Предупреждение трещинообразования в бетоне с помощью фиброармирования

Фибробетон представляет собой бетон, в который при производстве добавляются волокна (фибра) для повышения стойкости к образованию трещин и разрушению.

Что значит фибробетон?

В качестве материала для фибры преимущественно применяются сталь, стекло, устойчивое к действию щёлочи, или полимерные материалы. Волокна интегрированы в цементный камень (матрицу) и выполняют функцию армирования, предотвращая развитие трещин. При наличии трещины в бетоне волокна могут соединять оба края трещины благодаря их высокой прочности на растяжение и хорошей анкеровке в матрице. Эффективность фиброармирования зависит как от содержания волокон в матрице, так и от их прочности, геометрии, равномерности распределения и других параметров. Количество волокон, требуемое для полной передачи растягивающих напряжений в трещине после её возникновения, можно определить с помощью концепции критического содержания волокон. При производстве бетона, как правило, используется содержание волокон ниже критического, при этом основной упор делается на уменьшение хрупкости бетона за счет постепенного вытягивания фибры из матрицы. В процессе производства конструкций из фибробетона образуются структуры с различной ориентацией волокон в бетоне и вследствие этого проявляются различия в его несущей способности.

Cогласно данным памятки Немецкого союза производителей бетона (DBV) «Сталефибробетон» по расчёту строительных изделий и конструкций из сталефибробетона, при изгибающих нагрузках производится выбор параметров для состояния I (пригодность к использованию) и состояния II (предельная несущая способность). Так как памятка DBV не обладает функцией стандарта, Немецким комитетом железобетонных конструкций (DAfStb) была разработана директива для сталефибробетона, которая в настоящее время существует в качестве проектной редакции. Основой директивы являются памятки DBV и рекомендации Международного союза лабораторий и специалистов в области испытаний строительных материалов, систем и конструкций (RILEM). В директиве DАfStb регламентируются характеристики сталефибробетонов до класса по прочности насжатие C50/60, так как для них опытным путем в достаточной степени выявлены правила определения необходимых параметров и их учета при расчёте конструкций. С внедрением данной директивы становится более простым применение сталефибробетона и стандартизируется определение его параметров и правил расчёта.

Трещины в железобетоне

Обычный бетон обнаруживает множество положительных характеристик, что делает его наиболее используемым строительным материалом нашего времени. Однако существенным недостатком обычного бетона является хрупкость и склонность к образованию трещин, что при достижении предела несущей способности конструкции приводит к её внезапному разрушению. В обычных железобетонных и предварительно напряжённых железобетонных конструкциях хрупкое разрушение предотвращается за счёт наличия стальной арматуры, которая придаёт конструкциям достаточную способность к деформациям. Данный подход позволяет обеспечить пластичное разрушение конструкции, однако бетон как таковой остаётся хрупким и склонным к образованию трещин.

Наиболее эффективным решением для уменьшения хрупкости бетона является фиброармирование. В зависимости от размеров, механических характеристик и жёсткости волокон, образование трещин можно ограничивать как на микроуровне, так и на макроуровне.

Трещины в бетоне могут являться следствием вынужденных и собственных напряжений, а также внешних нагрузок. Вследствие возникновения трещин в бетон могут проникать вещества, вызывающие коррозию стали или повреждающие сам бетон. От ширины трещины в значительной степени зависит то, в каком объеме происходит проникновение веществ, вызывающих повреждения.

Наличие волокон может привести к ограничению ширины трещины и тем самым к повышенной долговечности бетонных и железобетонных конструкций. Кроме того, тонкие трещины могут снова закрываться почти полностью благодаря так называемому «самозалечиванию бетона». При самозалечивании в трещинах кристализируется Ca(OH)2 или CaCO3. Также в самозалечивании участвуют не полностью гидратированные компоненты цемента, которые после образования трещины вновь могут вступать в контакт с водой.

Если же коррозия стальной арматуры всё‑таки начинается, то за счёт пластичности фибробетона повреждение конструкции сначала остается незначительным, так как трещины, вызванные давлением продуктов коррозии (объемное расширение железа при оксидации), перекрываются. За счёт этого не происходит ни откола, ни отслоения бетонного защитного слоя. Однако квалифицированное восстановление поврежденных мест и в этом случае является обязательным!

Рис. 1. Система трещин и поток силовых линий в обычном железобетоне (слева) и в железобетоне с квазипластичной матрицей (справа) [1] — Рис. 1. Система трещин и поток силовых линий в

Существенным механизмом действия волокон в бетоне является «сшивание» трещин, которое в наилучшем случае должно осуществляться на всех рассматриваемых уровнях (микро, мезо, макро). На рисунке 1 схематически представлено изображение трещин в обычном железобетоне с хрупкой матрицей и с квазипластичной матрицей (фибробетон), а также соответствующие потоки силовых линий. За счёт образования множества мелких равномерно распределенных в квазипластичной матрице трещин стальная арматура локально не перегружается. Эти трещины помогают стали нести нагрузку на растяжение, а деформации бетона и стали в значительной мере являются совместимыми.

