Технические характеристики и свойства фибробетона

Фибробетон — это инновационный композитный материал, получающий сегодня все большее распространение. За счет армирования цементно-песчаного раствора фиброволокном значительно улучаются важнейшие эксплуатационные характеристики материала конструкций — долговечность, прочность, сопротивление на изгиб и растяжение, устойчивость к внешним воздействиям и пр. Свойства конкретной разновидности фибробетона зависят прежде всего от типа используемой фибры.

Краткое описание

Фибробетон является относительно новым строительным материалом, только недавно получившим распространение на рынке. Однако первые опыты по созданию композитных растворов с использованием армирующей фибры проводились еще в начале прошлого столетия. Отрадно, что у истоков создания фибробетона стоял российский ученый В.П. Некрасов. Первый патент на новый материал был получен Некрасовым еще в 1909 году.

Основное отличие фибробетона от привычного нам традиционного бетона или железобетона — наличие в его структуре армирующих волокон. В качестве фибры используются небольшие по длине и очень тонкие фрагменты, однородно заполняющие внутренний объем.

Наиболее распространена фибра из стальной проволоки, нарезаемой на короткие куски длиной несколько сантиметров. Для повышения адгезии концы отрезков загибаются или расплющиваются. Нередко стальной фибре придается волнистая форма.

Широкое распространение получил и фибробетон с армированием на основе стекловолокна. У такого материала много преимуществ, но есть и недостаток — стандартное стекло имеет низкую устойчивость к щелочной среде, характерной для портландцемента. Поэтому в качестве фибры обычно используются устойчивые к щелочам стекловолокна, например, на основе циркония.

Помимо металла и стекла, для армирования фибробетона применяются также волокна из базальта, углерода, целлюлозы, искусственных полимеров и пр. Отличительные особенности этих материалов будут рассмотрены ниже.

Основные свойства фибробетона

Физические характеристики фибробетонов на основе разных видов армирующего наполнителя могут довольно сильно отличаться. Например, для композитных материалов со стальной или базальтовой фиброй характерны очень хорошие показатели прочности и упругости. А вот полипропиленовые волокна отличаются низким коэффициентом упругости. Фибробетоны на их основе характеризуются повышенной деформативностью, а значит — не могут использоваться в качестве конструкционных материалов.

Все это следует учитывать при выборе марки материала для решения конкретных строительных задач. Выделим основные особенности и преимущества фибробетона в сравнении со стандартным бетоном:

• повышенная долговечность конструкций, продление эффективного срока эксплуатации с сохранением всех эксплуатационных характеристик; • высокая прочность и упругость, стойкость к растяжению и разрыву, способность сохранять целостность при значительных растягивающих нагрузках; • высокая устойчивость к воздействию атмосферных осадков и активных химических веществ; • хорошая морозостойкость, способность сохранять структуру материала при многократных годовых, а также резких амплитудных колебаниях температур; • высокая стойкость к повышению температуры, интенсивному нагреву, воздействию открытого огня, пожаробезопасность; • отсутствие усадки, способность сохранять исходный объем после набора расчетной твердости; • высокая стойкость к истиранию, износу, воздействию крутящих моментов, устойчивость к образованию трещин; • влагостойкость, водонепроницаемость; • повышенная пластичность, хорошая прочность при ударах; • хорошие адгезионные качества; • сохранение технических характеристик после окончания расчетного срока службы материала; • уменьшение необходимых для строительства объемов бетона ввиду улучшенных свойств материала, снижение веса конструкции; • высокая технологичность материала и продуктивность работ по нему; • снижение стоимости строительства за счет экономии материалов, отказа от использования армирующих сеток и каркасов, сокращения времени строительных работ, уменьшения дополнительных расходов на транспортировку и пр.

По своей прочности фибробетон зачастую даже превосходит железобетон, заметно выигрывая при этом по весу конструкций. Фибру можно также применять для армирования газобетонов и пенобетонов. Такие материалы отличаются низкой плотностью, высокими тепло- и шумоизоляционными и свойствами. А за счет армирования волокном они приобретают повышенные прочностные характеристики.

Единственным относительным недостатком фибробетона является его высокая стоимость. Однако на практике за счет использования этого материала можно даже повысить рентабельность строительства.

Достоинства и недостатки

Не все еще знакомы с перспективным строительным материалом, которым является наполненный волокнами композит. Застройщики часто задают вопросы, что такое фибробетон, каковы его достоинства, насколько серьезны недостатки?

