Фибробетон – это композит, образованный объемным сочетанием компонентов, отличающихся по химическому и минералогическому составу, физико-механическим и другим свойствам, имеющих четкую границу раздела и плотную механическую или (и) химическую связь. К композиционным материалам относятся традиционный бетон и железобетон, асбестоцемент, стеклоцемент, стеклопластик и другие материалы.

Известно, что материалы на основе неорганических вяжущих веществ отличаются высокой прочностью на сжатие, но малой растяжимостью, трещиностойкостью и большой хрупкостью. Введение в эти материалы дисперсных волокон позволяет значительно уменьшить эти недостатки. Такие материалы получили название «Фибробетон, фиброцемент, стеклоцемент». Они отличаются повышенной прочностью на растяжение, изгиб, более высокой трещиностойкостью, сопротивляемостью ударным и циклическим нагрузкам, а в ряде случаев более высоким сопротивлением истиранию. При этом значительно снижаются трудозатраты на изготовление арматуры и армирование изделий.

Композиты на основе различных вяжущих веществ классифицируются по виду применяемого вяжущего (стеклоцемент, стеклопластик, гипсоволокнистый материал и т. д.), по назначению (конструкционные, конструктивно-теплоизоляционные, декоративные, гидроизоляционные) и другим признакам.

Материалы для изготовления фибробетона:

· Вяжущие – портландцемент, глиноземистый цемент, гипс, композиционное гипсовое вяжущее, полимерцемент, полимерные связующие (полиэфиры, реже эпоксидные, фенолформальдегидные и другие олигомеры с отвердителями);

· Добавки – эффективные ПАВ, пенообразователи, полимерные добавки (см. гл. ).

Арматура – металлические и неметаллические армирующие волокна (см. гл. ).

Фибробетон (фиброцемент) может армироваться непрерывными или дисперсными волокнами. Критическая длина дисперсных волокон определяется из условия, чтобы сила защемления (анкеровки) волокон в материале была равна усилию разрыва волокон (рис. )

Содержание металлических дисперсных волокон в фибробетоне до 3 % по объему (реально 78...200 кг/м3), длина 10...60 мм, диаметр 0,1...0,5 мм.

Содержание неметаллической дисперсной арматуры в фиброцементе составляет 3...5 % по объему, а непрерывной – 10...12 %. Длина волокон 10...50 мм, диаметр 10...130 мкм в зависимости от вида вяжущего, условий долговечности и величины модуля упругости.

Состав формовочной смеси проектируется в соответствии с ГОСТ 27006. В качестве примера можно привести состав фиброраствора с металлической дисперсной арматурой: Ц=530 кг/м 3; П=1670 кг/м 3; В=200 кг/м 3; Фибры 180...200 кг/м 3; СДБ – 1,06 кг/м 3.

2 1

I

P P

I

Схема микрообъема фиброцемента.

1. Образец из цементного камня.

2. Дисперсное волокно длиной «l» и диаметром «d».

Для расчета принимается, что на образец действует растягивающее усилие «Р», под воздействием которого разрушение образца происходит по сечению I – I (рис. ). Тогда

PdlRсц = pd2Rа

2 4

Rа d

L = ; при Rcц= 0,2 RM

2 Rсц

Rа d

L = ; где

0,4 RM

Rсц, Ra, Rm – соответственно прочность сцепления волокон и прочность на сжатие матрицы.

Из выше изложенного следует, что длина дисперсной арматуры зависит от прочности волокон на растяжение, их диаметра и прочности матрицы.

Прочность композитов с непрерывным Rкн и дисперсным Rкд армированием можно рассчитать соответственно по формулам:

Rкн = Ем * eк * Vm + Ев * eк * (1 – Vm),

Rкд = (1 – (Lкр / 2L) * RвVв + Rм (1 - Vв).

Где Ем, Ев – модули упругости соответственно матрицы и волокон;

Eк – относительная деформация композита;

Vм, Vв – относительный объем соответственно матрицы и волокон в композите;

Rв, Rм – прочность соответственно волокон и матрицы;

L и Lкр – длина и критическая длина волокон.

