Оптимизация параметров стальной фибры с целью повышения ее эффективности для достижения максимально возможных физико-механических характеристик фибробетона на ее основе привела нас к необходимости выявления критериев ее оценки по геометрии, прочности, свойствам ее поверхности, способности, не создавая технологических сложностей при работе с СФБ-смесью по всем технологическим переходам, долговечно и полноценно «работать» в бетоне. Необходимость эта возникает еще и потому, что в настоящее время появляется все больше и больше видов фибры, для «подтверждения» преимуществ которых появляется большое количество материалов рекламного характера, утверждающих, что та или иная фибра дает высочайшие физико-механические характеристики сталефибробетона. Все это приводит к тому, что зачастую исполнители работ берут не ту фибру, на основе которой сталефибробетон приобретает физико-механические характеристики, отвечающие требованиям проектной документации, а ту, по которой продавец дает наименьшую цену или подкрепляет закупку хорошим «откатом», убедительно заявляя, что его фибра «самая лучшая». В конечном итоге отсутствие достаточно простых и понятных критериев приводит к тому, что потребитель фибры не может обьективно оценить, если не руководствуется (в силу каких – то серьезных причин-сроки, недостаток финансирования и пр.) указаниями проектной документации, какой тип фибры покупать. В результате «легкого, коммерческого» подхода к выбору типа фибры в работе получают основной и главный недостаток: отсутствие фибровой армирующей сетки по всему обьему бетона (основное преимущество СФБ перед бетоном с традиционным армированием), что, в конечном итоге приводит к появлению трещин от действия проектных нагрузок с тенденцией дальнейшего развития до сквозных и появлению каверн на поверхности покрытия от динамических нагрузок. В случае длинных плеч перевозок СФБ-смеси самосвалами – расслоение с потерей равномерности распределения фибры по обьему, что опять же при водит к локальным областям низких физико-механических характеристик с дальнейшими проблемами при эксплуатации покрытий.

В настоящей статье мы попытаемся определиться, каким путем необходимо идти, чтобы иметь понятие о тех простых и понятных даже неспециалисту критериях, по которым можно и нужно сравнивать виды фибр, чтобы не иметь неприятных последствий для дела. 

Для проработки возьмем наиболее широко применяемые в РФ виды фибр и используем данные, полученные из научно-технического отчета СМ-05-5623/3 ОАО ЦНИИС, утвержденного 11мая 2006г., по научно-исследовательской работе «Провести сравнительные испытания образцов СФБ с фиброй HAREX, DRAMIX, Челябинка, МагФибрастрой и выбрать наиболее эффективную из них».

Заключение договора с ОАО ЦНИИС по выполнению работы по данной теме было вызвано необходимостью определить направление по совершенствованию характеристик стального волокна с целью повышения физико-механических характеристик сталефибробетона на его основе.

Поставим задачу: оценить основные отличия по параметрам фибр, определить, за счет чего сталефибробетон получает настолько разные прочностные характеристики?

Сравнение ведем по следующим, наиболее простым параметрам:
1.Условный диаметр — dусл;
Формулы определения dусл
«Образец» — 10 шт отобранных фибр. Для исключения ошибок – минимум 3 «образца».
Случайный выбор.
L-общая длина фибр в «образце», см. Измерение штангенциркулем.

analyzis_f1

Переходим к сравнительному анализу с кратким описанием фибр:

HAREX

Стальная фрезерованная фибра типа HAREX

Стальная фрезерованная фибра типа HAREX

«Стальная фрезерованная фибра типа HAREX изготавливается путем фрезерования заготовок (слябов). Фибра представляет собой пластину серповидного поперечного сечения, полого, закрученную вдоль продольной оси, с плоскими анкерными отгибами (зацепами) на обоих концах длиной до 2 мм. Длина фибры – 32 ± 2 мм, ширина – 3,0 ± 1,2 мм; скручивание относительно продольной оси – 70° ± 30°

Фибра стальная фрезерованная HAREX изготавливается путём сухого фрезерования без использования смазывающих и эмульсионных веществ. Для изготовления фрезерованной фибры используются стальные слябы из углеродистых сталей обычного качества. Специальная конфигурация инструмента и высокая температура процесса резки позволяют получить стальную фибру треугольного сечения с двумя шероховатыми и одной гладкой поверхностями и характерным синеватым оттенком – окисным слоем, препятствующим образованию и развитию коррозии в процессе хранения, транспортировки и эксплуатации фибры внутри бетона» [источник: сайт компании-изготовителя]. Условный диаметр фибры HAREX, определяемый по вышеуказанным формулам, по имеющимся в нашем распоряжении образцам:

  1. dусл ≈ 0,98мм. lср=32,4мм;
  2. Отношение l/d=32,4:0,98≈33,06;
  3. расчетное сопротивление растяжению 400-600Н/мм2;
  4. Вес (средний) одной фибры ≈ 0,183г.