Дополнительным преимуществом введения волокон в бетон и связанным с этим множественным трещинообразованием является большое поглощение энергии, которое, в частности, оказывает положительное влияние на характеристики строительного элемента при ударной нагрузке. Энергия расходуется как на формирование многочисленных поверхностей трещин, так и на вытягивание волокон, происходящее в ходе расширения трещин. В качестве дополнительных важных позитивных факторов определённой пластичности бетона необходимо указать также перегруппировку усилий в нагруженной конструкции, перераспределение напряжений, а также отсутствие ослабления поперечного сечения вследствие отслаивания бетона. Кроме того снижение хрупкости повышает уровень надёжности конструкции вследствие появления предварительных ризнаков разрушения.

Рис. 2. Применение сталефибробетона при строительстве развлекательного парка Heide Park Resort, здесь: плита основания водного комплекса, фото: ProCrete — Рис. 2. Применение сталефибробетона при

Первый патент на сталефибробетон был выдан еще в 1872 году. В ХХ веке было проведено множество экспериментов с различными типами волокон. Однако первые убедительные, научно обоснованные концепции целенаправленного дизайна композиционного материала - фибробетона были разработаны лишь в последние десятилетия и годы. В сочетании с современными методами анализа строительных материалов и технологией производства эти разработки дают возможность целенаправленного создания перспективных высокофункциональных композиционных материалов на основе цемента.

Для производства фибробетона в настоящее время применяются главным образом стальные, стеклянные и полимерные волокна, причем стальные волокна играют доминирующую роль. Главным образом (до 70%) фибробетон применяется при создании полов для производственных помещений. В статически неопределенных системах, таких как плиты полов из сталефибробетона, вследствие образования пластичных звеньев возможно значительное увеличение несущей способности сверх значения нагрузки, вызывающей образование трещин, смотрите рисунок 2. Предельная нагрузка соответствует полутора-двукратному значению нагрузки, вызывающей образование первых трещин. Наряду с этим, необходимо отметить также увеличивающееся применение фибробетона при высотном строительстве и в тоннелестроении.

При определении параметров и расчёте конструктивных элементов согласно нормативам DIN 1045–1 количество стальной арматуры в значительной степени определяется подтверждениями пригодности к эксплуатации. При этом применение стальных волокон может уменьшать требуемые количества стальной арматуры, а в отдельных случаях полностью заменять её. Сочетание стальной арматуры и стальных волокон оптимальным образом влияет на характеристики применения и тем самым на долговечность и надежность. У строительного элемента за счёт применения дисперсной арматуры уменьшаются ширина трещин и деформации. Как правило, у железобетонных элементов и предварительно напряжённых железобетонных конструкций полностью отсутствует армирование защитного слоя бетона. Только в том случае, если в подобный строительный элемент дополнительно внедрены волокна, бетонный защитный слой армирован.

Рис. 3. Проф. Мещерин показывает проф. Бажанту (Zdenek P. Bazant, Northwestern University, USA) принцип усиления и защиты железобетона новыми видами фибробетона, разработанными в Дрезденском Техническом Университете — Рис. 3. Проф. Мещерин показывает проф. Бажанту (Zdenek P. Bazant,

Наряду с более широким применением «известных» фибробетонов в последнее время стремительно разрабатываются и распространяются новые фиброармированные материалы с высокими технологическими характеристиками, которые дают возможность существенно лучшего контроля над образованием и раскрытием трещин. В ближайшие годы применение подобных фибробетонов может произвести переворот в определённых областях как капитального строительства, так и реконструкции сооружений, смотрите рисунок 3.

В данной статье, прежде всего, поясняются некоторые основы по теме «фибробетон». При этом подробно рассматривается проблематика предупреждения трещинообразования в бетоне посредством целенаправленного выбора волокон, учета характеристик матрицы и сцепления (бетона с армирующим волокном). Кроме того в статье представлено современное состояние процесса стандартизации сталефибробетонов в Германии.

Принцип действия фиброармирования

Когда при производстве бетона в него вводятся волокна из стали, стекла, полимеров или других материалов, создается композиционный материал, называемый фибробетоном. Фиброармирование при растягивающей нагрузке должно увеличивать предел прочности при растяжении и/или пластичность бетона как при растягивающей, так и при сжимающей нагрузке, повышать стойкость к трещинообразованию и способность к поглощению энергии. Равномерно распределенное в матрице армирование из прочных волокон сдерживает раскрытие трещин и при значительных деформациях растяжения способствует нехрупкой деформации материала, сопровождаемой большим числом очень тонких и, как правило, безвредных трещин.

