Полимер-армированный фибробетон в строительстве



В статье анализируются основные конструктивные и эксплуатационные характеристики полимер-армированного фибробетона. Приводится краткая история применения фибробетона, с указанием на условия и необходимость его использования в отдельных видах строительных работ. На примере успешного опыта строительства дорожных покрытий тоннелей, аэропортов, морских портов, складов и подобных объектов рассматриваются основные преимущества полимер-армированного фибробетона, указывающие на большие перспективы расширения использования этого материала при строительстве аналогичных объектов при условии снижения его стоимости. Основные преимущества полимер-армированного фибробетона выражены его устойчивостью к длительным высоким нагрузкам, высокой морозостойкостью и водонепроницаемостью, а также устойчивостью к длительному воздействию высоких температур.

Ключевые слова: полимер-армированный фибробетон, строительство, дороги, тоннели, альтернативные материалы, современные технологии.

В настоящее время фибробетоны (англ. fiber-reinforced concrete; fiber-re-reinforced concrete; FRC) представляют собой перспективную альтернативу традиционному железобетону, во многом ввиду того, что они обладают повышенными эксплуатационными характеристиками, по сравнению с традиционным бетоном. В частности, популярность фибробетона обусловлена повышенным пределом трещиностойкости (до 80 %) и модулем упругости (на 20–30 %), отсутствием усадки, пластичностью, ударопрочностью, износостойкостью и долговечностью, что может компенсировать основной недостаток материала, заключающийся в его дороговизне.

Развитие применения фибробетонов началось в 1950-е годы, когда у инженеров повысился интерес к новым композитным материалам, что позволило оценить перспективы изменения традиционного составов бетона. Кроме этого, развитию фибробетона способствовала актуализация экологических проблем: в частности, обнаружилось, что традиционный асбест, ранее использовавшийся в изготовлении бетонной смеси, является сильным канцерогеном, в связи с чем его применение в строительстве и других сферах стало ограничиваться.

В подобных условиях с 1960-х гг. стали проводиться эксперименты по изучению возможностей использования в бетонных смесях альтернативных армирующих материалов. В том числе были определены перспективы использования в бетонах стальных, стеклянных и синтетических (включая полимерные) волокон. Официально применение полимер-армированного бетона в строительстве было разрешено в США в 1971 году, после одобрения материала Американским институтом бетона [1].

Фибробетон, таким образом, предоставил возможность несколько изменить технологию строительства за счет замены арматуры фиброй — волокном с определенными армирующими свойствами. В некоторых видах строительства фибробетон практически полностью вытеснил традиционный бетон, например, в строительстве тоннелей, где он стал использоваться для облицовки, заменяя железобетон. В частности, из полимер-армированного фибробетона выполнена облицовка отдельных участков тоннеля, являющегося частью высокоскоростной железной дороги, соединяющей Великобританию и Францию через Ла-Манш. В данном случае полимер-армированный бетон был выбран, прежде всего, из-за его высокой огнестойкости [2]. Как показал опыт, при высоких температурах во время пожара (до 1100°С в тоннеле за первые пять минут пожара) традиционная бетонная облицовка начинает сильно растрескиваться, что существенно повышает риск катастрофического обрушения тоннеля. Само растрескивание происходит в первые 20–30 минут пожара.

Учитывая опыт, при проектировании тоннеля, относящегося к новому участку вышеупомянутого маршрута (Channel Tunnel Rail Link), было установлено, что добавление 1 кг моноволоконного полипропиленового волокна к каждому кубическому метру бетона может значительно уменьшить растрескивание, не влияя на прочность бетона и устойчивость облицовки тоннеля. Это объясняется тем, что полипропиленовое волокно плавится на ранних стадиях пожара и образует миллионы пустот в бетоне. Эти каналы создают пути выхода захваченного водяного пара, что, в свою очередь, снижает поровое давление и растягивающие напряжения в бетонной облицовке тоннеля. Следовательно, за счет этого существенно снижается растрескивание и вероятность обрушения тоннеля.

