СОДЕРЖАНИЕ

Сталефибробетон - применение - исследования и разработки

Дипл.- инж. Юрген Мандль


Введение
Во многих важных областях строительства, таких как напр. жилищное строительство и промышленное строительство - применение сталефибробетона уже повседневное дело. Однако до сих пор не существовало никаких общепринятых правил измерения.

Современный уровень
Уже многие десятилетия сталефибробетон успешно применяется во многих областях строительства. Существующий непрерывный рост прибл. на 15% продолжится и в течение последующих лет. В 2004 г только в Германии было изготовлено прибл. 3 млн. м3 сталефибробетона, хотя DIN 1045 этот стройматериал не регулирует. Сегодня основная масса сталефибробетона находит применение (см. рис. 1) в промышленном строительстве. Так как промышленный пол в противоположность фундаментным плитам не является элементом конструкции в жилищном строительстве согласно DIN 1045 , статическое измерение происходит согласно памяткам. В этой области уже 50% всех полов выполняются со стальными фибрами.
В жилищном строительстве сталефибробетон из-за отсутствия нормативного документа до сих пор использовался, как правило, только для замены конструктивной арматуры в фундаментных плитах и подвальных стенах. Там и в плотных элементах конструкции в будущем усиленно сможет использоваться эффективность этого стройматериала.
Одновременно свое практическое применение находят все новые и новые рациональные возможности сталефибробетона. Например, путем комбинирования стальных волокон со строительной сталью появляется множество других областей применения на основе эффективности этого совершенно нового метода конструирования. Таким образом, возможны инновационные методы строительства, которые позволяют изготавливать высококачественные сооружения по благоприятной цене.
С появлением памятки DBV (Германского союза по бетону и строительным технологиям) "Сталефибробетон" и директивы "Сталефибробетон" Немецкой комиссии для железобетона (DafStb) в стандарте DIN теперь, во-первых, существует общая норма проведения испытания, изготовления, измерения и обработки сталефибробетона. Для бетона наряду с его сопротивлением сжатию предписывается новое свойство: предел прочности на растяжение при изгибе, записываемый после появления трещин, который разбит по классам или разрядам фибробетона. Тем самым была создана база для применения сталефибробетона как статично армируемого стройматериала с полной дуктильностью. Это придает строительной промышленности новые импульсы.

Рис. 1: " Обзор областей применения "
Типы волокон
Для различных целей применения используются разные волокна. При этом, прежде всего, волокна различаются по материалу.
1. стальные волокна используются как в состоянии I, т.е. в бетоне без трещин, так и в состоянии II, с трещинами. В состоянии I волокна обеспечивают предотвращение образования макротрещин и более тонкое распределение возникающих микротрещин. Вместе с тем они улучшают свойства усадки и ползучести и снижают склонность к образованию трещин. Хрупкий стройматериал бетон становится пластичным. В состоянии II, т.е. в растрескавшемся бетоне волокна направляют усилия от одного края трещины к другому. Эти распределенные по поверхности трещины и отдельные усилия в волокнах обобщаются в предел прочности после образования трещин. Величина этого предела прочности после образования трещин зависит в первую очередь от типа волокна (см., напр., рис. 2-5), механизма закрепления, дозировки и качественных признаков волокон (равномерности, предела прочности волокна, удлинения волокна при разрыве и т. д.) Волокна, нарезанные из листа, из-за незначительного предела прочности используются, как правило, только для стяжек с незначительным размером зерен.

Рис. 2-5: Волокно HE, волокно HFE, волокно Tabix FE, Twincone
2. Волокна из полипропилена предлагаются как макроволокна с геометрией, похожей на стальные волокна (см. рис. 6+7), и как фибрилированные микроволокна (см. рис. 8). Принципиально нужно учитывать, что полипропиленовые волокна имеют очень низкий модуль упругости, следовательно, подвержены большим деформациям, вплоть до появления в трещине существенных усилий. Следовательно, полипропиленовые волокна не подходят для создания предела прочности после возникновения трещины. Поэтому макроволокна из полипропилена как конструктивное волокно никакого смысла в применении не имеют. Тем не менее, как фибрилированное микроволокно оно в состоянии во время процесса схватывания бетона связывать влажность внутри и таким образом заботиться о более равномерном высыхании бетона. Собственные напряжения сокращаются и, вместе с тем, улучшается качество бетона. В затвердевшем бетоне полипропиленовое волокно больше никакой функции не несет, оно практически бездействует.