В большинстве случаев в бетон добавляются короткие волокна, которые в зависимости от технологии производства и геометрии строительного элемента:

a) оказывают воздействие во всех направлениях (неориентированные),

b) направлены только в одной плоскости, как, например, у фиброторкрет-бетона, или

c) расположены в преимущественном направлении, как у бетонных элементов, изготавливаемых методом экструзии.

В качестве альтернативы для определенных областей применения могут быть использованы сплошные длинные волокна, уложенные в направлении ожидаемых растягивающих напряжений, как например, при применении бетона с текстильным армированием. В зависимости от распределения и направления волокон могут выявляться существенные различия в прочности и пластичности композиционных материалов.

У фибробетона можно различить два основных механизма действия фибры: противодействие приросту микротрещин и противодействие расширению трещин на мезо- и макроуровнях.

Рис. 4. Схематическое представление трещины в неармированном и фиброармированном бетоне — Рис. 4. Схематическое представление трещины в неармированном

В затвердевающем бетоне всегда возникают микротрещины, которые образуются вследствие ранних вынужденных напряжений и собственных напряжений, например, в результате усадки бетона или отвода тепла при гидратации цемента. В большинстве случаев они возникают в пористой зоне контакта «цементный камень/зерно заполнителя». С увеличением нагрузки начинается рост этих трещин. При попадании основания трещины на волокно дальнейшее распространение трещины на какое‑то время предотвращается, так как волокно воспринимает растягивающие усилия, действующие на основание трещины; трещина стабилизируется. Так как возникает множество коротких очень тонких невидимых микротрещин, то для эффективного предотвращения развития таких трещин важным фактором, прежде всего, является большое количество волокон с малым диаметром. Длина волокон при этом имеет второстепенное значение, так как на данной стадии развития трещины не происходит никаких относительных перемещений между волокнами и матрицей цементного камня.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к увеличению ширины и длины микротрещины и к сращиванию микротрещин в большие трещины. При этом происходит относительное перемещение волокон относительно матрицы цементного камня или строительного раствора, вследствие чего волокна, перекрывающие трещину, воспринимают растягивающие усилия за счет напряжений сцепления, и волокна могут передавать их через края трещины. Таким образом, распространение трещины и ширина её раскрытия ограничиваются. Рисунок 4 иллюстрирует различия в характеристиках трещин в неармированном и фиброармированном бетоне. После достижения предела прочности в неармированном бетоне разветвление трещины и сцепление её краёв являются главными факторами, которые позволяют передавать растягивающие усилия по «треснувшему» бетону. В зависимости от максимального размера зерна бетона, и начиная с ширины открытия трещины 0,1–0,3 мм, трещины уже практически не способны передавать растягивающее усилие. Сцепление краями трещины и её разветвление существуют также и в фибробетоне. Однако передача растягивающего усилия осуществляется главным образом с помощью волокон, которые закреплены в бетоне на обеих сторонах трещины.

Критическое значение содержания волокон

Влияние волокон на характеристики бетона увеличивается при увеличении содержания волокон. Однако в зависимости от геометрии волокон их содержание при определенных условиях ограничивается вследствие их негативного влияния на удобообрабатываемость бетонной смеси. В отношении количества добавляемых волокон важную роль также играют экономические соображения.

С уменьшением содержания волокон происходит плавный переход к характеристикам неармированного бетона. С увеличением содержания волокон, в зависимости от их характеристик и характеристик матрицы, в случае одноосного растяжения возможно достижение квазипластичных характеристик композиционного материала. Это специфическое поведение проявляется в результате образования многочисленных трещин при сохранении или даже увеличении способности композита воспринимать растягивающее усилие после достижения предела прочности его матрицы.

В соответствии с классической теорией композиционных материалов, составляющие напряжения, воспринимаемые матрицей и волокнами, определяются объемной концентрацией волокон V_F и соотношением модуля упругости n = E_F/E_M обоих компонентов. Эффективность фиброармирования повышается с увеличением значений V_F и n. Предел прочности композиционного материала при растяжении наряду с зависимостью от содержания волокон определяется, главным образом, типом волокон, их ориентацией (направлением укладки бетона по отношению к направлению испытаний) и сцеплением между матрицей и волокнами. Увеличение прочности на растяжение происходит только в том случае, когда со‑ держание волокон находится выше критического значения V_{F, crit}. Упрощенно это может быть выражено формулой (1):

$$V _{f,crit}=\frac{f_{t,M}}{\eta _0\cdot \eta _v\cdot f_{t,F}}$$

В этой формуле параметры f_t,M и f_t,F обозначают пределы прочности при растяжении матрицы и волокон. Значение коэффициента η₀≤1. Это означает, что не все волокна ориентированы в направлении действующего напряжения. Параметр η_V представляет коэффициент сцепления. Его значение <1, если сцепление между основной массой и волокнами является недостаточным для того, чтобы вызывать в волокнах напряжение растяжения, равное пределу прочности волокон при растяжении.

