Н.М.МИХЕЕВ, инж. (Барнаульский строительный колледж); К.В. ТАПАНТОВА, канд. техн. наук, доц. (АлтГТУ им. И. И. Ползуноеа), К вопросу о классификации стальных фибр для дисперсного армирования бетонов
Для дисперсного армирования бетонов-сталефибробетонов (СФБ) в настоящее время применяется стальные фибры различного типа. В литературе [2] имеются описания и характеристики различных типов фибр. К основным характеристикам фибр следует отнести:
- геометрические параметры;
- механические свойства;
- технологические характеристики;
- специальные свойства.
Геометрические параметры фибр - это длина, диаметр или приведенный диаметр (площадь поперечного сечения), форма поперечного сечения, отношение длины к диаметру, форма, состояние поверхности.
Длина фибр (lf) - параметр, в определенных пределах зависящий от технологии их изготовления, технологических и механических требований к ним и сталефибробетону.
Проволочную фибру можно изготавливать практически любой длины. Длина фибр, изготавливаемых из тонкого листа, ограничивается шириной зуба подвижного ножа и может достигать 100 мм. Длина фибр при продольной резке практически не ограничена. Длина фрезерованных фибр ограничивается шириной зуба фрезы и может быть до 40 мм. Длина фибры из каната ограничивается шагом свивки и составляет 1,5 от шага свивки. Длина токарной фибры соответствует ширине режущей кромки резца и достигает 50 мм. Данные о длине фибры из расплава не приводятся ввиду отсутствия достоверной информации.
Выбор длины фибр регламентируется конструктивными и технологическими требованиями:
- расчетными сопротивлениями материала (R, R,);
- способом приготовления сталефибробетонной смеси;
- способом введения фибр в смесь;
- требованиями к сцеплению фибр с бетоном (при отсутствии специальных способов по обеспечению заданного т сцепления)
Фибры большей длины, при одинаковом диаметре, более склонны к комкованию на всех технологических переделах: загрузке, транспортировке, выгрузке, дозировке, подаче в смеситель и перемешивании смеси. Соответственно, чем меньше длина фибр, при прочих равных условиях, тем меньше их склонность к образованию комков.
Однако чем больше длина фибр, тем больше усилие, необходимое для их выдергивания из тела затвердевшего бетона и тем выше сопротивление сталефибробетона растяжению. Когда эта величина достигает критического значения, фибра рвется. Дальнейшее увеличение длины практически не влияет на механические свойства сталефибробетона.
Диаметр фибр(ф), как правило, колеблется от 0,1 мм до 1,2 мм, а по литературным данным [1] - до 1,8 мм. С уменьшением диаметра фибр увеличивается эффективность фибрового армирования, но усложняется технология приготовления смеси и изготовления изделий. Для волокон не круглого сечения производится пересчет по площади поперечного сечения к кругу и вычисляется приведенный диаметр.
По форме поперечного сечения фибры можно разделить на:
- круглые (проволочные и литые);
- овальные (проволочные сплющенные и литые);
- треугольные (фрезерованные из сляба, из тонкого листа). Сечение может быть в виде остроугольного, прямоугольного или тупоугольного треугольника;
- серповидные (фрезерованные из сляба и тонкого листа, токарные);
- трапециевидные (из тонкого листа).
Достоверные данные о влиянии формы поперечного сечения фибр на технологические характеристики сталефибробетонной смеси и физи- ко - механические характеристики сталефибробетона в литературе отсутствуют. Поэтому условно следует считать, что, в первом приближении, она не оказывает существенного влияния на эти характеристики материала, и при одинаковом периметре поперечного сечения волокон их свойства, при прочих равных условиях, можно также считать одинаковыми.
Форма волокна, в отличие от формы поперечного сечения, существенно влияет как на технологические характеристики сталефибробетонной смеси, так и на механические свойства сталефибробетона [2].
Плоские и объемные армирующие элементы замкнутого профиля в виде колец, овалов, многоугольников, октаэдров и т.д. хотя и запатентованы в различных странах [4], но практического применения не нашли. Сведения об их применении в практике строительства отсутствуют, как отсутствуют сведения об экпериментальных исследованиях СФБ с их применением.
Форма линейных элементов фибр в научной литературе рассматривается широко [2,4]. Она зависит от технологии изготовления фибр. В одних случаях она формируется случайным образом, например, при разрезании бухты проволоки без размотки, но чаще формообразование осуществляется целенаправленно. Отгибы и волны на волокнах, выступы и углубления на поверхности волокон значительно увеличивают сцепление фибр с бетонной матрицей, и, следовательно, изменяют механические характеристики сталефибробетона и влияют на технологические свойства сталефибробетонной смеси.
