| Тип фибры | Материал / ГОСТ | Диаметр, мкм (мм) | Длина, мм | Прочность на растяжение, МПа | Модуль упругости, ГПа | Плотность, кг/м³ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Стальная фибра | Низкоуглеродистая / высокоуглеродистая сталь ГОСТ Р 59535-2021 |
120–1300 (0,12–1,3) | 5–100 | 1000–2000 | ≥200 | 7800–7850 |
| Полипропиленовая фибра | Полипропилен высокомодульный | 20–200 | 6–50 | 400–600 | 3,5–10 | 900–910 |
| Базальтовая фибра | Базальтовое непрерывное волокно | 10–17 | 6–50 | 2000–3000 | 80–100 | 2700–2800 |
| Стеклянная фибра | Щелочестойкое стекловолокно с ZrO₂ | 10–20 | 12–40 | 1700–2000 | 70–80 | 2500–2600 |
| Область применения | Стальная фибра, кг/м³ | Полипропиленовая фибра, кг/м³ | Базальтовая фибра, кг/м³ | Стеклянная фибра, кг/м³ |
|---|---|---|---|---|
| Стяжки пола, облицовочные растворы | 15–20 | 0,3–0,7 | 0,3–0,6 | 0,6–1,0 |
| Промышленные полы (средняя нагрузка) | 25–40 | 0,5–1,5 | 0,5–1,0 | 0,8–1,5 |
| Промышленные полы (высокая нагрузка) | 40–75 | 2,0–3,0 | 1,0–2,0 | 1,5–2,5 |
| Конструкционный фибробетон (плиты, балки) | 30–50 | 0,5–1,5 | 0,5–1,5 | 1,0–2,0 |
| Высоконагруженные конструкции (аэродромные покрытия) | 75–150 | 3,0–6,0 | 1,5–3,0 | 2,0–3,0 |
| Торкретбетон для тоннелей, шахт | 30–60 | 2,0–4,0 | 1,0–2,0 | 1,5–2,5 |
| Мелкозернистый бетон (теплоизоляционный) | — | 1,5–3,0 | 1,5–3,0 | — |
| Декоративные изделия, тонкостенные элементы | — | 0,6–1,5 | 0,3–1,0 | 0,6–2,5 |
| Тип фибры | Дозировка, кг/м³ | Прирост прочности на изгиб, % | Прирост прочности на сжатие, % | Прирост прочности на растяжение, % |
|---|---|---|---|---|
| Стальная фибра | 15–30 | 70–100 | 5–10 | 80–120 |
| 30–50 | 100–150 | 10–15 | 120–180 | |
| 75–150 | 150–200 | 15–25 | 180–250 | |
| Полипропиленовая фибра | 0,6–1,0 | 35–50 | 0–5 | 40–60 |
| 1,0–2,0 | 80–100 | 5–10 | 90–110 | |
| 2,0–3,0 | 100–120 | 10–15 | 100–130 | |
| Базальтовая фибра | 0,3–0,6 | 20–35 | 10–15 | 25–40 |
| 1,0–2,0 | 100–120 | 14–20 | 120–140 | |
| 2,0–3,0 | 170–200 | 20–30 | 200–240 | |
| Стеклянная фибра | 0,6–1,5 | 30–48 | 8–14 | 35–55 |
| 1,5–2,5 | 150–200 | 15–25 | 180–250 |
| Тип фибры | Дозировка, кг/м³ | Повышение трещино-стойкости, раз | Повышение ударной прочности, раз | Снижение усадки, % | Повышение морозо-стойкости, раз |
|---|---|---|---|---|---|
| Стальная фибра | 20–40 | 2,5–3,5 | 3–5 | 30–50 | 1,5–1,8 |
| 50–100 | 3,5–5,0 | 5–8 | 50–70 | 1,8–2,0 | |
| Полипропиленовая фибра | 0,6–1,5 | 2,0–2,5 | 2–3 | 50–70 | 1,3–1,5 |
| 1,5–3,0 | 2,5–3,5 | 3–4 | 70–85 | 1,5–1,7 | |
| Базальтовая фибра | 0,5–1,5 | 2,5–3,0 | 3–5 | 40–60 | 1,8–2,0 |
| 1,5–3,0 | 3,0–4,0 | 5–7 | 60–80 | 2,0–2,5 | |
| Стеклянная фибра | 0,6–1,5 | 2,0–2,8 | 2,5–4,0 | 35–55 | 1,4–1,6 |
| 1,5–2,5 | 2,8–3,5 | 4,0–6,0 | 55–75 | 1,6–1,9 |
Механизм упрочнения бетона дисперсным армированием
Дисперсное армирование бетона фиброволокнами представляет собой технологию трехмерного упрочнения бетонной матрицы путем равномерного распределения коротких отрезков высокопрочных волокон по всему объему смеси. В отличие от традиционного стержневого армирования, которое работает преимущественно в одной или двух плоскостях, фибра создает пространственный каркас, воспринимающий растягивающие и изгибающие напряжения во всех направлениях.