Рис. 5. Влияние содержания волокон на характеристику «напряжение-деформация» фиброармированного бетона (схематическое представление по образцу) — Рис. 5. Влияние содержания волокон на

На рисунке 5 представлено влияние содержания волокон на характеристику бетона «напряжение-деформация» при одноосной растягивающей нагрузке. В то время как неармированный бетон при достижении предела прочности при растяжении хрупко разрушается (пунктирная линия, V_F=0), у фибробетона восприятие нагрузки осуществляется также и после растрескивания матрицы бетона. При докритическом содержании волокон V_F<V_F,crit увеличение напряжения невозможно. Макротрещина локализируется, и следует ожидать резкого падения напряжения. Это падение стабилизируется вследствие воздействия волокон, с постепенным вытягиванием волокон из матрицы или их обрывом противодействие раскрытию трещины снижается до нуля.

При закритическом содержании волокон V_F>V_F,crit они могут принимать на себя напряжения растяжения, возникающие вследствие растрескивания бетонной матрицы, и также возможно дальнейшее увеличение напряжения. Здесь необходимо особо подчеркнуть, что формулы теории композиционных материалов хотя и позволяют прогнозировать критическое содержание волокон с хорошим приближением, однако не дают возможности для прогноза в отношении характеристики композиционного материала «напряжение-деформация». Теория композиционных материалов исходит из идеального сцепления обоих компонентов, так что геометрия волокон и фактические характеристики сцепления волокна и матрицы не могут учитываться.

Критическая длина волокон

Противодействие волокон раскрытию трещины может исчезать вследствие двух принципиально различных процессов, смотрим рисунок 6:

• Из-за полного разрыва волокон

• Из-за вырыва волокон из матрицы.

Какой из этих механизмов доминирует, зависит от прочности и геометрии волокон, а также от характеристик сцепления с матрицей. Прочность сцепления зависит как от качества поверхности волокон, так и от прочности окружающей бетонной матрицы. Одинаковые волокна в различных бетонах могут проявлять совершенно разные механизмы отказа. Критическую длину волокон l _crit можно определить с помощью анализа равновесия сил на волокне. При этом задается условие, что максимальные напряжения сцепления, возникающие на половине длины волокна l _H, находятся в равновесии с максимально воспринимаемым усилием растяжения волокон. При этом критическая длина волокна l _crit соответствует его минимальной длине, при которой может достигаться предел прочности вследствие напряжения сдвига на рабочей поверхности волокна (связь, основанная на силе сцепления). При докритической длине волокон прочность волокон не полностью реализуется. Происходит вытягивание волокон из матрицы, причем усилия могут передаваться далее посредством трения. При закритической длине волокна разрываются прежде, чем достигается прочность на сцепление и прежде, чем может осуществиться их вытягивание. Согласно данному подходу критическая длина волокон l _crit может быть упрощенно выражена с помощью формулы (2):

$$I_{crit}=\alpha \cdot 2I_H=\alpha \cdot \frac{f_{t,F}}{2\tau _m}\cdot d$$

Здесь f_t,F — предел прочности волокна при растяжении, d — диаметр волокна и τ_m — максимально воспринимаемое напряжение сцепления, усреднённое по длине волокна. Коэффициент α учитывает то, что трещина в матрице не всегда возникает посередине волокна. Поэтому коэффициент α должен быть >1.

Согласно выражению (2) геометрическим критерием для эффективности волокон является отношение длины волокна к его диаметру l/d. Воспринимаемое напряжение сцепления, к примеру, между гладкими стальными волокнами и бетоном, находится в диапазоне 1<τ_m<10МПа. Согласно выражению (2) со значениями τ_m=5 МПа; f_t,F = 1000МПа и α=2 определяется требуемое соотношение l/d≥200. Если это условие не выполняется, коэффициент сцепления η_V<1. Однако и тогда, а во многих случаях именно тогда, фиброармирование выгодно влияет на поведение композиционного материала. Для вытягивания волокон из матрицы необходима энергия, поэтому энергия разрушения композиционного материала значительно выше, чем для неармированной матрицы. Волокна, расположенные под углом к поверхности трещины, увеличивают значение энергии, необходимой для раскрытия трещины. То же самое относится к воздействию зацепов на концах волокон или аналогичных форм увеличения сопротивления фибры вытягиванию из матрицы.