Специалисты подтверждают, что это материал с высокими эксплуатационными свойствами, превосходящий по ресурсу эксплуатации, прочностным характеристикам и качеству традиционный бетон. Продукция из бетона, наполненного металлическими и синтетическими волокнами, отличается повышенной устойчивостью к воздействию разрывных усилий, растяжению, устойчива к воздействию агрессивных сред, механическим воздействиям.

Рассмотрим преимущества фибробетона, основными из которых являются:

• Уменьшение сметных расходов на выполнение строительных мероприятий. Применение волокон в качестве армирующих элементов позволяет отказаться от использования металлических сеток, стальных каркасов, что уменьшает трудозатраты, сокращает время выполнения работ.
• Повышенная прочность изделий, которые не подвержены сколам. Фактор связан с однородным распределением волокон в массиве бетона. Использование стандартной арматуры не позволяет обеспечить аналогичные прочностные характеристики и целостность бетонного состава.

Фибробетон – это мелкозернистый материал, одним из составляющих которого является армирующий наполнитель

• Стойкость к температурным перепадам, которая актуальна при выполнении строительных мероприятий в условиях северных районов.
• Устойчивость к воздействию открытого огня, непроницаемость водой обеспечивают возможность использовать состав для специальных технологических целей, решения гидротехнических задач.
• Ускоренные темпы возведения зданий за счёт использования легких композитных бетонов, обладающих небольшой массой.
• Уменьшение расхода бетонного состава, связанное с введением фибры в качестве наполнителя. Возможность уменьшения толщины строительных конструкций с сохранением прочности.
• Повышенный, по сравнению с бетоном, в десятки раз срок эксплуатации фибробетонных конструкций, обладающих значительной твердостью.

Обладая комплексом положительных свойств, материал имеет единственный недостаток, связанный с повышенной стоимостью фибробетонного состава. Производство фибробетона характеризуется необходимостью дополнительных затрат, связанных с приобретением сырья. Это компенсируется улучшенными эксплуатационными характеристиками композита, длительным ресурсом эксплуатации, механической стойкостью.

Применение фибробетона

Высокими эксплуатационными характеристиками фибробетона обусловлено его широкое применение в сфере строительства. В частности, он используется для возведения конструкций и сооружений, рассчитанных на сильные нагрузки и внешние воздействия. Фибробетон применяется также там, где требуется высокая гибкость и пластичность материала, легкий вес, хорошая шумо- и теплоизоляция.

Перечислим только самые характерные сферы применения фибробетона:

• фундаменты, шпалы, мостовые покрытия, тоннели, полы; • каркасы конструкций, перекрытия, монолитное строительство; • дороги, взлетно-посадочные полосы; • гидротехнические сооружения, дамбы, плотины, резервуары, бассейны, берегозащитные полосы, водоотводные шахты, канализационные колодцы; • тротуары, бордюры, тротуарная плитка; • шумозащитные щиты; • отделка фасадов, карнизы, декоративные элементы, лепнина; • колонны, арки, перила, лестницы, балюстрады;

• заборы, скамейки, клумбы; • конструкции и объекты малого веса из пеноблоков и газоблоков.

Особо стоит обратить внимание на использование фибробетона в частном и малоэтажном строительстве, а также при отделке и ремонте помещений. Здесь зачастую важное значение приобретают такие свойства материала, как низкая плотность, высокая пластичность, хорошие теплоизоляционные характеристики.

Так, армированный пенобетон можно использовать для возведения и утепления стен, а фибробетон на основе стекловолокна оптимален для изготовления декоративных элементов. Из этого материала получаются высококачественные фигурные изделия, колонны, балясины. С помощью пластичного фибробетона можно украшать фасады зданий лепниной и растительными орнаментами.

Высокая прочность фибробетона, его долговечность, стойкость к нагрузкам и внешним воздействиям делает этот материал идеальным вариантом для возведения высотных зданий, мостов, тоннелей, гидротехнических сооружений: дамб, плотин, резервуаров. В последнем случае оказываются востребованными и такие свойства фибробетона, как водонепроницаемость и высокий модуль упругости.

Применение композитного фибробетона

Применение материала актуально в строительстве бытовом и промышленном везде, где нужно добиться улучшения свойств бетона. Стальной фибробетон применяют для производства: покрытий мостов, полов, тоннелей, берегозащитных полос, фундаментов, шпал, дорог, взлетных полос, тротуаров, каркасов конструкций, бордюров, водоотводных каналов, плотин, шахт колодцев для канализации, водоочистных систем, фибробетонных полов.

Стекловолоконные бетоны актуальны для: фасадной отделки фибробетоном жилых зданий, гидроизоляции очистительных конструкций, шумозащитных щитов, легких декоративных изделий для отделки покрытий, промышленных помещений с часто загрязняемыми покрытиями, скамеек, заборов, клумб.

