1 стр. из 1

Последние события, а именно — авария на Саяно-Шушенской ГЭС, привлекли пристальное внимание руководителей нашего государства и рядовых граждан к объектам так называемой повышенной опасности. Среди них: атомные станции, плотины, тепловые станции и многие другие объекты энергетики и промышленности.

Именно в этих отраслях, по заявлению наших руководителей, ремонт и обслуживание осуществлялись по остаточному принципу. В связи с массовой приватизацией капиталовложения по ремонту и модернизации существующих производственных фондов, по мнению новых владельцев, не имели большого значения, что рано или поздно стало приводить к преждевременному выходу данных объектов из строя, а в более серьезных ситуациях и к человеческим жертвам.

В Советском Союзе гидротехническое строительство являлось одной из ведущих отраслей строительного комплекса. Именно развитие гидротехники позволило получать сравнительно дешевую электрическую энергию. В качестве примера можно привести Волховскую ГЭС. Она расположена в Ленинградской области на реке Волхов. Это первая гидроэлектростанция, построенная по проекту Г.О. Графтио в рамках Государственного плана электрификации России (ГОЭЛРО). 19 декабря 1926 г. при участии членов правительства состоялось торжественное открытие Волховской ГЭС, тогда были пущены три первых гидроагрегата шведского производства.

Сегодня, как и раньше, основным конструкционным строительным материалом при возведении гидроэлекторстанций, водоводов, дамб, мостов и тоннелей остается бетон. Даже появился такой термин, как гидротехнический бетон. Вследствие больших объемов, основным экономическим показателем гидротехнического строительства является его низкая стоимость, а главным — долговечность возводимых конструкций, их способность противостоять агрессивному воздействию как водной, так и морской среды. В местах воздействия водной среды наиболее часто используют более дорогой гидротехнический бетон. Он является разновидностью тяжелого бетона и характеризуется повышенной водостойкостью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, низким тепловыделением. Чаще его применяют в комбинации с традиционным бетоном — при строительстве наиболее ответственных сооружений или отдельных их частей, постоянно или периодически подверженных воздействию воды.

Современный бетон — один из самых сложных композиционных материалов, обладающих рядом уникальных свойств. Исследования в этой области привели к тому, что в последнее десятилетие прошлого века появился целый ряд высококачественных бетонов. Это стало возможным благодаря теоретическим исследованиям ведущих зарубежных и отечественных ученых и практической реализации этих исследований в области синтеза прочности и повышения долговечности строительных композитов на основе более полного использования энергии портландцемента, создания оптимальной микроструктуры цементного камня, упрочнения контактных зон цементного камня и заполнителя за счет направленного применения различного рода химических модификаторов и высокодисперсных силикатных материалов.

Одна из самых важных задач в области бетонных работ — обеспечение гарантированного качества бетона с однородными свойствами в любом сечении конструкции. Свойства бетона — это функция многих параметров, среди которых, в первую очередь, проектирование состава, параметры, связанные с твердением цемента и зависящие, в свою очередь, от качества технологического передела.

В таком направлении и надо рассматривать организацию каждого из них. Определение состава бетонной смеси, следовательно, и состава бетона связано не только с изготавливаемой конструкцией, но и с условиями производства работ. Для подбора состава бетона необходимы сведения не только о качестве материалов, но и о том, какие из них наилучшим образом будут соответствовать техническим требованиям, предъявляемым к материалам для заданной конструкции.

Гидротехнические бетоны, в отличие от бетонов промышленного и гражданского назначения, имеют ряд особенностей. Их применение обусловлено в зависимости от конструкции и размеров сооружений, расположения относительно уровней воды, массивности конструкций. Назначаются требования к гидротехническим бетонам по водостойкости, водонепроницаемости, морозоустойчивости, прочности, солестойкости, удобообрабатываемости и сниженному тепловыделению.