Принцип работы фибробетона основан на том, что при возникновении микротрещин в бетонной матрице фиброволокна перехватывают раскрывающиеся трещины и препятствуют их дальнейшему развитию. Это достигается благодаря высокой прочности волокон на растяжение, которая в случае стальной и базальтовой фибры значительно превышает предел прочности бетона. Согласно ГОСТ Р 59535-2021, модуль упругости стали для изготовления фибры должен составлять не менее 200 ГПа, что обеспечивает эффективную передачу нагрузки от бетонной матрицы к армирующему элементу.
Механизм упрочнения реализуется через несколько физических эффектов. Во-первых, фиброволокна препятствуют расслоению бетонной смеси при укладке и схватывании, что повышает однородность структуры затвердевшего материала. Во-вторых, наличие миллионов хаотично ориентированных волокон создает барьер для распространения микротрещин усадочного происхождения, которые неизбежно образуются в процессе твердения цементного камня. В-третьих, при нагружении конструкции фибра включается в работу на растяжение, перераспределяя напряжения и увеличивая предельную деформацию бетона в 5–20 раз по сравнению с обычным материалом.
Эффективность фибрового армирования количественно оценивается через коэффициент армирования μf, который рассчитывается как отношение объема фибры к объему бетона. Согласно СП 52-104-2006, расчетное сопротивление сталефибробетона на растяжение при изгибе определяется с учетом этого коэффициента и характеристик фибры. Оптимальные значения μf для различных конструкций находятся в диапазоне 0,5–3,0% по объему, что соответствует весовому расходу 15–150 кг/м³ для стальной фибры.
Важнейшим параметром эффективности армирования является соотношение длины волокна к его диаметру. Для стальной фибры этот показатель регламентируется ГОСТ Р 59535-2021 и должен составлять 28–106. При меньших значениях снижается анкеровка волокна в бетонной матрице, при больших возникают трудности с перемешиванием и равномерным распределением фибры. Для полимерных и минеральных волокон оптимальные значения l/d находятся в диапазоне 200–1000 за счет их меньшего диаметра.
Стальная фибра: характеристики и применение
Сталефибробетон представляет собой композиционный материал, армированный стальными волокнами диаметром 0,12–1,3 мм и длиной 5–100 мм согласно ГОСТ Р 59535-2021. Стальная фибра изготавливается из низкоуглеродистой или высокоуглеродистой проволоки методом рубки, а также из стальных листов методом резки. Различают несколько типов профилей: анкерная фибра с загнутыми концами, волновая с периодическим изгибом, серповидная и прямая фибра.
Анкерная конфигурация обеспечивает наилучшее сцепление с бетонной матрицей за счет механического зацепления загнутых концов, что предотвращает выдергивание волокна при нагружении. Временное сопротивление разрыву стальной фибры составляет 1000–2000 МПа, модуль упругости не менее 200 ГПа по требованиям стандарта. Такие характеристики позволяют стальным волокнам эффективно воспринимать растягивающие усилия и обеспечивать остаточную прочность конструкции даже после образования магистральных трещин.
Расход стальной фибры для различных конструкций
Дозировка стальной фибры определяется типом конструкции и характером воспринимаемых нагрузок. Для промышленных полов с незначительными нагрузками достаточно 15–30 кг/м³, что соответствует коэффициенту армирования около 0,2–0,4% по объему. При средних нагрузках расход увеличивается до 30–40 кг/м³, для высоконагруженных покрытий до 75–150 кг/м³.