Рис. 6-8: волокно HPP, волокно barchip, фибрилированное микро-волокно
Прочность сталефибробетона
Такие нормативные документы, как памятка "Сталефибробетон" Немецкого общества по бетону и строительной технике, Австрийская директива "Фибробетон" OVBB и SIA 162/6 Швейцарии предписывают, как следует определять, классифицировать и использовать для измерений свойства материала. Находящаяся в проработке директива "Сталефибробетон" Немецкой комиссии по железобетону должна будет после своего появления в Германии дополнить нормы бетона DIN 1045 части 1-3 всеми касающимися сталефибробетона темами и таким образом закрыть пробел существующих норм в общем спектре тем о сталефибробетоне.

Рис. 9: Схема испытания для определения эффективности сталефибробетона

Все упомянутые нормативные документы предусматривают определение пределов прочности после появления трещин при помощи испытаний на изгиб на бетонной балке с поперечным сечением 150 мм x 150 мм (см. рис. 9). При этом результаты подлежат относительно большому разбросу, причина которого в малых поперечных сечениях трещин в опытных образцах. Для последующих расчетов используются характерные пределы прочности после появления трещин ffctk,fl . Это - 5 %-квантиль отдельных результатов испытания при изгибе ?. При незначительном разбросе в пределах серии опытов получаются более благоприятные значения. Чтобы получить более реалистичные значения при определении учитываемого предела прочности после появления трещин, предлагаются испытания плитой вместо испытаний балкой в соответствии с [2] - [5]. В связи с этим в качестве предварительного испытания университету "Universite Polytechnique de Montreal был дан заказ на проведение испытания плитой разной толщины и диаметра (см. рис. 10) и их результаты были сравнены с результатами испытаний балкой (см. таб. 1).

Рис. 10 Испытания плитой для определения эффективности сталефибробетона в "Universite Polytechnique de Montreal"
В целом, как и следовало ожидать, во время испытаний с круглыми плитами были получены более высокие значения при более низком размахе вариаций чем при испытаниях на балке. В более позднем широком испытании на плоской поверхности из сталефибробетона с волокном типа Tabix 1,3/50 в дозировке 100 кг / м 3 при диаметре плиты 2,0 м и толщине 20 см после появления трещин были обнаружены более чем удвоенный эквивалентный предел прочности на растяжение при изгибе и 1,5-кратный центральный предел прочности. На основе этих значений можно считать перекрытия из сталефибробетона согласно заданным величинам [1] - [5] экономичными.

Таб. 1 Составление и сравнение результатов испытаний в "Universite Polytechnique de Montreal"
Возможности применения
Cталефибробетон в настоящее время пока еще является неурегулированным стройматериалом. Поэтому он может применяться всюду, где элементы конструкции не подлежат строительным правилам (никакой опасности для жизни и здоровья). В выходящих за пределы этого случаях, учитывая специфические для страны строительные требования, при необходимости в отдельных случаях возможно разрешение или согласие на эксплуатацию конструкций.


1. Промышленные полы
Тем временем, в области строительства промышленного пола применение сталефибробетона становится преимущественным. Плиты для пола в промышленном строительстве, как правило, не являются согласно DIN 1 045 несущими элементами конструкции (отсутствие опасности для жизни и здоровья в случае повреждений в конструкции). Элемент конструкции рассматривается как эластичная свободно плавающая плита для пола.

Рис. 11 +12 Монтирование сталефибробетона в промышленный пол / готовый промышленный пол
При эксплуатации статические и подвижные точечные и распределенные по поверхности нагрузки (см. рис. 13) с лишь незначительными деформациями элемента конструкции отводятся в основание. Чтобы снять напряжение с фундаментной плиты, она разделяется ложными швами.