Как известно, в зависимости от вида вяжущего бетоны разделяют на цементные, известковые, гипсовые, бетоны на органических заполнителях.

Бетоны также делятся по типу заполнителей.

Особо тяжелые с плотностью больше 2 500 кг/куб. м. Для их изготовления применяют портландцемент, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент, гипсоглиноземистый расширяющийся цемент. В качестве заполнителей в особо тяжелых бетонах используют материалы с высокой плотностью: магнетит, гематит, барит, металлический скрап. В ряде случаев их изготавливают с применением металлической или пропиленовой фибры.

К заполнителям особо тяжелых бетонов предъявляют следующие дополнительные требования:
 минимальная прочность на сжатие чугунного скрапа — 200 МПа, магнетита — 200 МПа, лимонита или гематита —
35 МПа, барита — 40 МПа (испытания в цилиндрических образцах диаметром
50 мм, и высотой 50 мм);
 содержание полуторных окислов в барите — не более 1% массы заполнителей;
 водопоглощение (% по массе) магнетита и барита 1–2, лимонита и гематита 9–10.

Тяжелые бетоны с плотностью от 1 800 до 2 400 кг/куб. м. Изготавливаются, как правило, на гранитном заполнителе. Применяются для строительства гидротехнических сооружений.

Легкие бетоны с плотностью от 500 до 1 800 кг/куб. м. Применяются для изготовления стеновых панелей или как утеплительный материал.

Особенно легкие с плотностью 500 кг/куб. м (существует бетон с плотностью 10 кг/куб. м).
По месту использования и эксплуатации в гидротехнических сооружениях бетон разделяют на три вида.
Бетон подводный, который постоянно находится под водой. Как правило, этот бетон изготовливается на шлакопортландцементах, пуццолановых цементах, портландцементах. Также в него обязательно добавляют пластификаторы.

Бетон переменного уровня воды — это бетон, подвергаемый наибольшему циклическому воздействию приливов и отливов. Он в обязательном порядке должен удовлетворять требованиям по морозоустойчивости. Готовится на портландцементах и шлакопортландцементах с обязательным применением пластифицирующих добавок.

Бетон надводный — находится выше уровня воды. Изготовливается на всех видах цемента.
В зависимости от массивности конструкций бетоны разделяются на две группы.
Бетон внешней зоны. В зависимости от назначения конструкции и класса сооружений внешняя зона t = 1,5 — 3 м.
Бетон внутренней зоны. К нему предъявляются в основном требования по объемной массе. В особенно массивных конструкциях бетон внутренней зоны может быть заменен отсыпкой с уплотнением грунта или камня. В большинстве случаев бетоны внутренней зоны имеют марку ниже, чем бетон внешней зоны.

Гидротехнические бетоны должны обладать следующими свойствами.
1. Химическая стойкость. Бетоны должны противостоять химическим влияниям окружающей среды. С этой целью они изготавливаются на сульфатостойких цементах с применением соответствующих добавок.
2. Водонепроницаемость. Она характеризуется тем, что при наибольшем давлении воды на бетон не наблюдается ее просачивания через образцы соответствующей формы (d = h = 152 мм), выдержанных t = 180 сут.
По водонепроницаемости бетоны разделяются на 5 марок: W2, W4, W6, W8, W12.
3. Морозоустойчивость. Она характеризуется наибольшим числом циклов замораживания и оттаивания соответствующих образцов, выдержанных в нормальных условиях в течение 18 суток. При этом после испытаний потеря их прочности должна быть не более 15%. Замораживание должно проходить при –150 С и ниже на протяжении 4 часов, а оттаивание — при +5–200 С
на протяжении 4 часов.

По морозоустойчивости бетоны делят на 6 марок: F50, F100, F150, F200, F250, F300.