Таким образом, успешный опыт инженеров, проектировавших тоннель для Channel Tunnel Rail Link, говорит о перспективах полимер-армированного фибробетона в создании системы пассивной противопожарной защиты тоннелей, дорожных покрытий, и различных сооружений. Предполагается, что такой фибробетон не будет терять своих качеств в течение всего срока службы, не разрушаясь, и не требуя ремонта. Минимальный диаметр полимерных волокон, согласно утверждению инженеров, работавших над проектом Channel Tunnel Rail Link, составляет 32 микрона. Однако, для повышения основных характеристик бетонной конструкции, они рекомендуют использовать более тонкие волокна, обладающие преимуществами, не имеющимися у более грубых волокон.

Многие компании, существующие на зарождающемся рынке полимер-армированного фибробетона, предлагают собственные решения, касающиеся размера волокон. Например, компания Anglo Danish Fiber Industries Ltd (Великобритания) выпускает волокна Ignis, имеющие диаметр менее 32 микрон, перспективные для осуществления крупных проектов в строительстве тоннелей и дорог. Ignis производится путем плавления и экструзии полипропиленовых шариков с образованием моноволокна, которое впоследствии растягивается до необходимого диаметра, а затем нарезается по размеру. Такое волокно способно сохранять свойства фибробетона при температурах до 160°С, что важно для строительства тоннелей и дорог, подверженных рискам сильного нагрева или пожара. Инженеры компании уточнили, что наряду с волокнами Ignis в смесь можно добавлять 30 кг на кубический метр стальной фибры, чтобы придать бетону более высокую прочность. Другая британская компания, Adfil, разработала инновационный процесс экструзии с использованием специальной смеси химикатов, который позволяет растягивать полипропилен до диаметра от 5 до 30 микрон (диапазон патентов Adfil), что можно считать хорошей альтернативой волокну Ignis.

В любом случае, полимер-армированный фибробетон в строительстве тоннелей и дорог имеет множество преимуществ перед традиционным железобетонном. Основное обоснование применения полимер-армированного фибробетона в данных случаях часто заключается в том, что металлическая арматура подвержена коррозии в агрессивных условиях, которым могут быть подвержены отдельные тоннели и дорожные полотна. Сама структура полимер-армированного фибробетона обеспечивает ему преимущества над железобетоном благодаря его устойчивости к воздействиям агрессивной среды и высоких температур в том числе, имеющихся при пожарах, не допуская разрушения конструкции.

В настоящее время уже достаточно часто проводится армирование облицовки и дорожных покрытий тоннелей полимерными волокнами или комбинацией волокон с арматурой. Также полимерные волокна в бетоне используются уже более 25 лет в качестве метода армирования футеровки, поскольку они обеспечивают более эффективное и рентабельное производство, а также более высокую долговечность и меньше брака в заводском изготовлении сборных панелей. Эксплуатационные характеристики стали нужного качества и макрофибры в настоящее время позволяют полностью изготавливать облицовку тоннелей из полимер-армированного фибробетона [3].

Нанесение бетонной смеси из полимер-армированного фибробетона, например, по технологии Ignis или Adfil, предусмотрено торкретированием [4]. В их случае торкретирование является частью технологии возведения конструкции дорожного полотна или облицовки тоннеля за счет того, что при этом минимизируются отскоки и усадка бетона, что обеспечивает надежное трехмерное армирование (рис. 1).

Рис. 1. Торкретирование полимер-армированного фибробетона производства Adfil при строительстве дорожных тоннелей [5]

На данный момент также реализованы проекты британской служебной автострады А3044 и новый участок туннеля до линии Heathrow Express и лондонского метро. Успешный опыт данных проектов обеспечивает быстрое расширение применения полимер-армированного фибробетона в строительстве по всей Европе (рис. 2).

Рис. 2. Примеры успешных проектов, реализованных с использованием фибробетона Ignis: а — North Downs Tunnel (графство Кент, Великобритания); б — аэропорт Хитроу (Лондон, Великобритания); в — Westerschelde Tunnel (Нидерланды); г — Dublin Port Tunnel (Дублин, Ирландия) [6]

Также подобные проекты реализовались в Сан-Франциско (США), Австралии, Сингапуре, Новой Зеландии и Абу-Даби [7]. Наибольший спрос на полимер-армированный фибробетон наблюдается при строительстве дорожных покрытий, которые будут испытывать высокие продолжительные нагрузки от интенсивного движения тяжелой техники, например, в аэропортах, морских портах, крупных складских помещений для контейнеров, больших парковок и т. п.