Рис. 13 Данные, учитываемые при измерении промышленного пола
Эти швы, однако, являются уязвимыми местами в системе (швы, требующие ухода, опасность отслоения кромок в процессе эксплуатации и т. д.). У промышленных полов внутри помещений можно выполнить полы бесшовными. Ложных швов снаружи следует избегать. Кроме того, нельзя превышать соотношение длина / ширина = 1,5. Присоединительные швы нужно оформлять так, чтобы была возможна передача поперечной силы (профили швов). Для этого применения была разработана концепция TAB Floor (специальное техническое задание). Эта система получила положительную оценку в экспертизе Технического Университета Брауншвейга. Она основывается на мысли, что при непосредственном бетонаже фундаментной плиты на несущий слой происходит их сцепление. При увеличении процента стального волокна контролируются трещины, возникающие в результате усадки и высыхания, и величина усадки "распадается" на множество микротрещин. Наряду с отсутствием швов решается проблема "их закрытия". При измерении рассматривается самый некритический случай нагрузки в "центре плиты", вследствие чего толщина фундаментной плиты может быть, как правило, уменьшена.

Рис. 14 +15 Бесшовные промышленные полы
Особенно это исполнение подходит для промышленных полов с высокими допусками по ровности и/ или промышленных полов с частой нагрузкой грузовым транспортом с высокими скоростями, в частности, вилочными автопогрузчиками. При плохих условиях в основании или земельных участках часто экономически рациональнее изготавливать промышленный пол на сваях, чем проводить дорогостоящие работы по санированию и ремонту. Для этого предлагается собственная система с опорой на сваи TAB-Structural. Кроме необходимой арматуры с насечкой можно отказаться и от подкладной арматуры. В зависимости от нагрузки, возможны сваи с растром до 4,5 x 4,5 м. При этом фундаментная плита замеряется как ненапряженная от сваи к свае, так что и при последующей усадке основания гарантирована несущая способность. Система может применяться для всех типов нагрузки, т.е. также при существующих точечных нагрузках (например, полках).

Рис. 16 +17 Промышленный пол с опорой на сваи (Aluplast, Карлсруэ / Германия)
2. Ленточные фундаменты, фундаментные плиты и подвальные стены в жилищном строительстве
Главное установить, что процент применения сталефибробетона в жилищном строительстве непосредственно от общего объема его применения очень сильно вырос в течение последних лет. Конструктивная арматура в ленточных фундаментах удачно заменяется сталефибробетоном, а также фундаментные плиты, претерпевающие нагрузку изгибом, или подобные им с требованиями к плотности можно изготавливать на основе полученных расчетным путем свойств бетона из сталефибробетона.

Рис. 18-20 Ленточный фундамент, фундаментная плита во время бетонажа, заглаживания

Рис. 21 Данные, учитываемые при измерении фундаментной плиты
У подвальных стен трещиностойкость и устойчивость кромок заметно повышается с применением сталефибробетона, замещающего конструктивную арматуру. Сталефибробетон может привлекаться также для обеспечения несущей способности.

Рис. 22 +23 Стена из сталефибробетона во время бетонажа; подвал жилого дома из сталефибробетона
3. Фундаментные плиты, соответствующие требованиям нормативов по воде
С применением стальных волокон контроль за появлением трещин в бетоне может существенно упроститься. Поэтому рекомендуется применение сталефибробетона (при необходимости, в комбинации с обычной арматурой). Следует обратить внимание на то, чтобы обеспечивалась стойкость по отношению к агрессивным средам (могут понадобиться оцинкованные фибры или волокна из нержавеющей стали). Прежде всего, водонепроницаемые подвалы в жилищном строительстве или поверхности автозаправочных станций неоднократно изготавливались с применением сталефибробетона (при необходимости комбинированная арматура).