На основании выражения (2) в [3] выводится выражение (3) для критического содержания волокон V_F,crit для бетона с трещинами с учетом геометрии волокон и воспринимаемого напряжения сцепления (3):

$$V_{F,crit}=\left( \eta \cdot \frac{\tau_m}{f_{t,M}} \cdot \frac{I}{d} - \frac{E_F}{E_M}+1 \right) ^{-1} \approx \frac{1}{\eta} \cdot \frac{f_{t,M}}{\tau_m} \cdot \frac{d}{I}$$

Здесь τ_m — максимальное воспринимаемое напряжение сцепления, определенное с помощью значения длины волокон, f_t,M — предел прочности матрицы при растяжении, d — диаметр волокна, l — длина волокна, E_F — модуль упругости волокна, E_M — модуль упругости матрицы, η — коэффициент, учитывающий распределение волокон, ≤1.

Типы фиброволокон и их распределение

В настоящее врем я в Германии фиброволокна относятся к стройматериалам, для которых еще не созданы стандарты. Для обеспечения возможности их применения в строительных элементах согласно DIN 1045 или других несущих строительных конструкциях необходимо наличие общего эксплуатационного допуска строительного надзора. Если характеристики прочности волокон должны учитываться при статическом расчёте, изготовленные строительные элементы из фибробетона нуждаются в особом эксплуатационном допуске центрального строительного надзора или согласии высшей инстанции строительного надзора соответствующей федеральной земли.

Среди стальных волокон различают гладкую и рифленую форму, а также волокна с утолщенными концами (для улучшения сцепления). Стальные волокна в основном обладают высокими пределами прочности при растяжении, от 1000 до 2500МПа, и вследствие своего высокого модуля упругости особенно привлекательны в качестве фиброармирования. Так как сцепление стального волокна с матрицей в большинстве случаев довольно слабое, предел прочности волокна при растяжении часто не достигается. Стальные волокна диаметром 0,2–1мм в фибробетоне применяются длиной примерно до 50мм. Значительным преимуществом стального волокна является его пластичность, что является важной характеристикой в отношении приготовления бетонной смеси и пластичности затвердевшего бетона.

Стекловолокна пригодны для производства фибробетона только при использовании особых видов стекла, так например, стекло, обычно применяемое для производства стеклопластиков, в щелочной среде бетона является нестойким. Однако в последнее время были разработаны сорта стекла с существенно улучшенным сопротивлением к воздействию щелочи (щёлочестойкое стекловолокно). Стекловолокна являются хрупкими и могут разрушаться уже при замесе бетона. Для минимизации (или предотвращения) данного эффекта предпочтительно их применение с мелкозернистыми бетонами пластичной консистенции.

Среди полимерных волокон наиболее оптимальными, прежде всего, являются те волокна, модуль упругости которых, как минимум, равен порядку модуля упругости цементного камня или превышает его. При низком модуле упругости волокна проявляют свою несущую способность только при значительном раскрытии трещины. За счёт, как правило, хорошего сцепления и малого диаметра синтетические волокна могут также эффективно применяться при длинах менее 30 мм. Из множества полимерных материалов, применяемых для производства волокон, до сих пор использовались — вследствие низкой стоимости и хорошей устойчивости к воздействию щелочей — преимущественным образом поливиниловый спирт (PVA) и полипропилен (PP). Последние применяются, в частности, для предотвращения растрескивания бетона во время пожара в случае применения высокопрочных бетонов.

На распределение и ориентирование волокон оказывает влияние крупность заполнителя. В то время как в мелкозернистом строительном растворе все частицы еще могут свободно перемещаться между волокнами, все зёрна заполнителя с размером, превышающим среднее теоретическое расстояние между волокнами, неизбежно приводят к неравномерному распределению волокон. Чем больше размер заполнителя, тем более выражен этот эффект, оказывающий отрицательное воздействие как на характеристики свежей бетонной смеси (например, возникновение блокировок), так и на характеристики затвердевшего бетона. Максимальный размер зерна в основном не должен превышать треть длины волокна. На ориентацию волокон оказывает влияние консистенция свежей бетонной смеси, направление бетонирования, геометрия строительного элемента и другие факторы. Ориентация волокон оказывает существенное влияние на механические характеристики фибробетона [3].

Механические характеристики фибробетона

В общем, механические характеристики сталефибробетонов имеют следующие отличия от характеристик обычных бетонов:

• увеличение предельного удлинения и энергии разрушения при сжимающей и растягивающей нагрузке,

• улучшение прочности на растяжение при растяжении и изгибе,

• остаточная способность к статической нагрузке после образования сквозных трещин,

• увеличение динамической и ударной прочности,

• увеличение усталостной прочности,

• уменьшение усадки и ползучести при значительном содержании волокон,

• низкая склонность к образованию трещин при быстрых изменениях температуры.

В следующих разделах избранные характеристики обсуждаются более подробно.

