В статье представлены результаты исследований по повышению эффективности производства сталефибробетонных изделий для заводских условий с применением тепловлажностной обработки. Приведены рекомендации по определению оптимальных режимов тепловлажностной обработки изделий из сталефибробетонов в зависимости от составов. Установлены зависимости, определяющие повышение прочностных свойств сталефибробетонов за счет формирования в материале преднапряженного фиброкаркаса.

УДК 693.547.14

В.Г. СОЛОВЬЕВ, канд. техн. наук, А.Ф. БУРЬЯНОВ, доктор техн. наук, М.С. ЕЛСУФЬЕВА, инженер, Московский государственный строительный университет

Ключевые слова: сталефибробетон, тепловлажностная обработка, проектирование состава, оптимизация производства
Keywords: concrete, heat and humidity processing, design of composition, production optimization

Вопрос повышения эффективности технологии производства сталефибробетоных изделий и конструкций является особо актуальным в настоящее время. В связи с развитием нормативной базы в области проектирования и изготовления сталефибробетонных изделий и конструкций создаются благоприятные условия для более интенсивного внедрения данного материала в строительной отрасли [1], однако более высокие затраты на его производство по сравнению с обычным железобетоном часто являются сдерживающим фактором. Продолжающие отечественные и зарубежные исследования позволяют утверждать, что возможностей для повышения эффективности и снижения стоимости производства сталефибробетона более чем достаточно.

Одной из наиболее доступных и простых возможностей снижения затрат при производстве сталефибробетонных изделий является оптимизация процесса тепловлажностной обработки.

Определяющим эффектом, который позволяет оптимизировать тепловлажностную обработку сталефибробетона, является существенное изменение его теплофизических свойств, обусловленное различной природой смешиваемых материалов. Анализ теплотехнических свойств сталефибробетона, а также его исходных компонентов – мелкозернистого бетона и стали, полученных расчетным методом, приведен в табл. 1. Коэффициент теплопроводности сталефибробетона по сравнению с обычным мелкозернистым бетоном в зависимости от коэффициента дисперсного армирования (μ) увеличивается от 1,5 до 4,4 раза. При этом удельная теплоемкость сталефибробетона изменяется незначительно, а теплоусвоение увеличивается более чем в 2 раза.

Таблица 1. Теплотехнические свойства сталефибробетона

№ п/п	Свойства Материал	Плотность, с0, кг/м3	Удельная теплоемкость, с0, кДж/(кг∙°С)	Коэффициент теплопроводности, л0, Вт/ (м∙°С)	Теплоусвоение, s, Вт/(м2∙°С)
1	Мелкозернистый бетон	1800	0,84	0,76	9,6
2	Сталь	7850	0,48	58	126,5
3	Сталефибробетон, м=0,5%	1830	0,84	1,05	11,9
4	Сталефибробетон, м=2,5%	1950	0,83	2,19	17,6
5	Сталефибробетон, м=4,5 %	2070	0,82	3,34	22,4

Расчетные данные, приведенные в табл. 1, не отражают действительные теплотехнические свойства сталефибробетонов, т.к. при их определении принималось упрощение, что бесконечно малые частицы металла равномерно распределены по всему объему сталефибробетона.

В действительности металлическая фибра в матрице мелкозернистого бетона формирует участки с отличными теплотехническими свойствами, по которым происходит распределение тепловых потоков в случае возникновении температурного градиента. Значения фактического коэффициента теплопроводности сталефибробетона в зависимости от коэффициента армирования и размеров фибры приведены на рисунке.

На основании проведенных исследований установлено, что при коэффициенте армирования до 2,5% для любого размера фибры коэффициент теплопроводности сталефибробетона меньше расчетного, а при коэффициенте армирования более 3% – превышает расчетные значения. Превышение теоретического коэффициента теплопроводности сталефибробетона вызвано уменьшением межфибрового пространства и образованием в композите каналов повышенной теплопроводности, которые представляют собой отдельные стальные фибры, соприкасающиеся или очень близко расположенные между собой и пронизывающие весь объем материала.