В конструкционном фибробетоне для изготовления балок, плит и других несущих элементов расход стальной фибры составляет 30–50 кг/м³ при классе бетона-матрицы В25–В40. Для аэродромных покрытий, воспринимающих ударные нагрузки от колес самолетов, применяются дозировки 75–100 кг/м³. В торкретбетоне для крепления горных выработок и тоннелей используется 30–60 кг/м³ стальной фибры длиной 25–35 мм.
При использовании сталефибробетона в агрессивных средах или на открытом воздухе без защитных покрытий возможно образование коррозионных разводов на поверхности конструкций. В таких условиях рекомендуется применение базальтовой или полипропиленовой фибры либо нанесение защитных составов на поверхность сталефибробетона.
Прочностные характеристики сталефибробетона
Введение стальной фибры в бетон приводит к существенному повышению прочности на растяжение при изгибе. При дозировке 30–50 кг/м³ прирост составляет 100–150% по сравнению с бездобавочным бетоном той же марки. Прочность на сжатие увеличивается в меньшей степени на 10–15% при тех же дозировках, однако возрастает пластичность материала и характер разрушения меняется с хрупкого на вязкий.
Предельная деформация сталефибробетона при растяжении увеличивается в 15–20 раз, что обусловлено работой фибры на выдергивание после образования трещин в матрице. Этот эффект называется остаточной прочностью и регламентируется ГОСТ Р 59535-2021 через классы по остаточной прочности на осевое растяжение. Ударная прочность сталефибробетона возрастает в 3–8 раз в зависимости от дозировки и геометрии волокон.
Полипропиленовая фибра: свойства и дозировки
Полипропиленовое фиброволокно изготавливается из высокомодульного полипропилена и представляет собой синтетические волокна диаметром 20–200 мкм и длиной 6–50 мм. Различают микрофибру длиной 6–12 мм и макрофибру длиной 25–55 мм. Плотность полипропиленовой фибры составляет 900–910 кг/м³, что значительно меньше плотности бетона, благодаря чему волокна равномерно распределяются по объему смеси без оседания.
Прочность полипропиленовой фибры на растяжение достигает 400–600 МПа при модуле упругости 3,5–10 ГПа. Материал характеризуется высокой химической стойкостью к щелочной среде цементного камня, не подвергается коррозии и обладает температурой плавления около 160–170 градусов. Полипропиленовое волокно обладает высоким относительным удлинением при разрыве до 150–200%, что обеспечивает хорошую трещиностойкость бетона на стадии пластической усадки.
Оптимальный расход полипропиленовой фибры
Технико-экономические исследования показывают, что оптимальная дозировка полипропиленовой фибры для большинства применений находится в диапазоне 0,6–2,0 кг/м³. При таком содержании достигается двукратное увеличение прочности на растяжение при изгибе и снижение нормированной усадки при высыхании на 50–85% по данным испытаний различных составов.
Для цементно-песчаных стяжек и облицовочных растворов применяют 0,3–0,7 кг/м³ полипропиленовой микрофибры. В промышленных полах с умеренными нагрузками расход составляет 0,5–1,5 кг/м³, при высоких нагрузках 2,0–3,0 кг/м³. В торкретбетоне для крепления горных выработок используется 2,0–4,0 кг/м³. Увеличение дозировки свыше 3,0 кг/м³ не дает существенного прироста характеристик и экономически нецелесообразно.
В ячеистых бетонах полипропиленовая фибра применяется в количестве 1,0–2,0 кг/м³ для повышения трещиностойкости изделий при транспортировке и монтаже. При производстве пеноблоков добавление 1 кг фибры на кубический метр практически полностью исключает сколы на углах и гранях, увеличивает прочность на изгиб в 2–5 раз и снижает процент брака до минимальных значений.
Влияние на свойства бетона
Полипропиленовая фибра оказывает наибольшее влияние на снижение усадочных деформаций и предотвращение образования микротрещин в период твердения бетона. При дозировке 0,6–2,0 кг/м³ усадка раствора снижается на 50–85%, что особенно важно для тонкослойных покрытий и стяжек большой площади. Прочность на растяжение при изгибе увеличивается на 35–120% в зависимости от дозировки.
