НЕЙЛОМИКРОФИБРА И НЕЙЛОБЕТОН

Ужесточение требований к безопасности зданий и сооружений привело к необходимости повышения показателей физико-технических свойств и долговечности строительных материалов, применяемых при строительстве, реконструкции и ремонте. Известно, что цементные бетоны, наиболее широко применяемые среди всех других материалов, обладая высокой прочностью на сжатие, имеют сравнительно низкие показатели прочности при растяжении и изгибе, трещиностойкости. Успехи бетоноведения обеспечили возможность получения высококачественных бетонов прочностью на сжатие, необходимых при строительстве высотных зданий. Однако при значительном повышении прочности бетонов на сжатие прочность бетонов на растяжение повышается незначительно, что снижает возможности и эффективность их применения.

Для улучшения показателей свойств бетонов применяется дисперсное армирование бетона нейлоновыми волокнами. При введении в бетон волокна повышается прочность, поэтому нейло-микрофибру можно классифицировать по ГОСТ 24211-2008 как добавку, повышающую прочность бетона. Армированный дисперсными волокнами бетон называют фибробетоном.

Проблемы фибробетонов в последнее время приобретают особую актуальность в связи с необходимостью значительного улучшения качества при снижении материалоемкости, трудоемкости и энергоемкости железобетонных конструкций, что отражено в перечне «Приоритетные направления развития науки и техники и критические технологии федерального уровня» и отвечает основным направлениям Российской Федерации в области развития науки и технологий.

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 так далее) 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.

В заводском производстве на долю арматуры приходится около 20 % себестоимости железобетонных изделий, поэтому вопросы организации арматурных работ на заводах сборного железобетона являются важнейшими и в техническом, и в экономическом отношениях. По виду армирования железобетонные из-делия делят на предварительно напряженные, с обычным армированием и с дисперсным армированием. Армирование осуществляется с помощью плоских сеток и пространственных каркасов, изготовленных из стальных стержней различного диаметра, сваренных между собой в местах пересечений.

Армирование – важный элемент производства, в значительной мере определяющий долговечность зданий и сооружений. Положение арматуры в теле конструкции строго регламентировано. Проектное положение арматуры в изделии обеспечивается ее фиксацией в форме до бетонирования. Фиксируют арматуру в форме инвентарными устройствами.

Закладные детали приваривают к арматурному каркасу или закрепляют в формах винтами. Тяжелые арматурные каркасы устанавливают механизированным способом – кранами. В железобетонных конструкциях с обычной ненапряженной арматурой в процессе эксплуатации в растянутой зоне могут возникнуть трещины. Создание в растянутой зоне бетона сжимающих напряжений путем предварительного натяжения арматуры позволило значительно повысить трещиностойкость изделий и уменьшить их деформативность, появилась возможность использовать высокопрочные стали, при этом достигается до 40 % экономии металла [1].

Существует также дисперсное усиление ЖБИ [5]. В таком случае в жидкий раствор вносится специальное фибровое нейловолокно. Готовый материал получается крайне устойчивым к истирающим воздействиям и более жестким, чем неупрочненный вариант. Известно, что значительной проблемой при эксплуатации железобетонных конструкций в агрессивной к металлу среде, является быстрое разрушение сооружений, вследствие коррозии металла. Именно в таких случаях оптимальным вариантом продлить жизнь бетонных конструкций является замена металлической арматуры на неметаллическую. Поскольку стекло-пластиковые стержни не подвержены коррозии, то замена внутреннего силового каркаса равной по прочно-сти композитной арматурой даст желаемый результат.

Главная задача нейломикрофибры – перераспределение напряжений в материале (если эти напряжения не перераспределить, то конструкция начинает трескаться).

Опыты доказали, что применение нейлофибры придает бетону особенные свойства: трещины пластической усадки бетона практически исключены, снижается вероятность термического растрескивания и по-вышается удобоукладываемость бетонной смеси в опалубку.

Применение нейломикрофибры при цементировании обсадных колонн скважин в качестве добавки в тампонажные растворы, на основе «самозалечивающихся» цементов с добавкой эффективных реагентов газоблокаторов, которые обеспечивают целостность затрубного пространства, сохраняя герметичность цементного кольца, защищая от появления в бетонном камне микроканалов и микрозазоров. Дополнительная герметизация МКП достигается за счет заполнения его гель-полимерными составами с применением нейлофибры, создающими постоянное воздействие столба жидкости на газовые пласты после окончания строительства скважин.

Современное строительство напрямую связано с задачами повышения эффективности строительного производства, снижению стоимости и трудоемкости технологических процессов, экономному использованию материальных и энергетических ресурсов, применению новых прогрессивных материалов. Одним из перспективных конструкционных материалов являются дисперсно-армированные бетоны. Такие бетоны представляют собой одну из разновидностей обширного класса композиционных материалов, которые на

сегодняшний день все более широко применяются в различных отраслях промышленности. Дисперсное армирование осуществляется волокнами нейлофибры, равномерно рассредоточиваемыми в объеме бетонной матрицы.