При L=Lкр в композите реализуется лишь 50% возможностей волокон, а при L=10Lкр – 95%. Поэтому выгоднее использовать последний вариант. Из формул следует также, что для эффективного упрочнения матрицы необходимо использовать волокна с максимально высоким модулем упругости.

Основные условия получения высокопрочных композитов :

1). Высокая прочность матрицы;

2). Достаточное количество высокопрочных волокон, с максимально возможным модулем упругости, равномерно распределенных по сечению материала;

3). Хорошее сцепление волокон с матрицей и их стойкость в среде материала;

4). Одинаковые или близкие коэффициенты температурного расширения волокон и матрицы.

При таких условиях можно получать композиты с прочностью на растяжение до 120 МПа на портландцементе и до 70 МПа на гипсе. Трещиностойкость фиброцемента, например, повышается в 60...100 раз по сравнению с неармированным цементным камнем. Более эффективно дисперсное армирование раствора или цементного камня.

На прочность композита весьма значительное влияние оказывает модуль упругости армирующих волокон. Для получения фиброцемента высокой прочности необходимо, чтобы Е в > Ем. Чем больше эта разница, тем прочнее материал.

Например, при увеличении модуля упругости волокон в 2 раза при прочих равных условиях прочность композита с содержанием волокон 10% по объему повышается в 2 – 3 раза.

Алюмоборосиликатные стеклянные волокна разрушаются в щелочной среде цементного камня. Поэтому целесообразно в таких условиях использовать щелочестойкие волокна Щ – 15Ж, 7тк, 7тм, базальтовые, арамидные, углеродные и другие (см. гл. ). Но возможно использование и обычных стеклянных волокон с введением в состав композиций полимерных смол (ПВА, смола № 89 и другие 0,1...0,4% Ц). Тогда можно получать композиты со стабильной и высокой прочностью (табл. ). Чем больше полимера в фиброцементе, тем выше его прочность. Но при этом повышается его усадка. Для снижения усадочных деформаций рекомендуется вводить в состав смеси наполнители (кварцевый песок, зола – унос и другие), расширяющиеся добавки или применять расширяющиеся и безусадочные цементы.

Не корродируют стеклянные волокна в матрице на основе гипса, композиционного гипсового, и полимерном полимерцементного и полимерном вяжущих (см. гл. ).

Тепловая обработка в несколько раз снижает прочность композита, так как интенсифицирует разрушение волокон в цементном камне. Например, автоклавирование композита на цементе снижает его прочность в 4...5 раз по сравнению с твердением в естественных условиях.

Вопросы долговечности фибробетона рассмотрены в гл.

При приготовлении фибробетонных смесей возникают определенные трудности введения дисперсной арматуры в формовочную массу при длине волокон, равной (80...120) d, а поэтому применяются специальные технологические приемы выполнения этой операции.

В целом, с применением различных вяжущих и волокон, смешанного армирования использование фибробетона перспективно при изготовлении дорожных и аэродромных покрытий, мостовых балок, ирригационных каналов, резервуаров, тюбингов, морских пирсов, взрывоустойчивых конструкций, защитных торкретированных покрытий, облицовок шахт, оболочек тоннелей, отстойников, объемных элементов, труб, стен, (в т. ч. 3Х слойных), полов, лестничных маршей, лотков, облицовочных плит, свай, кровельных панелей, элементов ограждений, плит покрытий и перекрытий, колонн, балок и т. д.

Исследования показывают, что фибробетон с остальными волокнами при толщине изделия до 70 мм не уступает традиционному железобетону по несущей способности, а при толщине менее 70 мм – превосходит его. Применение фибробетона малой толщины снижает материалоемкость конструкций, в частности сокращает расход стали и бетона. Поэтому использование фибробетона целесообразно прежде всего в тонкостенных элементах конструкций, особенно пространственных со сложной конфигурацией.