Разновидности фиброволокна

Все виды армирующих наполнителей разделяют на две группы: металлические и неметаллические. Ко второй относится широкий спектр материалов: базальт, асбест, стекло, углерод, целлюлоза, акрил, нейлон и пр. Рассмотрим характерные особенности фибробетонов с разными типами наполнителей.

Стальная фибра

Именно из стали изготавливались самые первые армирующие наполнители для фибробетона. Этот металл и сегодня — основной и самый распространенный вид фиброволокна. Для изготовления стальной фибры зачастую используется проволока, которую разрезают на короткие отрезки и загибают либо расплющивают на концах (для повышения адгезии с цементно-песчаной смесью). Такая фибра называется анкерной. Существует также волновая (волнистой формы) и фрезерованная, получаемая на станках.

Среди преимуществ фибробетона со стальным армированием — высокая прочность материала, его долговечность, повышенная упругость, стойкость к растяжениям и сжатиям, истиранию, износу. Поэтому такой материал широко используется для возведения конструкций, высотных монолитных зданий, гидротехнических сооружений, мостов, тоннелей, дорожных покрытий, ВПП, полов ангаров и промышленных помещений и пр.

На видео: заливка фибробетонных полов.

Недостатки стальной фибры: подверженность коррозии, большой вес, низкая адгезия с бетоном. Такой фибробетон редко используется для фасадов.

Базальтовая фибра

Из базальта изготавливается минеральная фибра. Для ее получения вулканический минерал базальт расплавляют при высоких температурах. Базальтовая фибра отличается стойкостью к механическим нагрузкам и воздействиям химически активных реагентов (включая кислоты и щелочи), не подвержена горению. За счет армирования минеральным волокном прочность бетона возрастает в три раза.

Базальтофибробетон с успехом применяется для:

• цокольных и стеновых панелей, межкомнатных перегородок, монолитных стен, несъемной опалубки; • малых архитектурных форм, скульптур, фонтанов; • деталей реконструкции зданий; • отделки фасадов, карнизов, архитектурного декора, лепнины, балюстрад, наличников; • дорожных плит.

Стекловолокно

Для получения фибры из стекловолокна используются разные химические ингредиенты, поэтому конечная продукция может довольно сильно отличаться по своим техническим параметрам. В целом для армированного стекловолокном фибробетона характерны высокие показатели прочности, гибкости, пластичности, шумоизоляции, морозостойкости, огнестойкости, водонепроницаемости и пр. Важнейшее преимущество в сравнении с металлической фиброй — низкий вес материала.

Основные области применения:

• гидроочистные сооружения; • щиты шумозащиты; • покрытия подверженных загрязнениям промышленных зданий; • малые архитектурные формы, клумбы, скамейки, фонтаны; • реконструкция и реставрация зданий; • отделка фасадов, декоративные элементы, лепнина.

На видео можно посмотреть примеры применения стеклофибробетона.

Углеволокно

Углеродное фиброволокно отличается высокими эксплуатационными характеристиками. Среди преимуществ материала: высокая упругость, прочность, химическая стойкость, не подверженность коррозии, хорошая адгезия, устойчивость к нагрузкам и высоким температурам.

Применение фибробетона на основе углеволокна ограничено высокой стоимостью материала.

Полипропилен

Полипропиленовая фибра производится из полимерной пленки. Исходный материал нарезается на нити толщиной 10—25 мкм. Полипропиленовое волокно отличается очень малым весом и повышает ударопрочность армируемого бетона. Для него характерна пониженная стойкость к сжатиям и растяжениям, что повышает деформативность получаемого материала.

Полипропиленовая фибра получила широкое распространение в производстве ячеистого бетона. Она применяется для сооружения конструкций из пеноблоков и объектов малого веса.

Целлюлоза

Целлюлозная фибра производится из целлюлозы, получаемой из натуральных природных материалов. Подобные волокна отличаются высокой поглощаемостью водонасыщенных соединений. Добавление целлюлозной фибры в раствор способствует лучшему и более равномерному высыханию стяжки, снижает усадку, исключает появление трещин, повышает паропроницаемость полимерных покрытий.

Технические характеристики фибробетона

Фибробетон имеет отличные эксплуатационные свойства: сочетание пластичности с отличной прочностью на изгиб и растяжение, отличную ударную вязкость, трещиностойкость. Технические характеристики фибробетона зависят от наполнителя. Например, фибробетон, армированный полностью стекловолокном, который называется стеклофибробетоном, имеет:

• плотность от 1700 до 2250 кг/м3;
• прочность при сжатии от 490 до 840 кг/см2;
• предел прочности на растяжении при изгибе от 210 до 320 кг/см2;
• модуль упругости (1-2.5)х104 МПа;
• теплопроводность от 0.52 до 0.75 Вт/см2 х°С.