Рис. 24 Площадка автозаправочной станции как герметичная поверхность
4. Торкретбетон
Упрочненный стальными фибрами торкретбетон применяется для первичной облицовки туннелей и в подземных сооружениях. Прежде всего, в Австрии и Швейцарии этот тип конструкции значительно потеснил применение обычной арматуры. Прежде всего, существенно увеличиваются скорость и безопасность труда. Так же торкретбетон со стальными волокнами находит применение при упрочнении склонов и откосов, а также при санировании.

Рис. 25 +26 Стальной торкретбетон на внутренней части свода туннеля; для упрочнения уклона
5. Бетонные монтажные блоки и бетонные изделия
Стальные волокна без проблем могут применяться для повышения пригодности использования бетонных монтажных блоков как элементов для сооружения подвалов или фасадов. Так же они находят свое применение в элементах для тюбингов или конструктивных элементах для строительства шахт и транспортных сооружений вместо обычной конструктивной арматуры.

Рис. 27 +28 Бетонные монтажные блоки из сталефибробетона: твердая проезжая часть и тюбинги
6. Другие области применения
Как комбинированная арматура стальные волокна могут заменять конструктивную арматуру и в других сооружениях (снижение объема металла и решение проблем доступа) или улучшать долговечность и расширять возможности применения.
TAB-Slab(r) система для свободно лежащих покрытий из сталефибробетона
После появления директивы о сталефибробетоне DAfStb для урегулированного теперь стройматериала - сталефибробетона - открылись новые области применения. В преддверии этого были разработаны системы TAB-Slab(r) для покрытий, армированных стальными волокнами, TAB-Deck(r) для накладного сталефибробетона на трапецеидальные листы и TAB-Raft(r) для оснований, терпящих нагрузку изгибом. Сталефибробетон целиком или частично привлекается для обеспечения несущей способности.
Пригодный для практического применения сталефибробетон с высокими дозировками волокон
С применением современных высокоэффективных текучих средств и добавки летучей золы стало возможным изготовление сталефибробетона и с более высокой дозировкой волокон, чем до сих пор было принято от 20 до 40 кг / м 3. Бетон настраивается на меру пластичности F6 при соотношении вода / связующее макс. 0,5. Применение специально разработанных и относительно недорогих стальных волокон с хорошей характеристикой замешивания делают возможной дозировку волокон 100 кг / м 3 и больше. Таким образом, однородное смешивание волокон в бетоне и вместе с тем равномерный предел прочности после появления трещин во всех сечениях бетона может обеспечиваться на высоком уровне. Вышеупомянутый разброс результатов испытаний на изогнутой балке удерживается тем самым в относительно тесных рамках. Хорошее удобообрабатываемое качество и, в частности, удобство перекачки бетонной смеси также гарантировано. Практические примеры доказывают это.
Доказательства в предельном состоянии несущей способности плоского перекрытия
С помощью значения, полученного во время описанного выше испытания плитой, основной величины центрального предела прочности ffct0,u равной 2,8 Н/мм2 прежде всего, согласно [5] определяется момент несущего груза. При этом состояния удлинения варьируются, до тех пор, пока из полученной силы сжатия бетона в зоне сжатия сечения бетона и полученного тягового усилия фибробетона в зоне растягивания сечения бетона не появится баланс. В этом состоянии могут быть обнаружены внутренние радиусы силы, а отсюда путем умножения на внутренние силы момент нагрузки mRd. Уже на этом этапе расчетов учитываются запасы прочности материала и фактор статической нагрузки согласно [1 и [5] . При толщине элемента конструкции 20 см и применении бетона прочности C30 / 37 получается момент нагрузки mRd = 41,6 м.
Принятую и в последующем комплексном испытании подтвержденную модель повреждений следует приписывать Йоханссену или Тимошенко (см. также [9]). По поверхности плиты тангенциальные, круглые трещины проходят через опоры и образуют на этом месте пластичные шарниры (соединения). В нижней поверхности плиты образуются радиальные трещины и пластичные шарниры от середины плоскости до края поврежденного элемента конструкции. Они делят плиту на сегменты n окружности. (см. рис. 3)