Значение коэффициента армирования для каждого вида фибры, при котором коэффициент теплопроводности превышает теоретическое значение, указывает на то, что распределение тепловых потоков при данных значениях в первую очередь будет происходить по сетке дисперсного армирования. Данный эффект позволит более интенсивно перераспределять тепловые потоки в композите и в минимальные сроки достигать равномерной температуры при возникновении температурных градиентов по его сечению.

В настоящее время проведены достаточные научно-исследовательские работы по проектированию и изготовлению сборных изделий из сталефибробетона [2, 3, 4]. Однако вопрос оптимизации технологии производства изделий из сталефибробетона с учетом его отличительных теплофизических свойств не учитывался в должном объеме.

Повышение коэффициента теплопроводности сталефибробетона позволяет ускорить время подъема и снижения температуры при его тепловлажностной обработке, тем самым увеличив оборачиваемость форм и производительность предприятия в целом. Основным фактором при определении оптимальной скорости подъема температуры при ТВО сталефибробетона является температурный градиент, возникающий в образце при его обработке. Исследования, проведенные по определению численных значений температурных градиентов в сталефибробетоне при его тепловлажностной обработке, показали, что максимально допустимый градиент температур равен 0,6°C/см, т.к. именно при данных и меньших значениях прочность композита в возрасте 28 суток не снижается за счет микродефектов структуры на начальном этапе [5]. Время предварительной выдержки сталефибробетона перед тепловой обработкой определяется с учетом особенностей структурообразования на данном этапе и не может быть выше определенных значений [6]. Данный факт обусловлен термическими деформациями стальной фибры на начальном этапе тепловой обработки. Если к моменту повышения температуры структура цементной матрицы сформируется в достаточной степени, то расширение фибры приведет к ее разрушению в отдельных зонах (вблизи концов отдельных фибр), что существенно снизит конечные физико-механические свойства композита.

Рекомендуемые оптимальные режимы тепловлажностной обработки, учитывающие особенности структурообразования сталефибробетонов, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Оптимальные режимы тепловой обработки сталефибробетонов

Состав сталефибробетона			Режим ТВО
Ц:П	В/Ц	µv, %	Предварительная выдержка, ч.	Подъем температуры, ч.
1:1	0,3	0,5	не менее 2	2,5
		2,5	2…4	2,5
		4,5	3…5	2
	0,4	0,5	не менее 3	2,5
		2,5	3…6	2,5
		4,5	3…6	2
	0,5	0,5	не менее 4	2,5
		2,5	4…7	2,5
		4,5	4…7	2
1:2	0,3	0,5	не менее 2	3
		2,5	2…6	2,5
		4,5	3…6	2
	0,4	0,5	не менее 3	3
		2,5	3…6	2,5
		4,5	3…6	2
	0,5	0,5	не менее 4	3
		2,5	4…7	2,5
		4,5	4…7	2
1:3	0,3	0,5	не менее 2	3,5
		2,5	2…6	2,5
		4,5	3…6	2
	0,4	0,5	не менее 3	3,5
		2,5	3…7	2,5
		4,5	3…7	2
	0,5	0,5	не менее 4	3,5
		2,5	4…8	2,5
		4,5	4…8	2

Приведенные рекомендации по выбору режимов тепловлажностной обработки сталефибробетонных изделий также могут быть приняты за основу при разработке технологии изготовления массивных монолитных и специальных железобетонных конструкций. При повышенных требованиях к качеству железобетонных конструкций введение стальной фибры в бетон будет технологически и экономически оправданно, т.к. позволит значительно снизить термические напряжения в конструкциях и достигнуть требуемого качества в более широких температурных интервалах.