DRAMIX (Hendix™ 1/50),

Фибра проволочная, типа марки DRAMIX (Hendix™ 1/50)

Фибра проволочная, типа марки DRAMIX (Hendix™ 1/50)

Фибра стальная проволочная анкерная М50 — представляет собой отрезки проволоки с изогнутыми концами, повышающими анкеруемость фибр в бетоне. Фибра изготавливается из стальной низкоуглеродистой и высокоуглеродистой проволоки по ГОСТ 3282, ГОСТ 9389. ТУ ВY 400074854.011. ТУ ВY 400074854.020. или другими ТНПА. Проволока применяемая для изготовления фибры, может быть с покрытием из меди, латуни, бронзы или без покрытия.

По имеющимся в нашем распоряжении образцам:

  1. dусл=1мм; l=50мм;
  2.  l/d = 50;
  3. расчетное сопротивления растяжению 900 – 3350Н/мм2;
  4. вес одной фибры ≈ 0,183г.

FIBAX (Проволочная)

FIBAX (Проволочная фибра)

FIBAX (Проволочная фибра)

Проволока, применяемая для изготовления фибры, может быть с покрытием из меди, латуни, бронзы или без покрытия.

Длина гофры 8,0±1,0;
высота гофры h=2,2±0,8;
длина фибры L 40, 50, 60, 70, 80мм;

1. dусл- 0,8; 1; 1,2мм;
2. l/d= 50 (для L 40 и диаметр 0,8);
3. Расч. сопр. растяжению = 950Н/мм2;
4. Вес одной фибры (0,8х40) ≈ 0,2

MIXARM (Проволочная)

MIXARM (Проволочная фибра)

MIXARM (Проволочная фибра)

Длина фибры 54±4мм;  диаметр шляпки 1,8мм;

1. dусл= 1мм; .
2. l/d= 54;
3. Расч. сопр. растяжению 1100 Н/мм2;
4. Вес одной фибры ≈ 0,25г.

 

 

 

Челябинка (фрезерованная из листа)

Фибра стальная "Челябинка"

Фибра стальная «Челябинка»

 

 

1. dусл≈0,63мм; lср=37мм;
2. l/d =37:0,63≈59;
3. Расч. сопр. растяжению ≈400МПа.
4. вес одной фибры ≈ 0,096г

 

 

МагФибраСтрой (FIBREX, фрезерованная из листа)

МагФибраСтрой (FIBREX, фрезерованная из листа)По имеющимся в нашем распоряжении образцам:
1. dусл ≈ 0,86мм; lср =40,5мм;
2. l/d ≈ 40,5:0,86≈47;
3. временное сопротивление разрыву 440МПа
4. вес одной фибры ≈ 0,182г;

 

 

Сводная таблица №1 основных характеристик фибр.

 

Таблицы по анализу фибр

Отечественные и зарубежные источники по вопросам сталефибробетона практически единодушно константируют, что приготовленный на различных типах стальных волокон, он имеет тем выше физико-механические характеристики, чем большее количество волокон на единицу обьема матричного бетона, при прочих равных условиях, он имеет. То есть чем выше дисперсность волокна, тем более высокими физико-механическими характеристиками обладает сталефибробетон. Это подтверждается исследованиями ЦЛПБ ОАО ЦНИИС (см.табл. 2), с учетом данных табл 1.

При этом отношение общей длины волокна к его условному диаметру (l/d) должно быть не менее 50 при наибольшем размере крупного заполнителя 20мм, верхний же предел отношения диктуется технологической возможностью равномерного распределения (без комков, сгущений и «ежей) в массе бетона и он не должен быть более 70 (разумеется, без специальных методов распределения фибры в матричном бетоне, вплоть до ручной раскладки).

