В статье говорится о первом опыте создания и применения фибробетона еще в советское время, современных технологиях получения данного материала и определении его сфер использования в транспортном строительстве, в частности при возведении мостовых сооружений.
Л.И. КОРОТКОВ, филиал АО ЦНИИС НИЦ «Мосты»
Первичную информацию о фибробетоне автор получил в самом начале работы во ВНИИ транспортного строительства (ЦНИИС), куда он в 1964 году был направлен по распределению. В институте в то время была прекрасная научно-техническая библиотека, которая постоянно получала самые известные технические отечественные и иностранные журналы и научные публикации в области строительства, в первую очередь транспортного строительства.
В одном журнале меня заинтересовала статья о применении тонких полос из фибробетона, расположенных в растянутой зоне изгибаемого железобетонного элемента мостовой конструкции в качестве внешнего дополнительного армирования для повышения трещиностойкости конструкции. В этих полосах использовалась металлическая фибра из тонкой проволоки. Кроме того, эти полосы играли роль дополнительного армирования для повышения несущей способности изгибаемого элемента.
Если на Западе фибробетон имел некоторое применение, то в Союзе эта идея мало кого заинтересовала, хотя он до сих пор считается перспективным материалом в строительстве. Такую позицию можно оправдать тем, что свойства фибробетона зависят от типа волокна, его длины и ориентации в смеси, от состава добавок, технологии производства и многих других факторов. При этом одним из главных условий эффективности использования фибробетона является обеспечение равномерного распределения фибры в бетонной матрице и его контроль, а также коррозионная стойкость фибры.
О сложности проблемы указывает НИИ-26 (г. Балашиха, Московская обл.) – на протяжении длительного времени институт занимался проблемой применения фибробетона для взлетно-посадочных полос аэродромов. Однако при этом еще осталось много нерешенных проблем, о чем свидетельствуют последние современные публикации [1, 2] и последняя работа В.Г. Кенига [3].
Перед началом строительства БАМа известный мостовик, доктор техн. наук Н.М Колоколов предложил в преднапряженных балках железнодорожных мостов заменить высокопрочную проволочную арматуру на внешнее армирование металлическим листом в развитие работ, выполняемых во Львовском политехническом институте. Однако в связи с довольно низкой прочностью металла для металлических мостов и малой изученности таких конструкций это предложение не приняли, но решили начать исследования и начинать с конструкций из обычного ненапрягаемого железобетона.
В середине 1970-х годов велись серьезные работы по применению арматуры высокой прочности (классов А-IV и А-V) в изгибаемых конструкциях из обычного ненапрягаемого железобетона. Основная сложность заключалась в обеспечении трещиностойкости таких конструкций. Автор данной статьи выполнил испытания серии образцов с комбинированным армированием, состоящим из стержневой арматуры разной прочности – (от А-II до А-V) и внешнего листового. По аналогии с пластинами из фибробетона для защиты от проникновения агрессивной среды использовалось внешнее армирование в виде корытообразных элементов из пластичной стали марки Ст3 или только одних вертикальных или горизонтальных листов.
В дальнейшей работе автор использовал это техническое решение для усиления железобетонных или деревянных (в том числе из клееного бруса ЛВЛ – брус «Югра») балок композитным материалом.
В это же время по инициативе известного специалиста А.Л. Цейтлина при поддержке Н.М. Колоколова, возглавлявшего лабораторию ж/б мостов, были начаты работы по исследованию и применению фибробетона в мостостроении. Исполнителем этого направления был назначен талантливый инженер Е.В. Васильев.
В связи с отсутствием производства отечественной фибры ее начали делать в цехе лаборатории из светлой тонкой стальной проволоки общего назначения диаметром 0,4 мм.
Выполненные исследования позволили предложить новое перспективное направление в конструкции дорожной одежды пролетных строений автодорожных мостов с плитой, состоящей в верхних слоях из материалов, стойких к воздействию агрессивной среды. Этот способ предусматривает применение дисперсно-армированного (фибробетона) полимерцементного бетона.
Опытная проверка проходила на мосту через р. Днепр в г. Смоленске, где часть изготовленной фибры была использована для покрытия нескольких блоков пролетного строения вместо оклеечной гидроизоляции. Для этого использовали волокна длиной 30-40 мм, которые вводили в бетон в количестве 1-2% от массы по объему, и смолу С-89 в количестве 0,8-1,5% от массы цемента [4].
