организации структуры фибробетона как высококонцентрированной грубодисперсной системы с учетом физико-механики межчастичных контактных взаимодействий, в том числе между цементным тестом (камнем) и армирующим волокном. Определена роль дисперсной арматуры на всех стадиях структурообразования и работы материала. Разработана структурно-технологическая модель фибробетона и, в соответствии с ней, совокупность приемов и способов управления структурооб-разованием и прогнозирования физико-механических характеристик композита.
10
Третья и четвертая главы посвящены вопросам проектирования состава фибробетонов, обоснованию и исследованию совокупности технологических факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на процесс струк-турообразования и свойства получаемого материала, в результате чего разработана система управления технологическим процессом и качеством фиб-робетонных изделий.
В пятой главе приведены результаты практического использования полученных данных в решении прикладных задач по совершенствованию и интенсификации производства фибробетонных изделий, созданию новых видов дисперсно-армированных бетонов, технических и технологических способов их получения.
Таким образом, хотя далеко не все вопросы, относящиеся к физике и технологии дисперсно-армированных бетонов, нашли отражение в данной работе, в рамках поставленной задачи диссертацию можно считать законченным исследованием, в котором теоретические разработки доведены до конкретных инженерных решений.
Автор выражает глубокую признательность своему учителю профессору Лобанову И.А., а также профессору Баженову Ю.М. за полезные советы в процессе написания диссертации.
11
1.ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ: НАПРАВЛЕНИЕ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.
Во все времена прогресс в любой отрасли промышленности основывался на применении конструкционных материалов прочных, долговечных, удобных в работе и экономичных. В строительстве такими материалами являются бетон и железобетон, которые, благодаря своим замечательным свойствам, прочно удерживают главенствующее положение в течение длительного времени. Вместе с тем, ряд существенных недостатков этих материалов побуждает к дальнейшему совершенствованию их физико-механических характеристик и созданию новых эффективных материалов на их основе. В числе таких недостатков может быть названа невысокая прочность бетона на растяжение, составляющая 1/10... 1/5 часть прочности на сжатие, что вызывает необходимость усиления растянутых зон конструкций стальными стержнями и сетками. Кроме того, значительное количество стали, в железобетонных конструкциях расходуется на монтажную, поперечную и распределительную арматуру. Учитывая масштабы применения железобетона, на эти цели ежегодно расходуется до 20% всего объема проката черных металлов, выпускаемого в стране. Таким образом, потребление металла в строительстве настолько велико, что его можно сравнить с потреблением в такой металлоемкой отрасли, как машиностроение. Очевидно, что армирование бетона приводит к соответствующему повышению его энергоемкости и, одновременно, к увеличению трудоемкости изготовления изделий. Для предохранения стали от коррозии требуется устройство защитного слоя, что увеличивает массивность конструкций, и нередко до половины их несущей способности затрачивается не восприятие собственного веса. В тех же условиях выпуск эффективных тонкостенных конструкций представляется довольно сложной задачей, решение которой требует особой тщательности и аккуратности при производстве работ. Из вышеизложенного следует, что обычные бетон и железобетон отчасти исчерпали свои возможности и в ряде случаев не могут
12
удовлетворить запросы современного строительства в получении эффективных армированных бетонных конструкций, к которым предъявляются все более высокие требования. Таким образом, для дальнейшего повышения технико-экономической эффективности и универсальности бетонных материалов необходимо предусматривать не только совершенствование собственных показателей бетона и железобетона, но и развитие на их основе производства новых конструкционных материалов, в том числе дисперсно-армированных бетонов-композитов, в которых собраны воедино лучшие качества различных составляющих.
1.1. Состояние и перспективы производства дисперсно-армированных бетонов.
В настоящее время понятие "дисперсно-армированные бетоны" объединяет довольно широкий класс материалов на основе неорганических связующих (цементных, гипсовых, магнезиальных, фосфатных, керамических и др.), отличающихся по составу, свойствам, способам изготовления и назначению. Однако особое место и популярность в этой группе материалов принадлежит цементным композитам, и в частности, хорошо изученным и широко применяемым асбесто- и армоцементу, а также фибробетону, который является предметом интенсивных исследований.
В общем случае фибробетоном называют композиционный материал, состоящий из цементной (плотной или поризованной, с заполнителем или без него) матрицы с равномерным или заданным распределением по ее объему ориентированных или хаотично расположенных дискретных волокон (фибр) различного происхождения.