По форме фибры можно разделить на следующие группы:
- с гладкой и неупорядоченно шероховатой поверхностью (прямолинейные, дугообразные и спиралевидные);
- профилированные;
- волнистые;
- с анкерными устройствами.
Фибры с гладкой и неупорядоченно шероховатой поверхностью получают резкой без профилирования проволоки, тонкого листа, фрезерованием слябов и толстого листа, токарной обработкой стальных заготовок.
Профилирование фибры из проволоки осуществляют с помощью одной или нескольких пар роликов с поверхностью, обеспечивающей нужный рельеф. При резке тонкого листа, как и при фрезеровании, профилирование обеспечивается рельефной заточкой инструмента. При изготовлении фибры из расплава с помощью быстровращающегося, частично погруженного в расплав барабана, профилирование обеспечивается формой канавки.
В России технические условия разработаны на фибру из листа, из отработанных канатов, фрезерованную фибру и фибру из проволоки [1,3]. По имеющейся у авторов информации, на сегодняшний день официально действуют нормативные документы только на два типа фибр - фрезерованную и резанную из листа.
И ранее разработанные, и ныне действующие технические условия содержат требования к конкретному виду стальных фибр, учитывающие особенности рассматриваемого конкретного вида.
Практическое применение стальных фибр, по мнению авторов, требует несколько иного подхода. Сталефибробетон применяется для различных целей. В одних случаях в большей степени используется его высокая ударная вязкость (комнаты хранения ценностей, фундаменты прессового оборудования, плиты трамвайных путей и т.д.). В других - повышенная износо- и морозостойкость (дорожные и аэродромные покрытия и др.). В третьих - высокое временное сопротивление растяжению и изгибу (тонкостенные конструкции, кольца, трубы и пр.).
Различные эксплуатационные и технологические характеристики сталефибробетона обеспечиваются применением фибр с различными характеристиками. К ним, прежде всего, следует отнести механические показатели: временное сопротивление растяжению, модуль упругости, относительное удлинение и геометрические характеристики: длина фибр, соотношение длины и диаметра (приведенного диаметра), наличие анкеров, форма и площадь поперечного сечения, состояние поверхности, наличие шероховатостей, насечки, покрытия.
При обеспечении одинаковых вышеперечисленных характеристик способ производства стальной фибры особого значения не имеет.
Нормативная документация, регламентирующая характеристики стальной фибры, представлена преимущественно техническими условиями. Практически все технические условия на стальную фибру содержат лишь ограничения по нижнему допустимому временному сопротивлению при растяжении. Для стальной фибры из листа - это 250 МПа, для фибры из проволоки - 690 МПа, для фибры из канатов - 800 МПа.
При проектировании различных типов конструкций в расчетах учитывается информация о временном сопротивлении фибр при растяжении. В связи с этим, думается, целесообразно классифицировать фибры по временному сопротивлению при растяжении с шагом 100 МПа, начиная от 300 до 1200 МПа.
При маркировке фибр по классам на первом месте следует размещать индекс, обозначающий способ производства, затем временное сопротивление растяжению.
Для проволочной фибры предлагается индекс - П, для фибры из листа - Л, для фибры из канатов - ПК, для фрезерованной - Ф, для токарной фибры - Т, для фибры из расплава - Р.
В известных технических условиях [1] в маркировке приводятся либо размеры сечения в мм (для фибры из иста), либо длина и диаметр в мм (для фибры из канатов), либо группа по размеру с буквенной индексацией (для проволочной фибры). Предлагается в маркировке фибры приводить длину и диаметр, в мм.
Еще одной важной характеристикой при проектировании СФБ конструкций является величина сцепления фибр с бетонной матрицей. Эту характеристику определяют расчетным путем по различным методикам, значительно отличающимся друг от друга, в том числе и результатами, при одинаковых исходных данных [2]. Величина сцепления зависит от большого числа факторов: длины заделки фибры в матрицу, состояния ее поверхности, наличия покрытия, наличия и типа анкерных устройств, формы поперечного сечения, формы самой фибры и т.д.
Авторы предлагают величину сцепления определять экспериментально по специальной методике [2] и вводить эту величину в маркировку фибр в МПа.
Таким образом, пример предлагаемой маркировки фибр может быть представлен следующим образом:
ФП 500 - 50 - 05 - 2,5.
Здесь ФП — фибра из проволоки; 500 - временное сопротивление растяжению, МПа; 50 - длина, мм; 05 - диаметр, мм; 2,5 - (тс) сцепление фибр с матрицей, МПа.
В настоящей работе предлагается классифицировать стальную фибровую арматуру для дисперсного армирования бетонов не с позиций ее изготовления (по некоторым конструктивным и геометрическим характеристикам), а с позиций проектирования элементов конструкций, технологии их производства и приготовления СФБ смеси.
Бетон и железобетон, 2003 №2