С учетом приобретенного опыта работы с различными составами СФБ и различными видами фибр (с 1997г) нужно добавить, что технологически, для обеспечения отсутствия проблем при приготовлении СФБ («ежи»,  сгущения), для стальной фибры должно соблюдаться оптимальное условие l/d ≥ 50-60. Кроме этого, анализируя получение высоких физико-механических характеристик составов СФБ, нужно в обязательном порядке отметить исключительную значимость в этом такого показателя фибры, как активная длина. Под активной длиной фибры понимается длина части фибры, которая получается, если из общей ее длины вычестьanalyzis_f2

Физическая суть термина «активная длина фибры» заключена в размере охватываемой ею области микрообьема бетона, внутри которой фибра препятствует появлению и раскрытию трещин от внешних нагрузок. По смыслу становится понятным, что чем большее количество таких армированных фиброй микрообьемов в массе бетона будет в наличии, тем выше будут физико-механические характеристики конструкции в целом.

Прочность фибры на растяжение при этом должна быть больше прочности матричного бетона на сжатие не более чем на 30%, т.к. излишний потенциал прочности проволочной фибры не реализуется из-за того, что матричный бетон не удерживает анкер, следовательно фибра, при достижении возможностей бетона по удержанию анкера, выдёргивается. Следовательно, нельзя ориентироваться на высокую прочность на растяжение фибр, желая повысить физико-механические характеристики СФБ.  Гораздо эффективнее это можно получить, имея фибру с прочностью всего на 30% больше прочности матричного бетона на сжатие, но с фиброй высокой дисперсности и максимальной «активной» длиной, с обязательным выдерживанием условия по соотношению l/d. Это выводы из проведенных исследований.

Попробуем подойти к этому вопросу с другого конца.

Наиболее значимые физико-механические свойства при прочих равных условиях
получаются при:

  1. Наличии в бетоне 75% фракции 10-20 крупного заполнителя;
  2. Отсутствии лещади, либо ее наличии не более 10-15% по массе;
  3. Равномерном распределении фибры по всему обьему бетона.

Для упрощения примем, что фракция 10-20 состоит из «зерен» 15х15х15 (мм), т.е. каждое такое «зерно» занимает обьем 0,000 003 375м3. И таких обьемов в кубе бетона 296 296шт.  Для того, чтобы связать между собой данные «зерна», необходимо каждое «зерно»  относительно каждого зафиксировать в трех координатах, т.е. на каждое зерно должны действовать три растяжки. Следовательно, на каждое «зерно» в идеальном варианте распределения фибр в обьеме бетона, должны действовать 3 фибринки по трем координатным направлениям, причем каждая из них должна находиться к поверхности «зерна» достаточно близко и на каждое зерно должно приходиться не менее трети ее «активной длины», чтобы обеспечить связку между ней и «своим» «зерном» и соседними «зернами». Таким образом количество фибр, которое «идеально» распределено в бетоне и связывает в «идеале» все имеющиеся в составе бетона «зерна», каждое из которых обеспечено 3-мя фибрами должно равняться 296296х3 = 888888 шт. фибр. При этом фибра должна иметь «активную» длину не менее 21мм, а с учетом обеспечения анкеровки, общая длина ее увеличивается на длину анкеровки, подсчитанную по указанным выше формулам в соответствии с типом фибры. Понятно, что наилучший результат связывания, и, соответственно самые высокие физико-механические характеристики СФБ будут получаться с применением кубовидного щебня.

При выдерживании таких условий в структуре матричного бетона организуется
армирующая сетка из стальных волокон, которая обеспечивает высокую прочность СФБ на растяжение при изгибе, высокую трещиностойкость, пластичное поведение бетона под проектными нагрузками, обеспечивающее возвращение после снятия внешних нагрузок
возврат к прежним размерам и значительно более высокую долговечность, чем
традиционно армированный бетон.

Таким образом можно определить критерии для выбора типа фибры:

  1. Высокая дисперсность
  2. 100%-ная анкеровка в бетоне (отсутствие выдергивания концов фибр под действием внешних нагрузок)
  3. Равномерность размешивания без наличия сгущений фибры в смеси

То есть первым и главным условием выбора является наличие однородных ФМХ по всему обьему сталефибробетонной конструкции, а это достигается только выполнением первых 2-х критериев.

Достижение высокой дисперсности возможно только уменьшением условного диаметра фибинок.  Но! Для стальной фибры условный диаметр ограничен нижним пределом 0,3мм в силу экономических условий: для проволочных типов фибры стоимость серьезно возрастает с уменьшением диаметра проволоки. К примеру, сегодня проволочная фибра с условным диаметром 1мм, еще конкурентоспособна, а с уменьшением по диаметру на 0,1-0,2мм уже выходит за пределы конкурентно-приемлемой по сравнению с другими типами фибр из-за высокой стоимости исходного сырья.