Первый в мире патент на фибробетонную конструкцию был получен российским ученым Некрасовым В.П. в 1909 году, а широкое развитие исследования по разработке фибробетонов и методов расчета конструкций из них получили с 60-х годов ХХ века [4].

Первое масштабное практическое применение фибробетона в России можно датировать 1976 годом, когда его впервые использовали для строительства взлетно-посадочной полосы. Но в то время данный материал не получил широкого применения в нашей стране, так как технология производства фибробетона и сама фибра на тот момент были несовершенны. В настоящее время интерес к применению волокон как основы строительных конструкций заметно возрос, особенно при использовании таких волокон в качестве арматуры. Такой интерес вызван стремлением специалистов существенно повысить физические показатели бетонных конструкций, к которым современное строительство предъявляет все более высокие требования. Также учитывается непрерывное увеличение потребления природных ресурсов, повышение расхода энергии, увеличение образующихся отходов, загрязнение окружающей среды из-за роста производства. Известно, в частности, что количество энергии требующейся для производства бетонов, оказывается минимальным по сравнению с количеством энергии, необходимой для изготовления стали, алюминия, стекла.

Армирование бетонов приводит к соответствующему повышению энергоемкости материала. Использование волокон вторичного нейлона в качестве арматуры с целью преодоления недостаточной прочности при растяжении бетонных материалов может создать предпосылки для получения бетонов нового типа, с более широкими возможностями их применения в строительстве. Как и в традиционно армированных структурах, упрочнение волокнами основывается на предположении, что материал бетонной матрицы передает волокнам приложенную нагрузку посредством касательных сил, действующих по поверхности раздела, и таким образом, основную долю напряжений воспринимают волокна.

Мировой опыт исследования и применения дисперсно-армированных бетонов показывает, что введение волокон обеспечивает: улучшение прочностных характеристик бетонов, повышение трещиностойкости, ударо- и износостойкости, статической прочности при различных силовых воздействиях; повышение эксплуатационной надежности конструкций при воздействии агрессивной среды за счет улучшения структуры бетона; возможность сокращения рабочих сечений конструкций, в ряде случаев уменьшение расхода или полный отказ от использования стержневой арматуры [2].

Анализ технической литературы позволил определить эффективные области использования различных видов волокон вторичного нейлона в качестве дисперсной арматуры и выделить некоторые закономерности, которые могут считаться общепризнанными: свойства фибробетона определяются видом применяемых волокон и бетона, их количественным соотношением и во многом зависят от состояния контактов на границе раздела фаз; существенное повышение прочностных характеристик композита по сравнению с исходным бетоном с сохранением достигнутого уровня во времени обеспечивается использованием высокотехнологичных волокон вторичного нейлона, химически устойчивых по отношению к матрице и с большим чем у нее модулем упругости; относительная длина и процентное содержание в смеси должны назначаться, исходя из требований к изделиям и конструкциям с учетом принятой технологии, отступление от оптимальных значений указанных параметров в большую или меньшую сторону снижает эффективность дисперсного армирования; при оптимальных параметрах армирования введение волокон способствует улучшению структуры и свойств исходного бетона, повышению его стойкости и долговечности.

Отмечаются множественные преимущества нейлобетона: снижение затрат на строительство при ис-пользовании нейломикрофибры для армирования вместо армирующей сетки или каркаса; расход бетона с применением фибры значительно меньше; в отличие от остальных видов бетона фибробетон не теряет своих технических характеристик даже после окончания срока службы, поскольку благодаря фибре материал становится вязким.

Научные исследования показали что нейлоновая микрофибра может быть использована не только при строительстве зданий и сооружений, но и при ремонте бетонных покрытий дорог и взлетно-посадочных полос аэродромов [3]. К примеру, известен состав который содержит фосфатно-магниевое вяжущее, нейлоновую микрофибру, наполнитель – песок, щебень и воду, причем фосфатно-магниевое вяжущее имеет состав, масс. %: оксид магния 25–35, однозамещенный фосфат аммония и/или однозамещенный фосфат натрия 15–25, полифосфат натрия 1–30 от массы однозамещенных указанных фосфатов, шамот 35–50, в качестве микрофибры - нейлоновую микрофибру и дополнительно тетраборат натрия и/или борную кислоту, при следующем содержании ком-понентов от массы указанного вяжущего, масс. %: указанная микрофибра 0–7,0, указанный наполнитель 0–150, вода 0,1–0,2, тетраборат натрия и/или борная кислота 0,3–7,0. Технический результат – повышение потребительской характеристики бетонных покрытий, а именно отсутствие неровностей покрытия в местах ремонта.

Предложен принцип оптимизации структуры фибробетона, заключающийся в применении нейлоновых волокон: дисперсное армирование позволяет получить однородную структуру бетона, армированную по всем направлениям, что приводит к увеличению его расчетных показателей (призменная прочность, коэффициент Пуассона, модуль упругости) и, как следствие, к повышению несущей способности бетонных конструкций.