Фибробетон в гидротехнике

Материалом, способным существенно повысить эксплуатационные свойства конструкций гидротехнических сооружений, является фибробетон. Фибробетон — это бетон, армированный дисперсными волокнами (фибрами). Он является одной из разновидностей тяжелых бетонов. Как и традиционный бетон, он представляет собой смесь цемента, песка, крупного заполнителя (щебня) и воды, при этом арматура (фибра) вводится в тело бетон-матрицы сразу на заводе или на строительной площадке. В современные бетонные составы, а тем более в фибробетон, также добавляется пластифицирующая добавка с целью улучшить удобоукладываемость и обрабатываемость смеси. Дискретные волокна (фибры) производятся из различных материалов — от полипропилена до стали, в различных конфигурациях, длинах и поперечных сечениях (табл. 1).

Качество бетона, используемого на многих строительных площадках, приходится признать, часто не соответствует требуемым стандартам. В случае с фибробетоном, напротив — его наибольшая эффективность как композита достигается как раз при правильном подборе и сочетании компонентов, при этом качество самой бетон-матрицы должно быть безупречно.

Материалом, обладающим наибольшей эффективностью ввиду его относительной стоимости, является стальная арматура. Как известно, модуль упругости металла, из которого изготавливается арматура, в 56 раз больше аналогичного показателя бетона, однако при достаточной анкеровке в теле бетона полностью не используется главный показатель — прочность, поэтому и не получен наибольший вклад арматуры в работу самого материала как до, так и после образования трещин.

При использовании стальной фибры проблема с анкеровкой отсутствует как таковая, поскольку анкернение фибры достаточно высокое. В отличие от традиционных (плоскостных) методов армирования при помощи проволочной сетки или арматуры, при правильной интеграции стальная фибра одинаково распространяется по всей бетонной матрице (диспергирует). При этом стальная фибра выполняет множество функций в зависимости от пропорций, которые могут варьировать в пределах 15–120 кг/куб. м. Самая главная из них — уменьшение микро- и макротрещин. В связи с хаотичностью распределения фибра определяет трещины на начальной стадии их появления и в дальнейшем препятствует их распространению.

В случае традиционного стержневого пространственного армирования или с помощью проволочной сетки мы сможем предохранить бетон только от образования самых первых усадочных трещин, но не предотвратить их дальнейшее распространение.

В настоящее время на нашем рынке работает много производителей фибры, которые разработали и продают компьютерные программы, позволяющие пересчитывать и применять определенные пропорции фибры для замены арматуры или арматурной сетки (но все это сделано в основном для производства промышленных полов и покрытий).

В части использования фибры для строительства мостов и гидротехнических со-оружений большие наработки в нашей стране имеют производители из Кургана (ОАО «Курганстальмост»). Начиная производство фибры согласно статусу предприятия, они как раз и ориентировались на использование данной продукции в данной отрасли строительства.

Основным физико-техническим показателем фибры считается временное сопротивление разрыву или, как его еще называют, прочность на растяжение. Хотя, как показывает практика, при правильной дозировке и подборе состава смеси в случае использования разных фибр можно получить схожие прочностные результаты.

Основные свойства и показатели различных видов волокон, представленных на мировом рынке, приведены в табл. 1.
В зависимости от вида материала и способа изготовления мы имеем различные значения параметров и, как следствие, различные дозировки и способы применения.

Сегодня в строительстве наибольшее распространение получила стальная фибра. По внешнему виду она представляет собой отрезки стальных волокон специальной формы и длины, в определенных дозировках, добавляемых в бетонную матрицу для объемного армирования.
В результате фибрового армирования создается композитный материал — сталефибробетон, обладающий рядом преимуществ перед неармированным бетоном и бетоном с традиционными видами армирования. Повышаются следующие показатели:
 прочность на растяжение при изгибе — в 2–3 раза;
 прочность на сжатие — до 10–50%;
 прочность на осевое растяжение — до 10–40%;
 ударная прочность — в 8–12 раз;
 сопротивление истираемости — до 2-х раз;
 трещиностойкость — в 2–3 раза;
 морозостойкость и водонепроницаемость — не менее чем на класс (что особенно актуально в гидротехнике.)