Трещиностойкость бетона с полипропиленовой фиброй возрастает в 2,0–3,5 раза, ударная прочность в 2–4 раза по сравнению с обычным бетоном. Морозостойкость повышается в 1,3–1,7 раза благодаря отсутствию микротрещин, через которые могла бы проникать вода. Важным преимуществом является снижение водопоглощения и повышение водонепроницаемости за счет более плотной структуры материала.
Полипропиленовая фибра особенно эффективна в конструкциях, где критичны усадочные деформации: наливные полы большой площади, тонкие стяжки, штукатурные составы. Материал не проводит электрический ток, что важно для полов производственных помещений с электрооборудованием. Полипропилен устойчив к биологическому поражению и не создает гальванических пар с арматурой.
Базальтовая фибра: преимущества базальтоволокна
Базальтовая фибра представляет собой нарубленные отрезки базальтового непрерывного волокна диаметром 10–17 мкм и длиной 6–50 мм. Материал производится из расплавленных вулканических пород методом экструзии при температуре около 1450 градусов. Базальтовое волокно характеризуется высокой прочностью на растяжение 2000–3000 МПа и модулем упругости 80–100 ГПа, что существенно превосходит характеристики полимерных волокон.
Уникальным свойством базальтовой фибры является близкий к бетону коэффициент температурного расширения, что исключает возникновение внутренних напряжений при колебаниях температуры. Материал сохраняет работоспособность в диапазоне от минус 200 до плюс 900 градусов, не горит и не выделяет токсичных веществ при нагреве. Базальтовое волокно абсолютно устойчиво к щелочной среде цементного камня, не подвергается коррозии и биологическому поражению.
Расход базальтовой фибры и эффективность применения
Базальтовая фибра отличается высокой эффективностью при относительно малых дозировках. Для цементно-песчаных растворов достаточно 0,3–0,6 кг/м³, что соответствует 0,1–0,2% от массы цемента. При такой дозировке прочность при сжатии увеличивается на 10–15%, при изгибе на 20–35%. Для тяжелого бетона применяют 0,3–1,0 кг/м³ в зависимости от назначения конструкции.
В промышленных полах расход базальтовой фибры составляет 0,5–2,0 кг/м³. Для высоконагруженных конструкций применяют 1,5–3,0 кг/м³ базальтового волокна. В дорожном строительстве для армирования асфальтобетонных покрытий используется 1,0–2,0 кг/м³ фибры длиной 12–24 мм. При производстве железобетонных изделий добавление 1 кг базальтовой фибры позволяет сократить время выдержки изделия в форме за счет повышения ранней прочности.
Прирост прочностных характеристик
Результаты испытаний показывают, что при армировании бетона класса В20 базальтовой фиброй длиной 12 мм в количестве 1–2% от массы цемента прочность на растяжение увеличивается в 1,19–1,23 раза. Однако характер разрушения при этом остается хрупким. Применение более длинных волокон 24–50 мм при содержании 1–3% приводит к изменению характера разрушения на пластический и повышению прочности на растяжение в 1,79–2,24 раза.
Прочность бетона при изгибе увеличивается в 2 раза при дозировке базальтовой фибры 1–2 кг/м³. Трещиностойкость возрастает в 2,5–4,0 раза в зависимости от длины волокна и дозировки. Ударная прочность повышается в 3–7 раз, что обусловлено высоким модулем упругости базальтового волокна и хорошей адгезией к цементной матрице. Морозостойкость бетона с базальтовой фиброй увеличивается в 1,8–2,5 раза.
Базальтовая фибра находит применение в строительстве мостов, тоннелей, гидротехнических сооружений, где требуется высокая долговечность и стойкость к агрессивным средам. Материал эффективен в дорожном строительстве для армирования цементобетонных покрытий с интенсивным движением. В жилищном строительстве базальтофибробетон применяется для устройства стяжек, наружных штукатурок, малых архитектурных форм.
Технологические особенности применения
Базальтовая фибра вводится в бетонную смесь после загрузки заполнителей. Рациональная последовательность: вода, песок, щебень, фибра, цемент. Продолжительность перемешивания не должна превышать 6–10 минут в зависимости от подвижности смеси. При более длительном смешивании возможно повреждение волокон и снижение эффективности армирования. Фибра хорошо распределяется в смеси при любой консистенции бетона от жесткой до литой.