По сравнению с традиционным бетоном данный материал намного долговечней, более износостоек, устойчив к агрессивным проявлениям окружающей среды. А также он:

• ударопрочен;
• водонепроницаем;
• морозостоек;
• стоек к сильным перепадам температур;
• пожаробезопасен;
• не имеет тенденций к усадке.

Благодаря улучшению основных параметров можно уменьшить толщину конструкции, тем самым снизив намного её массу. Поэтому фибробетонные блоки используется там, где требуется значительное понижение веса конструкции. Кроме этого, фибробетон абсолютно безопасен для здоровья человека.

Изготовление фибробетона

На рынке сегодня существует множество предложений сухих смесей для получения фибробетона на основе различных армирующих материалов. В таких смесях фиброволокно уже добавлено в состав в заранее рассчитанной пропорции, обеспечивающей строго определенные физико-технические характеристики бетона. Строителям остается только добавить в такую смесь необходимое количество воды, замешать и использовать полученный раствор аналогично обычному.

Другой способ получения фибробетона — это самостоятельное добавление армирующих волокон. Здесь тоже есть два варианта: добавлять фибру можно как в сухую смесь, так и уже в жидкий раствор, на этапе его перемешивания в бетономешалке. Основная сложность здесь заключается в необходимости достижения максимально равномерного распределения армирующих волокон по всему объему раствора. Обычно это увеличивает продолжительность приготовления раствора в бетономешалке примерно в 1,5 раза.

При соблюдении технологий можно самостоятельно изготовить фибробетон надлежащего качества непосредственно на строительной площадке. Конечно, это справедливо в большей степени для частного и малоэтажного строительства.

Как сделать фибробетон самостоятельно

В отличие от обычного бетонного раствора, изготовить качественный фибробетон самостоятельно вне заводских условий невозможно по следующим причинам:

1. Для получения требуемых прочностных свойств армирующее волокно должно быть перемешано равномерно. Это возможно только при использовании промышленных смесителей.
2. Чтобы предотвратить оседание фибры внутри бетонной смеси необходима определенная скорость перемешивания и введение специальных добавок.
3. Выбор рецептуры фибробетона должен выполняться с учетом лабораторных испытаний для каждой партии.

Именно поэтому монолитный фибробетон должен всегда производиться на заводе, где есть оборудование для приготовления и отгрузки материала.

Особенности выбора материалов

При выборе фибробетона (или волокна для его самостоятельного приготовления) необходимо четко определить, какие именно требования выдвигаются к материалу. Например, стальная фибра обладает максимальным модулем упругости и высокими прочностными характеристиками, но при этом имеет большую плотность и низкую устойчивость к коррозии. Для базальтовой характерна максимальная прочность на растяжение и высокая стойкость к химическим соединениям.

Наибольшие проблемы могут возникнуть при выборе фибры из искусственных материалов. Например, используемое стекловолокно разных марок может очень сильно отличаться по своим характеристикам. Поэтому нужно обязательно убедиться, что выбранная фибра является стойкой к щелочам.

В этом аспекте качество базальтовой фибры практически не зависит от производителя. Но и здесь нужно обращать внимание на два параметра: линейные размеры волокон и вид используемого для повышения адгезии замасливателя.

Еще больший разброс параметров характерен для стальной фибры. При ее выборе следует учитывать и вид материала (проволочная, волновая, фрезерованная), и его размеры, и состав. Например, можно использовать более качественную фибру из легированной стали, но это заметно повысит ее стоимость.

Технология производства

Технологический процесс изготовления фибробетонных смесей аналогичен приготовлению обычного бетона и описан в ГОСТ 7473-2010. Особенность производства — добавление фибры. Например для производства сталефибробетона, используется стальная фибра. Волокно добавляется в бетон-матрицу посредством пневмонабрызга или премиксинга (смешивания). Выбор способа зависит от разновидности фибробетона, назначения, требуемых характеристик.

Добавление фибры в смесь может производиться по одному из следующих алгоритмов:

1. Волокно вводится на стадии смешивания сухих компонентов, а затем полученная смесь заливается водой.
2. Фибра добавляется в бетонную смесь после смешивания основных ингредиентов: портландцемента, заполнителя, воды.

Все компоненты фибробетона должны отвечать требованиям ГОСТ. Фиброволокно перед добавлением в раствор измельчается до нужного размера. Перемешивание осуществляется в специальных смесителях, работающих со скоростью не менее 3 тыс. оборотов в минуту.