Следует отметить, что процесс становления и развития фибробетона был хотя и поступательным, но весьма неравномерным. Первые сведения о нем в технической литературе относятся к началу века и связаны с именем русского инженера В.П.Некрасова, результаты исследований которого были
13
опубликованы в журнале "Зодчий" (1908 г.) и более подробно изложены в монографии "Метод косвенного вооружения бетона" (1925 г.). В тот же период выводы В.П.Некрасова о перспективности упрочнения бетона отрезками стальной проволоки нашли подтверждение в ряде работ зарубежных исследователей [151, 149, 138, 152, 148, 150 ], которые, однако, носили единичный характер, так как научно-технические силы всех стран были направлены на изучение и расширение использования железобетона, возможности которого в то время представлялись безграничными. В начале 30-х годов рост скоростей в авиации, колесных нагрузок и интенсивности движения по автострадам повысили требования к конструкциям и материалам дорожных и аэродромных покрытий. Железобетон, в своем обычном исполнении, не удовлетворял новых условий прочности, износо-, ударо- и трещиностойкости, и тогда, параллельно с совершенствованием традиционного стержневого армирования, впервые начали искать альтернативу в фибробетоне. В странах Европы и в США были построены и сданы в эксплуатацию экспериментальные участки объектов инженерного строительства из сталефибробетона:
- рулежная дорожка в аэропорту Хитроу, протяженностью 200м (Англия, 1936 г.);
- участок автодороги в штате Айова, длиной около 1 км, и покрытие пола прессового цеха на одном из заводов Форда (США, 1938 г.).
Во всех случаях для дисперсного армирования применяли отрезки стальной проволоки диаметром 0,3...0,8 мм и длиной 20...60мм, а процесс приготовления и укладки смесей был сопряжен с высокой долей ручного труда.
В этих условиях еще раз возобладал приоритет российской науки и практики: в целях повышения ударо- и износостойкости полов промышленных зданий в качестве упрочнителя бетона была использована более технологичная, по сравнению с проволокой, стальная стружка, получаемая на основе отходов фрезерования металла, подвергнутых специальной обработке.
14
Однако это техническое решение не было защищено надлежащим образом и поэтому осталось незамеченным.
Выполненные работы, хотя и продемонстрировали возможности фиб-робетона, не привели к созданию промышленной технологии подобных материалов, и постепенно, с развитием цементной промышленности, совершенствованием способов изготовления бетонных изделий и, особенно, с успешным распространением предварительного напряжения, идеи дисперсного армирования были вытеснены из технологии бетона.
Однако в 60-е годы фибробетон вновь привлек к себе внимание специалистов во всем мире, что было обусловлено, во-первых, необходимостью внедрения в практику строительства новых эффективных конструкций, в том числе сложной геометрической формы и тонкостенных, с высокой трещино-стойкостью, сопротивляемостью ударным и знакопеременным нагрузкам, а во-вторых, появлением различных видов волокнистых материалов, восполняющих существовавший до того времени дефицит дисперсной арматуры. В результате серии экспериментов, предпринятых украинскими, а затем, американскими исследователями, было установлено, что в присутствии достаточного количества стеклянных или стальных волокон в бетоне, коренным образом изменяется его поведение в условиях приложения растягивающей нагрузки, существенно улучшаются прочностные и деформативные характеристики материала. Возникший интерес, естественно, потребовал большого объема экспериментальной информации, накопление которой вскоре приобрело лавинообразный характер. Все чаще значительные усилия и инвестиции многих предприятий во всем мире стали привлекаться для исследований и опытных работ в области фибробетона. Благодаря этому, в настоящее время зарегистрировано огромное количество результатов испытаний, позволяющих судить о влиянии вида и количества добавляемых волокон, их геометрических и физико-механических характеристик, а также способов изготовления конструкций на свойства и долговечность получаемого материала. Более ста фирм в Европе, США и Японии используют фибробетон для ремонта и
15
реконструкции дорожных и аэродромных покрытий, в гидротехнических сооружениях и подземном строительстве, при производстве тонкостенных конструкций, огнеупорных футеровок и т.д.
В России практическое применение фибробетона началось в середине 70-х годов, и, буквально, первый опыт оказался удачным. При строительстве очистных сооружений на острове Белом (Ленинград) возникли трудности с устройством свайного основания цеха обезвоживания осадка: лишь одна из шести железобетонных свай достигала проектной отметки из-за преждевременного разрушения оголовков, и работы пришлось приостановить. В этой ситуации трестом "Леноргинжстрой" и ЛенЗНИИЭПом была разработана конструкция ударопрочной железобетонной сваи со сталефибробетонным оголовком, и проблема была решена, а полученные в ходе выполнения работы результаты послужила началом широкомасштабного использования дисперсно-армированного бетона в фундаментостроении и основанием для составления институтами ЦНИИпримзданий, ЛенЗНИИЭП, Фундаментпроект и др. альбома чертежей "Сваи с применением сталефибробетона".