На этом мосту были впервые применены разработанные в ЦНИИС конструкция пролетных строений из блоков ПРК и метод монтажа на перемещающихся подмостях. Это конструктивное решение отмечено двумя Государственными премиями СССР. К сожалению, данная конструкция дорожной одежды не нашла дальнейшего применения.
Наиболее продуктивный этап развития фибробетона – середина 1990-х годов и начало нового века – связан с именами Е.А. Антроповой и В.Г. Кенига, которые действовали независимо друг от друга. Если первая развивала опытно-теоретическое направление, то второй – практическое применение стеклофибробетона совместно с компанией «Инжсервис-МТ».
Первые публикации Е.А. Антроповой по этой проблеме появились в сборниках трудов МИИТ, где она работала в лаборатории при кафедре «Мосты и тоннели». В начале 2000-х годов было организовано производство стальной фибры на Курганском заводе металлических мостовых конструкций, выполнены экспериментальные работы и подготовлена диссертационная работа аспирантом Мелконяном, по результатам которой разработан ГОСТ Р52751-2007 «Плиты из сталефибробетона для пролетных строений мостов». В этом документе, кроме фибры, предусмотрено применение сухих смесей для ремонта (РМ-26 – разработка НИИ-26) и добавки к бетону ЦМИД-4 (ВНИИГ им. Веденева, Санкт-Петербург, Г.З. Кастыря). В это время автор занимался долговременными наблюдениями за усиленными мостами на трассе Москва – Санкт-Петербург на обходе Великого Новгорода. Два раза в год проводил выезды на эти объекты. В один из таких выездов добрался до Санкт-Петербурга, где Г.З. Кастыря безвозмездно выделила различные материалы ЦМИД объемом на весь багажник автомобиля «Волга». Затем совместно с Дмитровским заводом МЖБК была выполнена комплексная работа по определению эффективности композиций ЦМИД в мостостроении [5]. Оценив эффективность этого материала, Е.А. Антропова обратилась ко мне с просьбой предоставить его для своей работы. В результате получилось сочетание стальной фибры и ЦМИД-4. Если последний существенно повышал прочность бетона на сжатие и его морозостойкость, то фибра увеличивала прочность на растяжение и таким образом существенно повышала трещиностойкость.
При этом необходимо отметить, что применение фибробетона по всей плите – «большая роскошь», так как основной задачей является обеспечить заделку в бетоне упоров, обеспечивающих совместную работу железобетонной плиты с металлической балкой. Поэтому более рационально ограничиться верхним слоем плиты с повышенной износоустойчивостью и отказаться от оклеечной гидроизоляции, защитного слоя бетона и асфальтобетона.
В начале второго десятилетия автор получил заказ на испытания серии изгибаемых образцов (в том числе один из фибробетона) на выносливость.
Образец с фиброй показал существенно более высокую трещиностойкость, но после появления трещин сразу наступило его хрупкое разрушение. В обычном железобетоне трещины развиваются медленно, и даже при значительном их раскрытии образец не теряет свою несущую способность.
Автор неоднократно использовал разрушенные статической нагрузкой образцы для дальнейших их испытаний на выносливость, так как несущая способность по прочности существенно выше выносливости.
Основными недостатком фибробетона является сложность равномерного распределения фибры в бетонном массиве, а сталефибробетона – его коррозионная стойкость.
Несомненное достижение – введение методов контроля расслаиваемости бетона и стальной фибры и равномерности распределения фибры в бетоне.
Для снижения зависимости от коррозии стали применять фибру из нержавеющей стали, что существенно увеличило ее стоимость. Следующим шагом стало использование фибры из композиционных материалов.
Особое место занимает стеклофибробетон – композиционный материал, состоящий из цементно-песочной матрицы, армированной отрезками (фибрами) щелочестойкого стекловолокна. Кроме стекловолокна, применялись и другие композитные материалы. Так, автор проводил экспериментальные работы с базальтом. На основе полученных результатов были подготовлены рекомендации по его применению для усиления железобетонных пролетных строений мостов, утвержденных Минтрансом РФ.
Эти материалы отличаются стойкостью к коррозии и долговечностью при высокой прочности в случае различных механических воздействий.