Стеклянная фибра: особенности стеклофибробетона
Стеклянная фибра изготавливается из щелочестойкого стекловолокна с содержанием диоксида циркония и представляет собой нити диаметром 10–20 мкм, нарубленные на отрезки длиной 12–40 мм. Для производства фибры используется специальное стекло с повышенным содержанием циркония, которое обеспечивает стойкость к щелочной среде цементного камня. Прочность стеклянного волокна на растяжение достигает 1700–2000 МПа при модуле упругости 70–80 ГПа.
Плотность стеклофибры составляет 2500–2600 кг/м³, что близко к плотности тяжелого бетона. Материал обладает высокой адгезией к цементной матрице, не проводит электрический ток и устойчив к воздействию влаги. Важной особенностью стеклофибры является ускорение схватывания цементного раствора, поэтому при работе с такими смесями рекомендуется добавление пластификаторов для обеспечения необходимого времени удобоукладываемости.
Дозировка стеклофибры в различных составах
Расход стеклофибры для цементно-песчаных стяжек и облицовочных составов составляет 0,6–1,0 кг/м³. Для промышленных полов применяют 0,8–2,5 кг/м³ в зависимости от нагрузок. В конструкционном фибробетоне используется 1,0–2,0 кг/м³ стеклянного волокна. Для тонкостенных архитектурных элементов, фасадных панелей и декоративных изделий дозировка может достигать 2,0–3,0 кг/м³.
При испытаниях бетонов классов В25 и В30 с добавлением стеклофибры получено повышение прочности на растяжение при изгибе до 30% и прочности на сжатие до 14%. Для цементного раствора М100 прирост составил 48% при изгибе и 58% при сжатии. Такие результаты обусловлены тонкостью стеклянных волокон и их большим количеством в единице объема при относительно малой весовой дозировке.
Свойства стеклофибробетона
Стеклофибробетон характеризуется высокой прочностью при сжатии от 490 до 840 кг/см² в зависимости от класса бетона-матрицы. Прочность на растяжение при изгибе увеличивается на 30–200% по сравнению с обычным бетоном при дозировках 0,6–2,5 кг/м³. Модуль упругости стеклофибробетона составляет 11000–25000 МПа, что обеспечивает хорошую жесткость конструкций при малой толщине сечения.
Трещиностойкость стеклофибробетона возрастает в 2,0–3,5 раза, ударная прочность в 2,5–6,0 раз в зависимости от дозировки волокон. Водонепроницаемость повышается на 50–150% благодаря отсутствию сквозных капилляров в плотной структуре материала. Морозостойкость увеличивается в 1,4–1,9 раза по сравнению с бездобавочным бетоном той же марки.
Стеклофибра ускоряет схватывание бетонной смеси на 20–30%, что требует корректировки технологии. Необходимо использовать пластифицирующие добавки и сокращать время транспортировки готовой смеси. Время перемешивания стеклофибробетона не должно превышать 3 минуты во избежание повреждения тонких волокон.
Применение стеклофибробетона
Стеклофибробетон находит широкое применение в производстве тонкостенных архитектурных элементов толщиной 10–30 мм: фасадных панелей, карнизов, балюстрад, декоративных накладок. Материал используется для изготовления сантехнических кабин, перегородок, подвесных потолков. Высокие звукоизоляционные свойства делают стеклофибробетон предпочтительным для акустических панелей и шумозащитных экранов.
В гражданском строительстве стеклофибробетон применяется для устройства стяжек полов, внутренних и наружных штукатурок, облицовочных слоев. Материал эффективен в реставрационных работах для воссоздания лепных украшений и архитектурных деталей. В ландшафтном дизайне из стеклофибробетона изготавливают малые архитектурные формы: скамейки, вазоны, ограждения, элементы мощения.
Нормативные требования и стандарты качества
Проектирование и производство фибробетонных конструкций регламентируется комплексом нормативных документов. Основополагающим стандартом для сталефибробетона является ГОСТ Р 59535-2021, который распространяется на тяжелые и мелкозернистые бетоны на цементных вяжущих и плотных заполнителях, дисперсно-армированные стальной фиброй. Стандарт устанавливает технические требования к сталефибробетонам и сталефибробетонным смесям, методы их испытаний, правила контроля, оценки качества и приемки.
