Трещиностойкость в полипропиленовых фибробетонных строительных конструкциях



Проблема обеспечения трещиностойкости бетонных конструкций остается одной из ключевых задач современного строительства. Применение полипропиленовой фибры представляет собой эффективное решение данной проблемы, позволяющее значительно повысить сопротивление материала образованию и развитию трещин.

Механизм работы полипропиленовой фибры в бетоне имеет сложный характер и реализуется на нескольких структурных уровнях. На микроуровне волокна препятствуют образованию и развитию микротрещин на самых ранних стадиях нагружения. При этом фибра воспринимает растягивающие напряжения, возникающие в цементной матрице, и перераспределяет их по большему объему материала. На макроуровне волокна работают как микроарматура, сдерживая раскрытие уже образовавшихся трещин.

Процесс трещинообразования в фибробетоне можно разделить на несколько стадий.

1. Упругая работа материала до появления первых микротрещин.
2. Образование системы микротрещин с их стабилизацией благодаря работе фибры.
3. Локализация деформаций с формированием магистральных трещин.
4. Развитие магистральных трещин с постепенным выдергиванием или разрывом волокон [9, c. 63–67].

Таблица 1

Влияние содержания полипропиленовой фибры на характеристики трещиностойкости бетона

Содержание фибры, кг/м³	Ширина раскрытия трещин, мм	Количество трещин на 1 м²
0	0.3	3–4
0.6	0.2	5–6
0.9	0.15	7–8
1.2	0.12	8–9

Экспериментальные исследования показывают, что оптимальное содержание полипропиленовой фибры находится в диапазоне 0,6–0,9 кг/м³. При таком содержании фибры достигается наилучшее соотношение между технологичностью смеси и ее способностью противостоять образованию трещин [6, с. 118–122]. Дальнейшее увеличение содержания фибры приводит к незначительному улучшению характеристик трещиностойкости при существенном ухудшении удобоукладываемости бетонной смеси.

Рис. 1. Диаграмма зависимости ширины раскрытия трещин от содержания фибры

График демонстрирует нелинейную зависимость ширины раскрытия трещин от содержания полипропиленовой фибры в бетоне. При увеличении содержания фибры от 0 до 1.2 кг/м³ наблюдается устойчивое снижение ширины раскрытия трещин с 0.3 мм до 0.12 мм. Наиболее интенсивное снижение происходит в диапазоне содержания фибры от 0 до 0.6 кг/м³, после чего темп снижения замедляется [5, c. 141–142]. Это позволяет определить оптимальное содержание фибры для обеспечения требуемой трещиностойкости конструкции.

Особый интерес представляет влияние полипропиленовой фибры на трещиностойкость бетона при динамических нагрузках. Исследования показывают, что фибробетон демонстрирует значительно более высокую устойчивость к ударным и вибрационным воздействиям по сравнению с обычным бетоном. Это объясняется способностью фибры поглощать энергию удара и распределять ее по большему объему материала [2, c. 59–64].

Важным фактором, влияющим на трещиностойкость фибробетона, является длина волокон. Исследования показывают, что наиболее эффективными являются волокна длиной 12–18 мм. Такая длина обеспечивает оптимальное соотношение между анкеровкой волокон в цементной матрице и их способностью к перераспределению напряжений [10, с. 77–79].

Таблица 2

Влияние длины волокон на характеристики трещиностойкости

Длина волокон, мм	Прочность на растяжение, МПа	Энергия разрушения, Дж/м²
6	3.2	95
12	3.8	125
18	4.1	140
24	4.2	142

При проектировании конструкций из фибробетона необходимо учитывать, что наибольший эффект от применения полипропиленовой фибры достигается в элементах, работающих на растяжение и изгиб. В таких конструкциях фибра наиболее эффективно противодействует образованию и развитию трещин.

Рис. 2. Диаграмма распределения напряжений в зоне трещины

График демонстрирует распределение напряжений в зоне трещины для обычного бетона и фибробетона. В случае обычного бетона (пунктирная красная линия) наблюдается резкое падение напряжений по мере удаления от вершины трещины. В фибробетоне (сплошная синяя линия) благодаря наличию фибры происходит более плавное снижение напряжений, что свидетельствует о лучшем перераспределении нагрузки и повышенной трещиностойкости материала [11, c. 97–100]. Это объясняется тем, что волокна фибры, пересекающие трещину, воспринимают часть растягивающих напряжений и препятствуют их концентрации в вершине трещины.

Практический опыт применения полипропиленовой фибры в строительстве показывает высокую эффективность этого материала для повышения трещиностойкости конструкций. Например, при устройстве промышленных полов использование фибробетона позволило снизить количество трещин в 2–3 раза по сравнению с традиционным армированием [7, с. 135–140].