Рис. 29 Модель повреждения плоского перекрытия с точечной опорой при распределенной по поверхности нагрузке
В дальнейшем рассматривается лишь сегмент длиной 2?R/n . Для образования трещин сверху действует тот же момент несущей нагрузки, что и для образования трещин снизу. Если пластичные моменты mRd в радиальных трещинах разделить на тангенциальные и радиальные компоненты и спроецировать радиальный компонент на край сегмента, то можно составить простое уравнение моментов для определения нагрузки Eu.
Следовательно Eu можно рассчитать по следующей формуле:

Величина kRand учитывает возможный существующий свободный край без крутящих моментов. Без свободного края ?Rand=1,0 При полностью свободном крае вдоль всей окружности повреждения ?Rand=0,0. Eu , таким образом, не зависит от количества образованных в состоянии повреждения сегментов n. В заключение следует показать, что нагрузка Eu больше, чем величина воздействия Ed.
Проверка напряжений сдвига или доказательство пробиваемости может приводиться также в соответствии с [5].
Дополнительная арматура для предотвращения прогрессирующего повреждения
В международном мире норм, а также в DIN 1045-1 [1] гл. 13.12 предписываются меры, которые предотвращают прогрессирование повреждения несущей конструкции вследствие повреждения элемента несущей конструкции. Поэтому согласно Мичеллу / Куку [10] и [11] гл. 13. 4. 9 арматура, которая должна предотвращать прогрессирование повреждения (анти-прогрессивный коллапс - АРС), дополнительно укладывается исключительно в нижнем положении. Арматура APC может быть определена, как указано ниже:
с
при этом следует использовать характерные значения наружного движения или собственные нагрузки. Величины l1 und. l2 указывают на размер рассмотренной плоскости.
Широкое испытание на плоском перекрытии
В октябре 2004 г институт из Аахена провел испытание в масштабе 1:1, чтобы зафиксировать вышеупомянутые теоретические высказывания в условиях строительного объекта на основе технического испытания. Была изготовлена поверхность из 3x3 плоскостей размером 18,3 м x 18,3 м толщиной 20 см на стальных опорах с накладками величиной 20 см x 20 см. Использовался сталефибробетон с волокнами типа Tabix 1,3/50 в дозировке 100 кг / м 3. Смешанный на заводе сталефибробетон был доставлен автосмесителями на строительную площадку и без проблем с помощью бетононасоса был помещен в опалубку (см. рис. 30).


Рис. 30 Процесс бетонирования тестовых поверхностей TAB Slab(r) в Биссене - беспроблемная перекачка высоко-дозированного сталефибробетона
Испытания в предельном состоянии пригодности к применению
Перед испытаниями в предельном состоянии несущей способности для определения несущей нагрузки проводились следующие испытания пригодности к применению: бочки ставились на поверхность и последовательно наполнялись водой. Бочки, соединенные друг с другом шлангами могли равномерно заполняться и вместе с тем равномерно распределять нагрузку. При этом бочки распределялись по покрытию по-разному в соответствии с тем или иным типом нагрузки (типы нагрузки от 1 до 4 см. рис. 31-34).

Рис. 31-34 Испытания пригодности применения - типы нагрузки 1-4 в SLS
На нижней стороне поверхности измерялись различные изгибы, при этом поверхность бетона наблюдалась на предмет образования трещин. В итоге тип нагрузки 4 был оставлен на одну неделю. Рост деформации не наблюдался. Во время этих испытаний не образовалось трещин, которые можно было бы отнести за счет внешнего груза. Поверхность вела себя абсолютно эластично.
Испытания в предельном состоянии несущей способности
В завершение по очереди центр плоскости, край плоскости и угловая плоскость с помощью единичного груза в центре поверхности нагружались до отказа. Для этого смещаемая рама крепежными втулками была соединена с опорами поверхности. Установленный на этой раме гидравлический пресс производил необходимые усилия (см. рис. 36). С помощью электронных датчиков для записи перемещений записывались разные деформации плиты и документировались (см. рис. 37). Образование трещин наблюдалось на верхней и нижней стороне плиты, ширина трещин документировалась.