Согласно ГОСТ Р 59535-2021, классы сталефибробетона по прочности на сжатие находятся в диапазоне от В20 до В120. Введены классы по остаточной прочности на осевое растяжение, которые характеризуют способность материала воспринимать нагрузки после образования трещин в матрице. Для стальной фибры установлены требования по диаметру 0,12–1,3 мм, длине 5–100 мм, отношению длины к диаметру 28–106, модулю упругости не ниже 200 ГПа.
Своды правил и технические условия
СП 52-104-2006 содержит рекомендации по проектированию сталефибробетонных конструкций промышленных и гражданских зданий из тяжелого или мелкозернистого бетона с предварительным напряжением и без предварительного напряжения стержневой арматуры. Свод правил распространяется на конструкции из бетона-матрицы классов по прочности на сжатие от В20 до В60, армированные стальной фиброй, в том числе в сочетании со стальной стержневой арматурой классов А, В и К.
Подбор состава фибробетонных смесей производится согласно ГОСТ 27006 с учетом требований ГОСТ 31384. Бетонная смесь или матрица для фибробетона изготавливается по ГОСТ 26633-2015. Технические условия на фибробетон разрабатываются заводом-изготовителем с учетом требований ВСН 56-97 и СП 297.1325800.2017. Контроль качества бетонных смесей осуществляется по ГОСТ 7473-2010, испытания затвердевшего бетона по ГОСТ 10180-2012.
Требования к бетону-матрице
В качестве бетона-матрицы для фибробетонных конструкций применяется тяжелый или мелкозернистый бетон классов В20–В60 с плотностью 1800–2500 кг/м³ по ГОСТ 25192-2012. Для приготовления матрицы используется портландцемент марки М400 и выше по ГОСТ 31108-2020 с учетом изменения № 1 от 01.02.2024. Водоцементное отношение назначается из условия обеспечения требуемой прочности и удобоукладываемости смеси.
Мелкий заполнитель должен соответствовать требованиям к строительным пескам, крупность не менее 2,2 по модулю крупности. Крупный заполнитель — щебень из твердых пород с пределом прочности на сжатие не ниже прочности бетона-матрицы. При производстве стеклофибробетона в соответствии с утвержденной рецептурой может использоваться глиноземный цемент. Содержание добавок в портландцементе не должно превышать 5% для ответственных конструкций.
Согласно СП 52-104-2006, сталефибробетонные конструкции подразделяются на фибробетонные при расчетном армировании только фибрами, равномерно распределенными по объему элемента, и комбинированно армированные при их расчетном совместном армировании стальными фибрами и стальной стержневой арматурой. Для фибробетонных конструкций без стержневого армирования класс бетона-матрицы должен быть не ниже В25.
Методы контроля качества
Контроль содержания фибры в сталефибробетоне определяется по методике, изложенной в приложении А ГОСТ Р 59535-2021. Прочность бетона контролируется на образцах-призмах размером 100×100×400 мм или 150×150×600 мм по ГОСТ 10180-2012. Для определения остаточной прочности на растяжение используют специальные образцы с надрезом глубиной, равной 1/6 высоты сечения.
Водонепроницаемость определяется по ГОСТ 12730.1-2020, морозостойкость по ГОСТ 10060.0-95. Истираемость промышленных полов из фибробетона оценивается согласно методике испытаний бетонных покрытий. Перед отгрузкой заказчику образцы из каждой партии фибробетонной смеси подвергаются испытаниям в заводской лаборатории, результаты фиксируются в паспорте партии и сертификате качества.
Технология приготовления фибробетонных смесей
Технологический процесс изготовления фибробетонных смесей базируется на требованиях ГОСТ 7473-2010 с учетом особенностей введения и распределения фиброволокон. Основная технологическая задача заключается в достижении равномерного распределения волокон по объему бетона без образования комков и клубков. От качества распределения фибры существенно зависят конструктивные и эксплуатационные свойства готового материала.