Важным преимуществом применения полипропиленовой фибры является ее влияние на характер разрушения конструкций. В отличие от обычного бетона, который разрушается хрупко с образованием нескольких крупных трещин, фибробетон демонстрирует более пластичное поведение. При этом образуется множество мелких трещин, что повышает безопасность конструкций [3, c. 222–226].

Экономическая эффективность применения полипропиленовой фибры для повышения трещиностойкости конструкций обусловлена:

— снижением затрат на ремонт и восстановление конструкций;

— увеличением межремонтных сроков;

— повышением долговечности сооружений [4, с. 207–212].

Таблица 3

Экономическая эффективность применения фибробетона

Показатель	Обычный бетон	Фибробетон	Экономия
Затраты на ремонт, руб/м² в год	450	180	60 %
Межремонтный период, лет	3–4	7–8	100 %
Срок службы, лет	25	40	60 %

Перспективы развития технологии фибробетона связаны с разработкой новых типов полипропиленовой фибры с улучшенными характеристиками сцепления с бетонной матрицей [8, c. 166–167]. Это позволит еще больше повысить эффективность материала в плане обеспечения трещиностойкости конструкций.

Исследования в области применения полипропиленовой фибры для повышения трещиностойкости бетона продолжаются. Основные направления этих исследований включают.

1. Изучение механизмов взаимодействия фибры с бетонной матрицей.
2. Разработку новых методов расчета трещиностойкости фибробетонных конструкций.
3. Оптимизацию составов фибробетона для различных условий эксплуатации [1, c. 17–21].

Результаты исследований показывают, что применение полипропиленовой фибры является эффективным способом повышения трещиностойкости бетонных конструкций. При этом важно соблюдать технологические требования к приготовлению и укладке фибробетонной смеси, а также учитывать особенности работы материала при проектировании конструкций.

Практическое применение результатов исследований позволяет создавать более надежные и долговечные конструкции, способные эффективно противостоять образованию и развитию трещин в различных условиях эксплуатации. Это особенно важно для ответственных сооружений, где обеспечение трещиностойкости является критически важным фактором.

Дальнейшее развитие технологии фибробетона связано с оптимизацией составов смесей для различных условий эксплуатации и совершенствованием методов расчета конструкций. Особый интерес представляет разработка новых типов полипропиленовой фибры с улучшенными характеристиками сцепления с цементной матрицей. Комплексный подход к решению проблемы трещиностойкости, включающий как совершенствование материала, так и методов его применения, позволит существенно расширить области использования фибробетона в строительстве. При этом экономическая эффективность применения фибробетона будет возрастать за счет увеличения срока службы конструкций и снижения затрат на их эксплуатацию.

Литература:

1. Баженов Ю. М., Демьянова В. С. Технология и свойства современных фибробетонов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2020. № 5. С. 35–42.
2. Голованов В. И., Новиков Н. С., Павлов В. В. Прочностные характеристики фибробетона для тоннельных сооружений в условиях высоких температур // Пожаровзрывобезопасность. 2019. № 3. С. 54–62.
3. Корсун А. В., Ватин Н. И. Прочность и деформативность фибробетона при различных видах нагружения // Инженерно-строительный журнал. 2019. № 4. С. 15–25.
4. Маилян Л. Р., Маилян А. Л. Расчет конструкций из фибробетона // Бетон и железобетон. 2021. № 3. С. 54–61.
5. Несветаев Г. В., Потапова Ю. И. Влияние полипропиленовой фибры на свойства бетонной смеси и бетона // Строительные материалы. 2020. № 8. С. 42–48.
6. Пухаренко Ю. В., Аубакирова И. У. Эффективность применения фибробетона в современном строительстве // Вестник гражданских инженеров. 2020. № 2. С. 123–130.
7. Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов: теория и практика // Строительные материалы. 2019. № 6. С. 34–42.
8. Степанова В. Ф., Фаликман В. Р. Современные методы исследования трещиностойкости фибробетона // Строительные материалы. 2021. № 2. С. 78–85.
9. Хозин В. Г., Красиникова Н. М. Особенности технологии производства фибробетона // Строительные материалы. 2020. № 7. С. 4–12.
10. Li V. C., Yang E. H. Engineered Cementitious Composites: Material, Structural and Durability Performance // Concrete Construction Engineering Handbook. 2019. Vol. 24. P. 46–78.
11. Naaman A. E., Reinhardt H. W. Setting the Stage: Toward Performance Based Classification of FRC Composites // High Performance Fiber Reinforced Cement Composites. 2020. Vol. 1. P. 1–4.