Для инженеров, планирующих использовать полимер-армированный фибробетон в строительстве тоннелей и дорожных покрытий, существуют специальные технические рекомендации, например, «ITAtech Guidance For Precst Fibre Reinforced Concrete Segments — Vol. 1: Design Aspects» от компании Fibremesh, в котором приводятся подробные технические и эксплуатационные характеристики полимер-армированного фибробетона.

Сравнение особенностей покрытий из обычного бетона и из полимер-армированного фибробетона с волокном Crackstop M от компании Adfil проведено на рис. 3.

Рис. 3. Сравнение особенностей обычного бетона (слева) и полимер-армированного фибробетона (справа) [8]

На рис. 4 показано визуальное сравнение участков бетонного покрытия из обычного бетона и из полимер-армированного фибробетона аналогичной технологии.

Рис. 4. Визуальное сравнение покрытий из обычного бетона (слева) и из полимер-армированного фибробетона (справа): а — результаты испытания на пластическую усадку; б — результаты испытания на морозостойкость; в — результаты испытания на водонепроницаемость [8]

В табл. 1 указаны основные характеристики некоторых видов полимер-армированного фибробетона.

Таблица 1

Основные характеристики некоторых видов полимер-армированного фибробетона [1]

Вид фибробетона	Плотность	Прочность на сжатие
Мочевиноформальдегидный полимерный бетон	2260 кг/м 3	37 МПа
Полиэфирный бетон	2050 кг/м 3	95 МПа

Как видно из табл. 1, плотность фибробетона обычно находится в диапазоне 2260–2050 кг/м ³ , что по общей классификации бетонов соответствует облегченным бетонам. Прочность на сжатие у них находится в диапазоне 37–95 МПа, что уже соответствует бетонам класса B40 и выше, относящимся к тяжелым бетонам. Учитывая это, можно утверждать, что фибробетоны являются более легкими бетонами, по сравнению с традиционными, но при этом, обладают характеристиками, свойственными тяжелым бетонам. На наш взгляд, это указывает на большие перспективы применения полимер-армированного фибробетона в строительстве автодорог и различных видов дорожных покрытий, при условии решения проблем с его дороговизной.

Таким образом, полимер-армированный фибробетон является перспективным альтернативным материалом для строительства автомобильных дорог, тоннелей, различных дорожных покрытий и сооружений. Его основные отличительные характеристики заключаются в повышенных показателях устойчивости к длительным высоким нагрузкам, морозостойкости, водоотталкивающих свойствах и способности сохранять целостность конструкции при продолжительном воздействии высоких температур. Кроме этого, полимер-армированный фибробетон является легким бетоном, конструкции из которого создаются простым торкретированием. Расширение использования полимер-армированного фибробетона в строительстве дорог и различных дорожных покрытий на данный момент ограничивается фактически лишь его высокой стоимостью.

Литература:

1. What is Polymer Concrete? Uses, properties, pros/cons, and ingredients of Polymer Concrete. URL: https://civilengineeringbible.com/article.php?i=323.
2. News — Fibres add much needed protection to prestigious tunnelling projects. URL: https://web.archive.org/web/20070927074710/http://www.adfil.co.uk/docs/templates/news.asp?monthid=6&yearid=2004.
3. Precast Segments. URL: https://fibermesh.com/underground/precast-segments/.
4. Tunnel linings. URL: https://www.adfil.com/applications/reinforced-sprayed-concrete/tunnel-linings/.
5. Durus EasyShot 50. Maximizing Reinforcement Perfomacne in Sprayed Concrete. URL: https://www.adfil.com/media/3357/leaflet_adfil_durus_easyshot-50-english.pdf.
6. INGIS Monofilament Fibre. Passive Fire Protection. URL: https://www.adfil.com/media/3366/folder_adfil_Ignis-english-04–2019.pdf.
7. ITAtech Guidance For Precast Fibre Reinforced Concrete Segments. — Vol. 1: Design Aspects. ITAtech Activy Group Support. URL: https://fibermesh.com/wp-content/uploads/2017/02/21374-ITATECH-REPORT-7-PFRCS-BD_P.pdf.
8. CRACKSTOP M. High-performance synthetic micro fibre for crackfree concrete surfaces. URL: https://www.adfil.com/media/3439/folder_adfil_crackstop-03–2020.pdf.