Рис. 35-37 Испытания в предельном состоянии несущей способности

Нагрузки увеличивались поэтапно до 10 кН вплоть до первого образования трещин и, наконец, вплоть до несущей нагрузки. Во время испытаний беспрерывно мог наблюдаться дуктильный процесс нарушений, причем поверхность деформировалась вдоль возникающих пластичных шарниров. В этих шарнирах сходятся все деформации. После первого образования трещин нагрузки увеличивались на коэффициент от 2 до 3 вплоть до несущей нагрузки. В качестве образца на 38 и 39 диаграмме представлены деформация нагрузки и картина трещинообразования поверхности в центре плоскости.

Рис. 38 +39 испытания в предельном состоянии несущей способности - диаграмма растяжения нагрузки и картина трещинообразования поверхности в центре плиты
В центре плоскости была измерена несущая нагрузка 470 кН, по краям 260 кН, а в углах 220 кН. Следует учесть, что по краям и в углах повреждения могли появиться после испытаний в других плоскостях. Ранее сделанные теоретические расчеты по теории пластического шарнира Тимошенко или Йохансена полностью были подтверждены.
Заключение
При последовательном применении современной технологии бетона может производиться сталефибробетон с высоким объемом волокон прибл. 100 кг / м 3, который демонстрирует такую же несущую способность, как и обычные железобетонные элементы. Тем не менее, поскольку механизм отказа сталефибробетона заключается не как у железобетона в достижении предела текучести и в последующем появлении трещины вложенной стали, а в последовательном вытягивании волокна из матрицы бетона, то сталефибробетон, как правило, имеет более высокую характеристику ротации, так как при трещинах большой ширины не происходит разрыва арматуры. Таким образом, и перекрытия в обычном надземном строительстве или другие элементы конструкции могут изготавливаться с высоким потенциалом риска из чистого сталефибробетона. Первые объекты в Англии, Бельгии, Латвии и Эстонии (см. рис. 40-43) показывают практическую пригодность этой новой технологии. На стадии подготовки находятся другие проекты в Канаде, Австрии, Эстонии и других европейских странах.


Рис. 40 +41 Процесс бетонирования проекта TAB Slab в Таллинне / Эстония, Kolde Tee

Рис. 42 +43 Процесс бетонирования проекта TAB Slab в Даугавпилсе / Latvia, Ditton-Nams-shopping-mall






Литература
[1] DIN 1 045 части 1-4, издание 07/2001
[2] Памятка Германского союза по бетону и строительным технологиям "Сталефибробетон", DBV, издание октябрь 2001
[3] Директива по фибробетону, Австрийское объединение бетонных технологий и строительной техники, издание март 2002
[4] SIA Recommandation 162/6, Societe suisse des ingenieurs et des architectes, Edition 1999
[5] Директива DAfStb "Сталефибробетон", Комиссия ФРГ для железобетона,
[6] Цитцельсбергер, T. и Мандль Й.: Новая памятка Германского союза по бетону и строительным технологиям "Сталефибробетон", 2002/1 стр. 16-20
[7] Брошюра Германского союза по бетону и строительным технологиям № 7, Сборник примеров измерений по памятке Германского союза по бетону и строительным технологиям, собственное издательство
[8] Госсла, И., Биллес, M. и Штельцер, Р.: Измерение фундаментных плит из сталефибробетона согласно директиве OVBB по фибробетону и памятке Германского союза по бетону и строительным технологиям по сталефибробетону. Строительство из бетона и железобетона 07/2005
[9] Destree, X.: Structural Application of Steel fibres as only reinforcing in free suspended elevated slabs: conditions - design - examples, sixth RILEM Symposium on fibre reinforced concretes, Varenna, Italy September 04
[10] Mitchell, D. und Cook, W.D.: Preventing Progressive Collapse of slab structures. Journal of Structural Engineering, Vol 110, N° 7, Juli 1984
[11] CSA (Canadian standard association): Design of Concrete Structures for buildings. Edition 12/1984
[12] Госсла, У. и Пепин, Р.: Перекрытия из самоуплотняющегося сталефибробетона. Доклад для Брауншвейгского строительного семинара в 2004 г





СОДЕРЖАНИЕ