Верхний предел значением в 1мм является практически технологическим ограничением для широкого (не специального) применения в силу обязательного условия l/d≥50 и, кроме того, низкой дисперсностью. Увеличение общей длины фибры свыше 50мм влечет за собой осложнения при приготовлении и укладке смеси и требует специальных методов введения фибры в состав бетона, вплоть до (при длине фибры более 70мм) ручной раскладки.

Большая жесткость при изгибе такой фибры серьезно ухудшает степень виброуплотнения. Кроме этого, при определенных параметрах крупного заполнителя, из-за высокой прочности на изгиб, после прохождения виброрейки, такая фибра концами может высовываться на поверхность (1-2мм) из-за наличия остаточных изгибных напряжений по длине фибры, вызванных прохождением уплотняющих плоскостей виброрейки и их силовым воздействием при этом на концы фибр при защемлении других их концов крупным заполнителем. После становится проблематичным дальнейшая обработка поверхности для подготовки поверхности под дальнейшую поверхностную обработку. Более того, остаточные изгибные напряжения фибринок даже по окончании твердения, при малейшем приложении локальных нагрузок, могут вызвать отслоение бетонных пластинок (локальное) в пределах: в длину до 20мм и шириной до 5-7мм, с предельной глубиной до 3-х мм. (См. фото на страничке нашего сайта «Промышленные полы»). Это явление особенно проявляется в случае ускоренного твердения сталефибробетона и в случае, если имеет место повышенный процент крупной фракции щебня — в общей массе щебня. Именно это явление вызывает выход концов фибр, обладающих большой жесткостью, на поверхность слоя, а так же и по мере выщербления бетона в процессе эксплуатации. Выход концов фибр на поверхность вызывает повышенный износ шин и даже проколы их в процессе движения транспорта, если нет дополнительного покрытия СФБ-основания.

Для стального волокна, фрезерованного из листа, по условному диаметру, действуют те же условия, что и для проволочного: чем меньше толщина листа, из которого делают фибру, тем меньше dусл, тем дороже фибра, при этом, если величина его менее 0,4мм, длина, соответственно, должна быть не менее 20мм, но при этом наибольший размер крупного заполнителя должен быть не более 10мм, т.к. по исследованиям и проведенным спытаниям оптимальная длина стальных волокон должна быть в пределах в 1.8÷2 раза больше наибольшего размера крупного заполнителя. Причем в исследованиях наиболее высокими, при прочих равных условиях, получались физико-механические характеристики с длиной волокон в 1,8раза больше наибольшего размера крупного заполнителя (фракция щебня 5-10 составляла не менее 25%, остальное 10-20) с отсутствием проблем при перемешивании. Наиболее приемлемым в соотношении уровеня физико-механических характеристик сталефибробетона и качества СФБ-смеси при такой длине стального волокна является диапазон dусл= 0,4 ÷0,7мм. Эта же величина позволяет наиболее технологично осуществлять процесс приготовления сталефибробетонной смеси с высокой степенью равномерности распределения фибры по обьему бетона. Кроме этого совершенно отсутствует, в силу малой жесткости на изгиб, явление выхода концов фибры на поверхность, как во время уплотнения, так и по окончании твердения и в процессе эксплуатации. Это позволяет применять (при необходимости, например, в условиях низких температур) такой сталефибробетон в дорожных конструктивах без покрытия асфальтобетоном (автодороги, ВПП аэродромов и т.д.). Необходимо отметить, что работа дорожного полотна из СФБ без покрытия асфальтобетоном, по мере эксплуатационного износа, приводит к выходу фибры на поверхности покрытия, что, в случае применения фибры с высокой изгибной прочностью, приводит к повреждению шин. Замедлить выход фибры на поверхность, т.е. увеличить износостойкость поверхности дорожного покрытия з СФБ можно применяя упрочняющие пропитывающие составы.

 Настоящей статьей мы попытались обосновать и разьяснить заинтересованным организациям основные положения, которыми необходимо пользоваться при решении вопроса о применении того или иного типа фибр. Однако право выбора типа фибры – за проектной организацией, т.к. проект-это расчет. Изменения в проекте в отношении типа фибры должны в обязательном порядке согласовываться с проектной организацией и исключения из этого могут привести к весьма негативным последствиям. О них мы поговорим в следующей статье.

Директор ООО НПК «ВОЛВЕК ПЛЮС» Вострецов Ф.И.