Характеристики при сжимающей нагрузке

Рис. 7. Влияние содержания волокон на кривую «напряжение-деформация при сжатии» для фибробетона [4] — Рис. 7. Влияние содержания волокон на кривую «напряжение-

Прочность фибробетона при одноосном сжатии с увеличением содержания волокон, как правило, немного возрастает. Причиной является противодействие образованию микротрещин, возникающих вследствие поперечных напряжений растяжения в нагруженном бетоне и преимущественно ориентированных параллельно направлению основных напряжений сжатия. Увеличенная сопротивляемость в направлении, поперечном направлению нагрузки, влечет за собой увеличение прочности при сжатии.

Рис. 8. Влияние соотношения длина / диаметр волокон (L/d) на кривую «напряжение-деформация при сжатии» для фибробетона [4] — Рис. 8. Влияние соотношения длина / диаметр волокон (L/d)

Более явным, чем увеличение прочности при сжатии, является повышение предельной деформации и, в особенности, энергии разрушения. С увеличением содержания волокон нисходящий участок кривой «напряжение-деформация при сжатии» фибробетона становится более пологим (рисунок 7). С этим связано и увеличение энергии разрушения (площадь под кривой). Причиной является отслоение от матрицы и вытягивание стальных волокон при расширении трещины. При неизменном содержании волокон в сталефибробетоне с увеличением соотношения «длина волокна/диаметр волокна» также увеличивается работа деформации (рисунок 8), так как предел прочности стальных волокон при растяжении, как правило, может быть полностью исчерпан только при значительных длинах анкеровки волокон. Волокна при незначительном соотношении длина/диаметр вытягиваются уже при существенно меньшей нагрузке.

Ориентация фиброармирования может отражаться на характеристиках материала в зависимости от направления нагрузки как благоприятным, так и неблагоприятным образом. Ориентация волокон обусловлена преимущественным образом процессом производства строительных элементов. Поэтому вблизи поверхностей опалубки, как правило, преобладает ориентация волокон в двумерном пространстве, параллельно поверхности. У фиброторкрет-бетона предпочтительное направление волокон обычно перпендикулярно по отношению к направлению набрызга. У литых бетонов при определённых обстоятельствах может наблюдаться оседание стальных во‑ локон и их выравнивание параллельно дну опалубки. То же самое может наблюдаться у подвижных бетонов, которые были уложены с помощью виброуплотнения.

Рис. 9. Влияние направления волокон на кривую «напряжение-деформация при сжатии» для фибробетона [5] — Рис. 9. Влияние направления волокон на кривую

На рисунке 9 представлено влияние ориентации волокон на характеристики фибробетона при сжимающей нагрузке. Как прочность при сжатии, так и удельная работа деформации бетона в случае испытания в направлении бетонирования (ортогонально по отношению к преимущественному направлению волокон) существенно выше, чем при испытании в направлении перпендикулярном к направлению бетонирования.

У высокопрочных и сверхпрочных фибробетонов часто выявляются меньшие значения прочности при сжатии, чем у таких же бетонов, не содержащих волокон. Это обосновывается, как правило, повышенной хрупкостью фиброармированного бетона. Кроме того, в зависимости от ориентации и качества сцепления с матрицей волокна могут действовать в качестве неоднородностей в мелкозернистой структуре таких бетонов и тем самым инициировать преждевременное образование трещин. На работу деформации высокопрочных и сверхпрочных бетонов добавление волокон оказывает положительное влияние.

Характеристики при одноосном растяжении и нагрузке на изгиб

Фиброармирование может в решающей мере оказывать влияние на прочность при одноосном растяжении и изгибающих нагрузках. Для увеличения прочности при растяжении содержание волокон должно превышать критическое значение. При испытаниях на разрыв образцов с длинными предпочтительно ориентированными волокнами (содержание волокон 2,4 объемных процента) в Техническом университете Дрездена было отмечено увеличение прочности на растяжение до значения 5,5‑кратного предельного значения для неармированной матрицы. Это приблизительно соответствует эффекту, максимально достигаемому за счет таких волокон. При использовании коротких неориентированных волокон, как правило, следует ожидать существенно меньшего увеличения предела прочности на растяжение и изгиб. Эффективность волокон также зависит от промежутков между ними. Малые промежутки приводят к значительному сопротивлению образованию и расширению трещин и вследствие этого к высокому значению предела прочности при растяжении [6].