Все виды фибробетонных смесей изготавливаются в смесителях принудительного действия, позволяющих эффективно перемешивать раствор. Гравитационные бетоносмесители не обеспечивают качественного распределения волокон и не рекомендуются для производства фибробетона. Последовательность загрузки компонентов для каждого типа бетона определяется технологическими картами и техническими условиями завода-изготовителя.
Методы введения фибры в бетонную смесь
Существуют два основных способа введения фиброволокон в бетонную смесь. Первый метод предусматривает смешивание фибры с сухими компонентами на стадии загрузки, затем добавляется вода и химические добавки с последующим перемешиванием. Второй метод заключается в добавлении фиброволокон в готовый бетон на финальной стадии смешивания. Выбор способа зависит от типа фибры, её геометрических характеристик и требуемых свойств конечного продукта.
Для сталефибробетона рекомендуется следующая последовательность загрузки: в емкость для смешивания наливается 80% воды, насыпается портландцемент и готовится смесь, при перемешивании засыпается фиброволокно, добавляются пластификаторы и оставшаяся вода. Стальная фибра может вводиться с помощью электромагнитных установок, которые равномерно растягивают волокна в процессе перемешивания раствора, предотвращая образование комков.
Полипропиленовая и базальтовая фибра хорошо распределяются в смеси при добавлении порционно в работающий смеситель. Фибра вводится после загрузки заполнителей, затем добавляется цемент спустя 30–45 секунд после загрузки требуемого объема волокон. Время перемешивания составляет примерно 15 минут или на 15% больше времени, затрачиваемого на смешивание обычного бетонного раствора. Продолжительность смешения строго ограничивается и не должна превышать 6–10 минут для базальтовой фибры и 3 минуты для стеклофибры.
При приготовлении фибробетона в автобетоносмесителе на один мешок фибры следует в барабан смесителя налить воды из расчета 35 литров на м³ бетона перед добавлением крупного заполнителя и фибры. Смешивание фибры только с водой может приводить к образованию комков. В идеале для обеспечения хорошего распределения фибры потребуется 100 оборотов смесителя или минимальное время смешивания одну минуту на один м³ емкости барабана при максимальной скорости вращения.
Технология напыления стеклофибробетона
Для изготовления изделий из стеклофибробетона часто применяется метод пневмонабрызга. Суть технологии состоит в синхронном напылении бетонной смеси и фиброволокон с помощью специального оборудования. Цементно-песчаный раствор подается через пневматический распылитель, одновременно из рубильной установки поступает рубленое стекловолокно. Компоненты перемешиваются в воздушном потоке и осаждаются на поверхность формы или опалубки.
Технология пневмонабрызга обеспечивает высокую степень дисперсности армирования и позволяет изготавливать крупногабаритные изделия сложных геометрических форм, включая криволинейные поверхности. Содержание стеклофибры при напылении может достигать 4–5% по массе, что обеспечивает высокие прочностные характеристики тонкостенных элементов. Толщина напыляемого слоя составляет 10–30 мм за один проход, что позволяет формовать изделия требуемой толщины за несколько циклов.
Укладка и уплотнение фибробетонной смеси
Укладка фибробетона производится согласно СНиП 3.06.04-91 с учетом особенностей материала. Заливка выполняется послойно без технологических разрывов с направлением укладки в одну сторону для обеспечения ориентированного расположения волокон. Уплотнение фибробетонной смеси осуществляется глубинными вибраторами с частотой колебаний 180–220 Гц. Время вибрирования сокращается на 20–30% по сравнению с обычным бетоном во избежание сегрегации фибры.
При устройстве промышленных полов из фибробетона применяется виброрейка или виброплита для поверхностного уплотнения. После укладки необходимо предохранять свежеуложенную смесь от испарения воды путем создания защитного мембранного слоя или нанесения пленкообразующих составов. Скорость затвердевания фибробетона на 50% выше по сравнению с обычным бетоном, что позволяет быстро залить большую площадь и сократить общую продолжительность строительных работ.
Международные стандарты требуют проводить первоначальные подборы составов бетона, чтобы убедиться, что производственная технология смешивания обеспечивает равномерное распределение фибры. Необходимо отобрать пробы из разных участков замеса, определить содержание волокон гравиметрическим методом и визуально оценить характер распределения. Отклонение содержания фибры в пробах не должно превышать 10% от проектного значения.