Особая роль в использовании фибробетона на стройках Москвы принадлежит В.Г. Кенигу, оказывавшему содействие в исследованиях и продвижении на рынке продукции ООО «Инжсервис-МТ». Данная компания – одна из лучших в России по производству изделий из стеклофибробетона. Она изготавливает тонкие пластины из стеклофибробетона, которые успешно применяются в качестве неизвлекаемой опалубки. Они выпускают специальные профили, в том числе корытообразные. Такое конструктивное решение существенно снижает трудоемкость работ и повышает трещиностойкость конструкции, не снижая ее надежность по сравнению с конструкцией, полностью армированной фиброй. Отличительной особенностью этих изделий является успешная проверка на требования по морозостойкости, хотя специальные добавки не применялись [3]. Эту особенность отметил В.Г. Кениг, что позволило использовать стеклофибробетон для водоотводных лотков на МКАД и в других сооружениях.
Повышения морозостойкости обычно добиваются закрытием проникновения воды в капилляры бетона воздухововлекающими и газообразующими добавками или микронаполнителями. Однако положительный результат можно получить и повышением сопротивления бетона растяжению, которое достигают различным армированием. В данном случае – фиброй.
Несмотря на довольно длительную историю развития фибробетона, до сих пор не определена область его рационального применения. Автор вспоминает мероприятие в институте «Гипротрансмост» в середине нулевых годов, где руководство «Мостоиндустрии» и исполнители исследований фибробетона из ЦНИИС буквально навязывали главным инженерам проектов продукцию Курганского завода, которая не имела спроса. Однако проектировщики, понимая все преимущества фибробетона, не могли найти необходимости в его применении. В настоящее время в некоторых проектах предусматриваются переходные полосы деформационных швов из фибробетона. Однако при незначительных объемах таких работ это решение становится обузой для строителей. Автор в 2015 году разрабатывал технологический регламент на производство таких работ на одном из объектов ЗАО «Строймостмонтаж». Сложность разработки заключалась в том, что, кроме упоминания «фибробетон», никакой информации не было.
В связи с широким распространением температурно-неразрезных конструкций мостов монолитные надопорные участки пришлось выполнять из фибробетона.
И все же самым эффективным решением остается не нашедшее в свое время предложение ЦНИИС о замене оклеечной гидроизоляции на покрытие из фибробетона [4]. Если выравнивающий слой выполнять из фибробетона, а это значительные объемы работ, то отпадет необходимость в гидроизоляции, в защитном слое бетона и в асфальтобетоне.
Библиографический список
1. Дворкин Л.И., Житовский В.В., Стесюк Ю.А. и др. Проектирование составов фибробетона с использованием экспериментально-статистических моделей. // Технологии бетонов, №11-12, 2016, с. 29-35.
2. Смагин С.А., Горяков А.Н. Повышение качественных показателей бетона за счет применения дисперсного армирования. 76-я Научно-методическая и научно-исследовательская конференция, секция ОНИЛ «Цемент», «Цементные бетоны», МАДИ, 2018.
3. Кениг В.Г., Савельев А.А. Пути повышения морозостойкости мостовых конструкций. 74-я Научно-методическая и научно-исследовательская конференция, секция ОНИЛ «Цемент», «Цементные бетоны», МАДИ, 2016.
4. Захаров Л.В., Колоколов Н.М., Цейтлин А.Л. Сборные неразрезные железобетонные пролетные строения мостов / Под редакцией Н.М. Колоколова. – М.: Транспорт.
5. Коротков Л.И., Зайцева С.В. Оценка эффективности применения композиций ЦМИД в мостостроении / Проблемы качества бетона и железобетона в транспортном строительстве. Труды ЦНИИС, вып. №209, – М. 2002.
Приводится доклад автора на 76-й Научно-методической и научно-исследовательской конференции, секция ОНИЛ «Цемент», «Цементные бетоны», МАДИ, 2018
Статья посвящена памяти В.Г. Кенига – спортсмена, единственного в любительском спорте заслуженного тренера РФ, писателя, опытного и уважаемого сотрудника мостовой инспекции, основателя и первого руководителя лаборатории по контролю качества мостовых конструкций, признанного специалиста по бетонам, почетного транспортного строителя и вообще прекрасного человека.