Рис. 10. Диаграмма «усилие-прогиб» для бетонов с различным содержанием волокон [7] — Рис. 10. Диаграмма «усилие-прогиб» для бетонов с различным

У сталефибробетонов с обычным содержанием волокон прочность на растяжение при изгибе может увеличиваться до 20% за счет добавления волокон, а в отдельных случаях и более. Необходимым условием при этом является достаточное содержание волокон и хорошее сцепление волокон и матрицы. В этом случае всегда отмечается более значительный прогиб при максимальной нагрузке и, прежде всего, значительное увеличение энергии разрушения, смотрим рисунок 10. Вследствие этого также может наблюдаться значительное увеличение сопротивления строительного элемента по отношению к динамической нагрузке. При циклической нагрузке добавление волокон приводит к существенному улучшению прочности при изгибе в пульсирующем цикле. Прочность при изгибе для пульсирующего цикла — это значение прочности на растяжение при изгибе, которое может быть определено на образце после 10 миллионов циклов нагрузки. Тогда как у неармированных бетонов это значение соответствует 50–60% статической кратковременной прочности на растяжение при изгибе, вследствие добавления волокон оно может увеличиваться до 90–95%. При добавлении волокон из полипропилена улучшение выражено менее отчетливо. Прочность при изгибе для пульсирующего цикла достигала при испытаниях значения порядка 70% статической кратковременной прочности на растяжение при изгибе.

Концепция расчёта несущей способности сталефибробетона

С введением в 2002 г. нового поколения стандартов DIN 1045 «Несущие конструкции из бетона, железобетона и преднапряженного бетона» изменилась, в частности, методика расчета ограничения образования и раскрытия трещин, а также почти все понятия и обозначения.

Памятка DBV «Сталефибробетон» [8] была представлена уже в октябре 2001 года в переработанной редакции. Она адаптирована к новому поколению стандартов и включает в себя данные об изготовлении, расчёте и конструктивной проработке, производстве строительных работ и контроле изделий из сталефибробетонов, включая необходимые испытания. В памятке приводится классификация сталефибробетонов на основании эквивалентных значений предела прочности при растяжении в классах фибробетонов. В связи с этим проектировщик несет ответственность только за выбор класса фибробетона, а не за выбор типа и количества волокон, то есть за состав бетона. Эти параметры находятся в сфере ответственности производителя фибробетона. При этом рассматриваются исключительно фибробетоны с докритическим содержанием волокон. Это бетоны, которые при напряжении растяжения после образования первой трещины обнаруживают характеристики разупрочнения.

В данную памятку вошло содержание и данные из известных на тот момент памяток DBV «Основы расчёта полов из сталефибробетона для производственных помещений», «Основы расчёта сталефибробетона в тоннелестроении» и «Технология сталефибробетонов и торкретбетонов со стальными волокнами».

Расчёт согласно памятке DBV

Определение параметров строительных элементов из сталефибробетона осуществляется по тем же принципам, что и для железобетона, то есть действуют положения стандарта DIN 1045–1. Расчёт при этом необходимо согласовывать с методом определения внутренних сил и моментов. Расчёт для предельного состояния пригодности к применению (GZG) осуществляется, как правило, с помощью задания предельной ширины трещины. При определении предельного состояния несущей способности (GZT) для сталефибробетона в зоне растяжения задается блок напряжений, форма которого с увеличением расстояния от нулевой линии отражает уменьшение напряжения. Важной характеристикой данного распределения напряжений является эквивалентный (остаточный) предел прочности при растяжении сталефибробетона.

Рис. 11. Опытное определение рабочей характеристики сталефибробетона путём испытания на изгиб [8] — Рис. 11. Опытное определение рабочей характеристики сталефибробетона путём

Так как определение остаточной прочности при осевом растяжении является трудоемким, в памятке DBV регламентировано проведение испытаний на растяжение при изгибе (в качестве замены), смотрим рисунок 11.

С помощью этого испытания определяется рабочая характеристика материала и на её основании — так называемая «эквивалентная прочность на растяжение при изгибе». На основании данной характеристики с помощью поправочных коэффициентов выводится эквивалентный предел прочности при растяжении сталефибробетона.

Рис. 12. К определению эквивалентных значений прочности на растяжение при изгибе feq,I и feq,II [9] — Рис. 12. К определению эквивалентных значений

Эквивалентные значения прочности на растяжение при изгибе f_eq,I и f_eq,II определяются по значениям усилий F_0,5 и F_3,5 для двух характерных значений прогиба δ₁=0,5мм и δ₂=3,5мм (смотрим рисунок 12 ). Дополнительно определяется работа деформации фибробетона (площадь под кривой зависимости прогиба от нагрузки). Определенное эквивалентное значение прочности на растяжение при изгибе зависит от содержания волокон и отношения длины к диаметру. В зависимости от области применения сталефибробетона необходимо соблюдать различные правила расчета значения эффективного содержания волокон.

Для обеспечения достаточного сцепления стальных волокон, в GZT максимальная ширина трещины ограничивается значением 1/20 длины волокна и, кроме того, она не должна превышать 3мм.