Благодаря использованию технологии фибрового армирования можно существенно снизить время выполнения и трудоемкость работ. Это происходит за счет отказа от вязки арматуры и укладки сеток. В ряде случаев можно также сэкономить строительные материалы, что достигается за счет улучшения проектных характеристик: уменьшается толщина и металлоемкость конструкций.

В гидротехническом строительстве фибровое волокно может применяться при возведении мостов (как покрытий, так и при бетонировании устоев), волноломов и ледоломов. Использование фибры повышает эксплуатационную надежность, снижает трудоемкость за счет частичного или полного отказа от традиционного армирования, улучшает гидроизоляционные свойства, позволяет армировать труднодоступные участки. Благодаря фибре существенно повышается долговечность и увеличиваются межремонтные интервалы. При литье больших бетонных массивов (таких, как причальные стены) за счет применения фибры резко повышается устойчивость к трещинообразованию, образованию сколов и рытвин; удается получить более ровную поверхность, уменьшить количество швов и стыков, а за счет этого существенно сэкономить на ремонте. Первые положительные результаты применения дисперсного армирования уже получены: в Приморске была изготовлена контейнерная площадка — заметно сократились сроки работ и улучшилось качество бетонной поверхности. При армировании фиброй растет устойчивость к воздействиям внешней среды и сложным условиям эксплуатации, что особенно актуально при бетонировании зон переменного уровня воды.

Понятно, что при определенных условиях изготовление стен не требует тотального армирования с помощью фибры, так как это было бы экономически не выгодно. Поэтому в качестве альтернативы можно рассматривать замену металлического шпунта на фибробетон. Это касается тех элементов гидротехнических сооружений, которые наиболее подвержены серьезным механическим нагрузкам. Здесь ранее перечисленные сооружения, а также воронки гидроэлектростанций, сваи и шпунты, трубы водоводов.

Опыт развитых стран, таких, как США, Великобритания, Германия, Франция и Австралия, убедительно показал технико-экономическую эффективность применения сталефибробетона в различного рода строительных конструкциях. В Северной Америке сталефибробетон широко применяют в дорожном и тоннельном строительстве, при строительстве морских нефтедобывающих платформ и плотин, а также в устройстве полов промышленных зданий, терминалов и т. п. Считается целесообразным применение сталефибробетона в каркасных конструкциях зданий, особенно — при возможных сейсмических воздействиях.

Ни для кого не секрет, что работы по внедрению дисперсного армирования в нашей стране велись постоянно. Все возможности дисперсной арматуры подробно изложены, также защищено много работ и диссертаций. Но, увы, широкого внедрения в строительном комплексе фибрового армирования мы так до сих пор и не получили.

Свидетельства широкого применения

Проводя анализ литературных данных (как западных, так и наших), можно получить много свидетельств широкого применения монолитного сталефибробетона для временных крепей и сталефиброторкретбетона для обустройства тоннелей и других подземных сооружений, а также для ремонтных работ.

Из осуществленных проектов наиболее интересными примерами применения сталефибробетона в этой области являются такие, как: конструкции перегонных тоннелей метрополитена в Осло (Норвегия), крепь гидротехнического тоннеля диаметром 2,34 м в Карсигтоне (Великобритания), тоннель Хеггура и газопроводные тоннели под дном Северного моря (Норвегия), железнодорожные тоннели в Канаде, коллекторные тоннели метрополитена в Гамбурге (ФРГ) и Лионе (Франция), автодорожный тоннель протяженностью 6,63 км на глубине до 1 км Энасан-2 (Япония). В Австралии одной из основных областей применения сталефибробетона стало устройство покрытий с интенсивным движением людей и транспорта (полы цехов заводов и фабрик, прачечных, дорожные покрытия).