Расчет дозировки фибры для конкретных задач
Определение оптимальной дозировки фибры для конкретной конструкции требует комплексного подхода с учетом типа воспринимаемых нагрузок, класса бетона-матрицы, условий эксплуатации и экономической целесообразности. Расчет выполняется проектной организацией на основании СП 52-104-2006 для сталефибробетонных конструкций или по методикам завода-изготовителя для других видов фибробетона.
Коэффициент фибрового армирования μf рассчитывается как отношение объема фибры к объему бетона и выражается в процентах. Для стальной фибры плотностью 7850 кг/м³ расход 40 кг/м³ соответствует μf = 0,51%. Расчетное сопротивление сталефибробетона на растяжение при изгибе определяется с учетом коэффициента армирования, характеристик фибры и прочности бетона-матрицы по формулам приложения Б СП 52-104-2006.
Пример расчета для промышленного пола
Рассмотрим проектирование промышленного пола складского помещения с нагрузкой от погрузчиков массой до 5 тонн. Исходные данные: бетон-матрица класса В25, толщина плиты 150 мм, основание — уплотненный щебеночный подстилающий слой. Требуется определить дозировку стальной фибры и проверить несущую способность конструкции.
Предварительно принимаем анкерную стальную фибру длиной 50 мм, диаметром 1,0 мм (отношение l/d = 50) с пределом прочности на растяжение 1200 МПа. Для восприятия изгибающих моментов от колесных нагрузок требуется обеспечить класс по прочности на растяжение при изгибе не ниже Btb 3,2. Согласно таблицам СП 52-104-2006, это достигается при коэффициенте армирования μf = 0,4–0,5%, что соответствует расходу стальной фибры 30–40 кг/м³.
Принимаем расход фибры 35 кг/м³, что обеспечивает μf = 0,45%. Проверка по предельным состояниям первой группы показывает, что несущая способность плиты составляет 5,2 тс/м², что превышает расчетную нагрузку с учетом коэффициента запаса. Проверка по образованию трещин подтверждает, что ширина раскрытия трещин не превысит допустимых значений 0,3 мм при эксплуатационных нагрузках. Таким образом, дозировка 35 кг/м³ является оптимальной для данной конструкции.
Определение расхода полипропиленовой фибры для стяжки
Для цементно-песчаной стяжки толщиной 50 мм на площади 200 м² требуется подобрать дозировку полипропиленовой фибры для предотвращения усадочного растрескивания. Раствор готовится на основе цемента М400 и песка с модулем крупности 2,5, соотношение Ц:П = 1:3, водоцементное отношение 0,45.
Согласно результатам испытаний, оптимальная дозировка полипропиленовой микрофибры длиной 12 мм для снижения усадочных деформаций составляет 0,9 кг/м³. При такой дозировке усадка раствора снижается на 65%, прочность на изгиб увеличивается на 90%. Общий расход фибры на стяжку площадью 200 м² и толщиной 50 мм составит: 200 × 0,05 × 0,9 = 9 кг. Стоимость фибры окупается снижением трудозатрат на устройство деформационных швов и практически полным отсутствием усадочных трещин.
Экономическая оптимизация состава
При проектировании фибробетонных конструкций необходимо учитывать экономическую эффективность применения того или иного типа фибры. Стоимость стальной фибры составляет примерно 80–120 рублей за килограмм, базальтовой — 200–300 рублей, полипропиленовой — 150–250 рублей в зависимости от производителя и объема закупки. При этом эффективные дозировки различаются в десятки раз: для стальной фибры 30–50 кг/м³, для полипропиленовой 0,6–2,0 кг/м³.
Для промышленного пола толщиной 120 мм применение стальной фибры в количестве 40 кг/м³ обойдется в 3200–4800 рублей на кубометр бетона. Использование полипропиленовой фибры 1,5 кг/м³ составит 225–375 рублей на кубометр, однако прочностные характеристики будут ниже. Экономически оптимальным решением часто является комбинированное армирование: 20 кг/м³ стальной фибры плюс 0,6 кг/м³ полипропиленовой, что обеспечивает высокую прочность и трещиностойкость при умеренной стоимости.