В последующие годы рядом отраслевых НИИ в содружестве с ведущими ВУЗами и строительными организациями сначала в порядке собственной инициативы, а затем в рамках целевой программы Госстроя 0.55.16.034 "Разработать и внедрить эффективные конструкции из фибробетона", выполнен значительный объем рабом по проектированию и опытному внедрению широкого спектра конструкций с применением дисперсно-армированных бетонов (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Опыт применения фибробетона
Вид конструкций и изделий Применяемые волокна Вариант изготовления
Несущие конструкции с зонным дисперсным армированием (плиты покрытий и перекрытий, балки, колонны) Стальные Сборный
16
Ударо- и износостойкие изделия и конструкции (сваи, фундаменты и станины машин, дорожные и аэродромные покрытия) Стальные, синтетические Сборный, монолитный
Конструкции инженерных и гидротехнических сооружений (элементы вновь возводимых и ремонтируемых плотин, мостов, подпорных стенок; конструкции емкостных сооружений, лотки, канализационные коллекторы) Стальные, минеральные Сборный, монолитный
Малоармированные конструкции (кольца смотровых колодцев, безнапорные трубы, элементы временной шахтной кровли) Стальные, синтетические Сборный
Густоармированные и тонкостенные конструкции (оболочки, складчатые панели и покрытия структурного типа, напорные трубы, элементы тоннельной обделки) Стальные Сборный
Конструкции с повышенной твердостью и структурной вязкостью (рабочие поверхности штамповочного, прессового и др. силового оборудования) Стальные, синтетические Сборный
Кровельные материалы в виде черепицы и крупноразмерных листов Синтетические, минеральные Сборный
Трехслойные стеновые панели и перегородки Стальные, минеральные, синтетические Сборный
Ограждающие конструкции и теплоизоляционные изделия на основе легких и ячеистых бетонов Синтетические, минеральные Сборный
Огнезащитные облицовки и огнеупорные изделия Минеральные, стальные Сборный, монолитный
Формы и несъемная опалубка для бетонирования традиционных конструкций Синтетические, стальные, минеральные Сборный
Следует отметить, что наряду с указанными конструкциями получили апробацию и способы изготовления фибробетонов, которые позволяют применять, кроме традиционного виброформования, такие эффективные приемы, как раздельную укладку, торкретирование, погиб свежеотформованных
17
плоских заготовок, прессование, пневмонабрызг, роликовую обкатку и другие.
Параллельно с этим решались вопросы получения самой фибры, отсутствие которой в промышленных объемах существенно сдерживает широкое и повсеместное применение дисперсно-армированных бетонов. Долгое время единственным способом заготовки стальных фибр являлась рубка проволоки с одновременным изменением ее формы и поверхности (Ленинград, Магнитогорск). В последние годы созданы опытные установки по изготовлению фибры из отработанных стальных канатов (Караганда, Ленинград), рубленой из листа и строганной из сляба (Челябинск, Ленинград). При этом, есть основания считать, что по своим технико-экономическим показателям фибра в виде стружки может составить серьезную конкуренцию стальным волокнам, изготавливаемым другими способами.
В числе перспективных неметаллических волокон следует отметить фибру из щелочестойкого стекловолокнистого ровинга (ГИС), базальтового волокна (НИИСК) и синтетических волокон (ЛИСИ).
Накопленный опыт позволил НИИЖБу совместно с другими организациями-участницами Программы разработать "Рекомендации по проектированию и изготовлению сталефибробетонных конструкций", основные положения которых согласованы с требованиями СН 366-77 "Инструкция по проектированию армоцементных конструкций" и СНиП П-21-75 "Нормы проектирования. Бетонные и железобетонные конструкции" с учетом особенностей дисперсного армирования - дискретности и разнонаправленности волокон.
Наконец, в числе важнейших мероприятий следует назвать создание, усилиями специалистов треста №61 "Железобетон" и ЛИСИ, опытно-промышленного производства на Волховском КСК, задачей которого является доведение результатов лабораторных исследований и конструкторских разработок до стадии промышленных технологий и конструкций с обеспечением их взаимного соответствия. Особенностью ОПП является наличие гибкой технологической схемы и оборудования, что позволяет путем оператив- |