При устройстве сталефибробетонных дорожных покрытий с интенсивным движением транспорта не требуется специальных дополнительных покрытий.

Сталефибробетон эффективен при устройстве набрызгбетонной и монолитной обделки тоннелей, берегозащитных и причальных сооружений. Достаточно широко сталефибробетон применяется для выполнения ремонта обделки тоннелей, мостов, плотин, тонкостенных несущих конструкций.

Применение сталефибробетонных лотков для водоснабжения и водоотведения взамен типовых железобетонных позволяет полностью отказаться от использования арматуры, что дает экономию приведенных затрат до 50%, трудоемкости изготовления — в 2 раза, бетона — в 2 раза, стали — до 15%. Применение сталефибробетона в изделиях круглых колодцев (кольцах, плитах покрытий) позволяет снизить расход бетона по сравнению с аналогичными железобетонными конструкциями на 25–30% при примерно равном расходе стали. Стоимость сталефибробетонных конструкций снижается от 11 до 27%, а затраты труда — в среднем на 20%.

По данным НИИЖБ, применение сталефибробетона в безнапорных трубах диаметром 1 000 и 1 200 мм взамен типовых может дать экономию стали до 50%, бетона — до 15%, трудоемкости — до 3 чел/час/м3. Как показали испытания, несущая способность сталефибробетонных труб выше несущей способности типовых железобетонных труб 1,5–2 раза.

Установлено, что использование фибрового армирования в стыковом соединении монолитного железобетонного перекрытия с колонной уменьшает интенсивность образования наклонных трещин и отдаляет появление косых трещин, возникающих от действия перерезывающих сил, при этом достигается и уменьшение трудозатрат арматурных работ.

Установлена эффективность применения сталефибробетона для ремонта поверхности водосливов плотин и напорных тоннелей, индустриальных полов, наружных стен причалов.

Сталебетон в мировой практике занимает значительную долю в общем объеме используемого бетона, для чего налажено серийное производство стальных фибр порядка 350–400 тыс. тонн в год. При этом сталефибробетон не следует считать модификацией обычного бетона, так как это новый материал, обладающий соответствующими качественными и количественными свойствами.

Как показала практика, создание комплексных мер безопасности, в том числе с применением стальной фибры, заметно повышает ударо- и взрывостойкость бетонных конструкций. Это с успехом доказано практикой строительства сейфовых хранилищ банков. В качества регламентирующего документа также был выпущен нормативный документ.

Что как ни применение фибры сможет предотвратить возможные разрушения, в том числе при взрывах техногенного или террористического характера? В качестве пилотного проекта можно рассмотреть изготовление перекрытий и стен, наиболее важных с точки зрения обеспечения безопасности работающих на предприятии.

Американские специалисты, анализирующие причины обрушения башен WTC (Нью-Йорк) 11 сентября 2001 г., признают, что если бы в конструкциях была применена фибра, то времени для эвакуации с верхних этажей здания было бы значительно больше. Данный тезис с успехом был подтвержден и на недавней второй межрегиональной научно-практической конференции «Развитие монолитного домостроения в жилищно-гражданском строительстве», организованной ЛенНИИпроектом и прошедшей в Санкт-Петербурге 24–27 марта 2009 г.

За последние годы сталефибробетон получает все более широкое распространение в нашей стране. Несомненно, следующим этапом его развития должно стать его широкое применение именно в гидротехническом строительстве. Именно за счет данного композита мы сможем повысить долговечность и безопасность сооружений и улучшить их эксплуатационные характеристики.

Литература
1. Ф. Н. Рабинович «Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технологии, конструкции». Москва, АСВ, 2004 г.
2. Р.  З. Рахимов «Фибробетон — строительный материал XXI-го века». / «Экспозиция» 2 б (54), февраль 2008 г. «Бетон и сухие смеси».
3. И. А. Войлоков «Дисперсное армирование бетонов». // «Популярное бетоноведение», 2007 г.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!