Нейломикрофибра в разы дешевле и гораздо более качественная, потому что производится из нейлона высокого качества и особой прочности, извлекаемого из бреккера крупногабаритных шин высокого давления. Американцы производят свою фибру из старых ковровых покрытий. Нейлофибра обеспечивает по-вышенную надежность бетонного камня за счет применения вторичного нейлона в качестве сырья и луч-шие качественные характеристики, чем микрофибры из полиэтилена, полипропилена или ПВХ. Модуль упругости нейлона, 1700 МПа, (полиэтилена 900 МПа, полипропилена РРВ 1000 МПа), Ударная вязкость при 23 °C, составляет 12 кДж/м² (у ПВХ 4 кДж/м², полипропилена РРВ 9 кДж/м²).

Нейлофибра практически не имеет ограничений по применению в бетонах, применяемых для гидро-технических сооружений, в дорожном покрытии, мостостроении. Вследствие химической инертности нейловолокна не ограничивается применение в бетонах любых видов добавок (пластифицирующих, морозостойких, ускоряющих твердение). При применении нейло фиброволокна улучшаются следующие показатели бетона: снижается риск первичного трещинообразования при пластическом оседании бетона до 90 %, что позволяет заливать большую площадь без усадочных швов. Добавлением в раствор нейлонового фиброволокна регулируется водонасыщенность бетона в процессе дегидратации, благодаря чему снимается внутреннее напряжение бетона; повышается износостойкость и качество поверхности бетона, так как в процессе эксплуатации разрушение бетона начинается с поверхностного слоя в результате проникновения в него содержащихся даже в обычном воздухе паров кислот и влаги. В обычный бетон они проникают на глубину до 20 мм.

В нейлобетоне поверхностный слой получается более ровным, практически без микротрещин, поэтому проницаемость его верхнего слоя составляет всего 2–3 мм, увеличивается водонепроницаемость до 50 % вследствие уменьшения количества отверстий, образованных от выступления воды в процессе набора бетоном прочности. Поэтому химические вещества, вода и грязь впитываются незначительно; повышается сопротивляемость удару, фибра повышает пластичность бетона, увеличивает его сопротивление удару и стойкость к раскалыванию (за исключением железобетона).

При образовании трещин в застывающем растворе происходит натяжение волокон и, как следствие, высвобождение большого количества энергии, которая поглощается бетоном; увеличивается морозостойкость бетона до 35 %. При использовании фибры образуются каналы, заполненные волокнами вместе с незначительным количеством воздуха, попавшим в бетон при ее внесении. Эти волокна и микропузырьки воздуха позволяют воде расширяться/сжиматься в процессе замерзания/оттаивания, не разрушая бетон, уменьшается расслаивание бетонной смеси до 30 %.

Волокна нейлофибры, очень тонкие и гибкие, и хотя они видны в бетоне на стадии замеса, впоследствии они совершенно незаметны на поверхности производимых изделий из фибробетона.

Введение волокна не требует добавления воды затворения для увеличения осадки конуса, применение волокна безопасно и технологично возможно как в заводских условиях, так и на строительной площадке, волокно не влияет на работу бетононасосов, волокно обладает высокой щелочестойкостью. совместимо с химическими добавками в бетоны [2].

Экономический эффект фибробетона в основном наблюдается благодаря его высокой прочности, высокой износоустойчивости, удобству эксплуатации, более длительному межремонтному периоду и более надежной технике безопасности в строительстве в условиях сейсмических нагрузок, ударных нагрузок и пожаров. Однако одним из важнейших факторов, определяющих распространение этого строительного материала, является его технологичность, которая имеет ряд существенных особенностей, отличающих от обыкновенного бетона и требующих их неукоснительного соблюдения.

Армирование бетона фиброволокном позволяет повысить прочность, устойчивость к агрессивным средам и перепадам температур. Нейлоновая фибра обеспечивает трехмерное упрочнение бетона. В результате при возведении объектов улучшается качество строительства, повышается прочность зданий и сооружений, устойчивость к агрессивным средам и перепадам температур. Небольшая добавка нейлонового волокна способствует:

• увеличению сопротивления цементного камня изгибающим нагрузкам;
• повышению долговечности материала;
• снижению усадочной деформации;
• значительному возрастанию трещиностойкости;

–  усилению ударной вязкости бетонного камня.

Возможна наномодификация нейлофибры, которая заключается в том, что на нейловолокно наносятся наночастицы (астралены), что приводит к усилению взаимодействия микрофибры с бетоном, крепко соединяя материал в единое целое.

Преимущества нейлофибры: она дешевле и легче стальной, не вызывает коррозии, обладает отличными диэлектрическими и шумопоглощающими свойствами, предотвращает образование трещин в бетоне, превосходит полипропиленовые и стеклянные аналоги.

Недостатком является увеличение времени перемешивания бетонной смеси в 1,5 раза.

Выводы

В результате, применяя нейлофибру и нейлобетон в строительстве, получаем снижение цены и улучшение качества продукции. Положительным моментом является также улучшение экологической ситуации, сохранение природных ресурсов, за счет применения вторсырья, необходимых для изготовления фибры. Армирование нейлофиброволокном позволяет достигать значительного экономического эффекта, основанного на повышении качества бетонных конструкций и изделий, увеличении их долговечности, экономии вяжущего, увеличения производительности работ, уменьшении коэффициента стального армирования.