Директива DАfStb в отношении сталефибробетона

Так как памятка DBV «Сталефибробетон» не обладает функцией стандарта, Немецким комитетом железобетонных конструкций (DАfStb) была разработана директива для сталефибробетона [9]. Директива будет в ближайшее время введена в строительные правила строительным надзором Германии, что является актом стандартизации и что, несомненно, приведёт к расширению применения сталефибробетона. Директива регламентирует бетоны исключительно до класса по прочности на сжатие С50, в которые добавляются стальные волокна в различном объеме и различной формы. До указанного класса прочности содержащиеся в директиве правила расчёта достаточным образом подтверждены экспериментальными методами. При этом различают эквивалентный предел прочности для оценки эксплуатационного состояния (малые значения ширины трещин) и для предельной нагрузки (большие значения ширины трещин). В соответствии с этим директива осуществляет классификацию сталефибробетонов на основании остаточной прочности на растяжение при изгибе по двум классам:

L1 для малых деформаций (эксплуатационное состояние);
L2 для значительных деформаций (состояние предельной нагрузки).

Эти классы определяются проектировщиком в соответствии со статическими требованиями. Для достижения определённого класса необходимый состав бетонной смеси определяется производителем (включая тип и содержание волокон) и подтверждается с помощью испытаний пригодности материала. При этом определение содержания стальных волокон может осуществляться либо методом вымывания, либо, в качестве альтернативы, с помощью индуктивных методов.

Рис. 13. Диаграмма «напряжение - удлинение» для сталефибробетона при растягивающей нагрузке согласно директиве DAfStb [9]. — Рис. 13. Диаграмма «напряжение - удлинение» для сталефибробетона

Классификация и подтверждение качества осуществляются на основании осевого растягивающего напряжения в стадии разупрочнения, которое, в свою очередь, определяется на основании испытания на растяжение при изгибе с последующим пересчётом. С помощью установленных значений можно построить график «напряжение — удлинение», применяемый для расчётов (рисунок 13).

В отличие от памятки DBV в директиве принимаются одинаковые значения предельного относительного удлинения, как при расчёте железобетонных конструкций. Поэтому и в случае комбинации фибробетона с традиционной стальной арматурой возможно определение несущей способности элементов конструкции при единой схеме.

Для расчета значений ширины трещин директива указывает на условие Ниманна [10]. В соответствии с этим значения ширины трещин могут уменьшаться на 50% благодаря дополнительному применению сталефибробетона с обычными классами прочности. В качестве альтернативы допускается уменьшить вдвое необходимое содержание стальной арматуры при заданном значении ширины трещины.

Библиография

[1] Fischer G. (2005) Structural Applications of Engineered Cementitious Composites (ECC). In: Ultra-ductile concrete with short fibres: Development, Testing, Applications, V. Mechtcherine (ed.), ibidem Verlag, pp. 121–133.

[2] Mechtcherine V., Lieboldt M.: Permeation of water and gases through cracked textile reinforced concrete. Cement Concrete Comp 33 (2011) 725 – 734.

[3] Müller H. S., Reinhardt H.‑W. (2010) Beton. In: Betonkalender 2010, Ernst & Sohn Verlag, Berlin, 2010, Band 1, pp. 293–436.

[4] David A. F., Naaman A. E. (1985) StressStrain Properties of Fibre Reinforced Mortar in Compression. ACI Journal, pp. 475–483.

[5] Bonzel J., Schmidt M. (1985) Verteilung und Orientierung von Stahlfasern im Beton und ihr Einfluss auf die Eigenschaften von Stahlfa‑ serbeton. Betontechnische Berichte 1984/85.

[6] Mechtcherine V. (Ed.) (2005) Ultraductile concrete with short fibres: Development, Testing, Applications. ibidem-Verlag, Stuttgart.

[7] Lin Y. (1996) Tragverhalten von Stahlfa‑ serbeton. Schriftenreihe des Instituts für Massivbau und Baustofftechnologie, Universität Karlsruhe, Heft 28.

[8] DBV–Merkblatt Stahlfaserbeton (2001) Fassung Oktober 2001, Deutscher Beton- und Bautechnik — Verein E.V. Berlin.

[9] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb) (2008) Richtlinie Stahlfaserbeton — Entwurfstand 2008–07–10

[10] Niemann P. (2004) Gebrauchsverhalten von Bodenplatten aus Beton unter Einwirkungen infolge Last und Zwang. Dissertation an der TU Braunschweig, Heft 545 des DAfStb.

[11] Butler M., Lieboldt M., Mechtcherine, V.: Application of Textile-Reinforced Concrete (TRC) for Structural Strengthening and in Prefabrication. In: Advances in Cement-based Materials, G. van Zijl and W.P. Boshoff (eds.), Taylor & Francis Group, London, 2010, pp. 127–136.