Второй, но не менее важной особенностью, позволяющей снизить затраты при производстве сборных сталефибробетонных изделий, является формирование преднапряженного фиброкаркаса, который повышает физико-механические свойства композита. Наиболее эффективно повышаются свойства сталефибробетона за счет формирования преднапряженного фиброкаркаса, возникающего при введении расширяющихся добавок в цементную матрицу [7, 8], однако данный эффект стоит учитывать и при тепловой обработке сталефибробетона. Механизм возникновения и зависимости, описывающие эффект от возникновения преднапряженного фиброкаркаса при тепловой обработке и его влияние на свойства сталефибробетона, приведены в работе [9]. Однако при расчетном учете фактора преднапряженного фиброкаркаса наиболее удобно пользоваться следующими уравнениями:

(1)

, (2)

где k_t1 и k_t2 – коэффициенты, учитывающие влияние преднапряжений в стальной фибре, которые возникают после тепловлажностной обработки, на прочность при сжатии и растяжении сталефибробетона, соответственно; R_fb и R^t_fb – расчетная прочность при сжатии и растяжении, определенная по одной из принятых методик.

Коэффициенты k_t1 и k_t2 определяются по следующим формулам:

k_t1=1,08-0,13Х1-0,03Х2-0,06 Х1Х3+0,13Х12+0,06 Х22+0,07 Х32, (3)

k_t2=1,02-0,06Х1+0,04 Х1Х2-0,07Х1Х3-0,03Х12-0,09Х22+0,13Х32, (4)

где Х1, Х2 и Х3 – кодированные значения цементно-песчаного, водоцементного отношений и коэффициента армирования по объему сталефибробетона.

Расчет фактических показателей прочности сталефибробетона при тепловлажностной обработке по формулам 1 и 2 позволит учесть особенности структурообразования данных композитов и снизить затраты на сырьевые материалы.

Для повышения эффективности производства и снижения затрат на производство сталефибробетонных изделий и конструкций необходимо использовать все доступные технологические приемы. Такой подход позволит обеспечить высокую экономическую конкурентоспособность сталефибробетона и его более широкое применение.

Библиографический список

1. Волков В.И. Нормативное обеспечение индустриального применения сталефибробетона в строительстве // Вестник гражданских инженеров, № 4, 2007, с. 45-49.

2. Ивлев М.А. Сталефибробетон в производстве перемычек жилых и гражданских зданий / М.А. Ивлев, И.Б. Струговец, И.В. Недосеко // Известия КГАСУ, № 2 (14), 2010, с. 223-228.

3. Талантова К.В. Практика создания конструкций на основе сталефибробетона с заданными эксплуатационными характеристиками / К.В. Талантова, Н.М. Михеев, А.Н. Трошкин // Известия вузов. Строительство. – Новосибирск, № 10, 2011, с. 112-118.

4. Латыпов Н.Н. Фибробетон в производстве дорожных плит / Н.Н. Латыпов, И.Б. Струговец, В.В. Бабков, И.В. Недосеко // Строительные материалы, 2009, № 11, с. 50-52.

5. Соловьев В.Г., Бурьянов А.Ф., Елсуфьева М.С. Особенности производства сталефибробетонных изделий и конструкций // Строительные материалы, № 3, 2014, с. 18-21.

6. Соловьев В.Г. Влияние дисперсного армирования на структурообразование и прочностные свойства сталефибробетонов, подвергаемых тепловлажностной обработке: автореф. дисс. … канд. техн. наук. – Воронеж, 2009, – 26 с.

7. Елсуфьева М.С., Соловьев В.Г., Бурьянов А.Ф. Применение расширяющихся добавок в сталефибробетоне // Строительные материалы, № 8, 2014, с. 60-63.

8. Елсуфьева М.С., Соловьев В.Г., Бурьянов А.Ф., Нуртдинов М.Р., ­Какуша В.А. Оценка долгосрочного изменения свойств сталефибробетонов с расширяющимися добавками // Строительные материалы, № 7, 2015, с. 21-23.

9. Соловьев В.Г., Бурьянов А.Ф., Фишер Х.-Б. Особенности формирования структуры сталефибробетона при тепловой обработке // Строительные материалы, № 9, 2015, с. 43-46.