Производство стальной (металлической) фибры

Введение

Стальная фибра – это реальная альтернатива традиционному армированию бетонных конструкций. Использование стальной фибры значительно повышает прочность бетонов на растяжение и изгиб, придавая строительным конструкциям качественно новые характеристики.

Что же такое стальная фибра? Это волокна высокой прочности, которые добавляются в бетон при замешивании. В результате возрастает ударная прочность бетонов, устойчивость к растрескиванию, несущая способность конструкций. Стальная фибра вполне успешно заменяет традиционные сетки и каркасы из арматурного прута, обеспечивая бетону лучшие характеристики. Стальная фибра равномерно распределяется по всему объёму бетона, образуя прочный каркас с очень мелким по сравнению с арматурой шагом, но и существенно укрепляет бетон: благодаря уникальной форме боковой поверхности фибры, в разрезе напоминающей зигзагообразную кривую, сцепление с бетоном значительно более прочным, нежели то, которое может обеспечить арматура.

Специалисты признают, что одним из самых сложных видов работ при традиционном бетонировании является именно создание арматурной сетки или каркаса. Этот процесс требует значительных затрат времени и сил. Столь же сложной становится работа по закреплению армированного каркаса в полном соответствии с проектом. Сократить затраты времени и труда на изготовление армированных бетонных элементов поможет фибра стальная.

Использование стальной фибры позволяет отказаться от использования больших объемов арматуры и снизить трудозатраты на бетонирование. В отдельных случаях стальная фибра предоставляет уникальную возможность – полностью отказаться от использования арматурного каркаса.

Применение стальной фибры в сочетании с арматурным каркасом позволяет без ущерба для эксплуатационных характеристик снижать расход бетона и стали, уменьшая толщину бетонирования. Сокращение времени бетонирования происходит за счёт внесения фибра в состав бетона на этапе приготовления смеси. В результате трудоемкость возведения конструкций из армобетона снижается почти на четверть, а экономия средств может достигать 15 %. Помимо этого, сталефибробетон демонстрирует более продолжительный срок службы и повышенную механическую прочность по сравнению с обычным армированным бетоном.

Лабораторные исследования и богатый практический опыт использования стальной фибры при возведении монолитных конструкций показали, что стальная фибра полностью пригодна к использованию даже после длительного хранения, быстро и легко «распушается», равномерно распределяется при перемешивании бетонной смеси в бетоносмесителях и миксерах всех распространённых типов. Эти качества стальной фибры обеспечивают легкое введение в бетонную смесь как на этапе замешивания, так и непосредственно перед заливкой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Производство стальной (металлической) фибры

 

Фибра стальная (сталефибробетон) производится из стальной низкоуглеродистой проволоки ГОСТ 3282, из холоднокатаного стального листа ГОСТ 19904 и из стальных слябов ОСТ 14-17-17-90.

Сталефибробетон — строительный композиционный материал, представляющий собой бетон, армированный стальной фиброй. Металлическая фибра бывает разных видов – волновая, анкерная, и в виде прямых отрезков. Анкерная фибра – это отрезки металлической проволоки диаметром 0,3мм - 1,2мм, и длиной 10 – 54мм, с загнутыми или приплюснутыми концами. Если анкерная фибра изготавливается из стального листа, то её поперечное сечение имеет прямоугольную форму. Волновая фибра – отрезки металлической низкоуглеродистой или высокоуглеродистой проволоки, имеет волнообразную форму.

 

Анкерная фибра  Диаметр: 0,40-1,30 мм  Длина: 30-50 мм	Волновая фибра  Диаметр: 0,40-1,30 мм  Длина: 20-60 мм

 

 

 

Материал для её изготовления может быть разной прочности, форма регулируется по необходимости, может наноситься защитное покрытие (при желании). К слову, в этом одно из главных преимуществ стальной фибры: нетрудно запрограммировать её изготовление в нужном виде. Добавляя в бетонный раствор фибру (обычно 5-15% от общей массы бетона, до, во время или после замешивания), можно не беспокоиться о её чистоте – никакой смазки или масел на ней нет, как и ржавчины. А специальная форма при перемешивании позволяет фибре равномерно распределяться.

А = 1,00 мм  
B = 50,00 мм  
C = 2,00 мм  
D = 0,50 мм

2. Свойства

 

Нормативное сопротивление растяжению металлической фибры примерно равно 2200 мПа. Расчётное сопротивление растяжению для предельных состояний первой группы примерно1835.

Модуль упругости Е = 200000 мПа.

Длина l=20,0 (+/- 2,0) – 50,0 (+/- 5,0) мм.

Диаметр d= 0,2 – 1,2 мм.

Отношение l/d =  50 – 100.

Длина гофры 8,0 (+/- 1,0) мм.

Высота гофры 2,0 ( +1,0/-0,5) мм.

 

Металлическая фибра имеет ряд существенных недостатков: высокий вес изделия, низкая коррозионная стойкость, низкое сцепление с бетонной матрицей, стальная фибра имеет свойства выходить на поверхность бетона в результате эрозии, что может угрожать безопасности конструкции и элементам, взаимодействующим с поверхностью. Чтобы избежать коррозии металлической фибры её могут обрабатывать специальными составами, оцинковывать, или изготавливать из легированной стали, что неминуемо ведет к удорожанию материала. Для обеспечения надёжной анкеровки в теле бетона фибры выполнены гофрированными.

Преимущества стальной фибры:

• Частично или полностью исключить работы по стержневому армированию;

• Снизить толщину бетонирования на 30% и массу в 5-7 раз без потери несущей способности;

• В 10-12 раз повысить ударопрочность конструкций;

• Повысить устойчивость к динамическим нагрузкам;

• В 3-5 раз повысить устойчивость плоскостей к образованию трещин;

• В 1,5-3 раза увеличить срок службы монолитных и сборных конструкций;

• Снизить расходы на монтаж конструкций;

• Повысить термическую устойчивость;

• Повысить гидроизоляционные характеристики сооружений;

• Снизить уровень деформаций при охлаждении и нагреве;

• Сократить сроки возведения сооружений на 30-40 %.

   Технические данные

 

Материал	Высококачественная стальная проволока
Марка стали	1-2 КП
Диаметр	1,0 мм
Длина	50 мм
Прочность на растяжение	1100 Н/мм²
Число перегибов	Не менее 4-х
Хим.анализ,%	С - 0,1%, Mn - 0,3%, Si - 0,04%, S - 0,03%, P - 0,02%

 

 

Качественные характеристки сталефибробетона

 

ПРОЧНОСТЬ - максимальный уровень напряжений, который может выдержать материал:

~ увеличение предела  прочности на растяжение при  изгибе- 50-200%;

~ увеличение предела  выносливости - 25-30%;

~ увеличение предела  прочности по сжатию - 50-150%.

 

ДЕФОРМАТИВНОСТЬ – деформативные свойства сталефибробетона при прочих равных условиях изменяются прямо пропорционально степени объёмного насыщения и обратно пропорционально приведённому диаметру фибр;

~ повышение значения  начального модуля упругости - 10-30%;

~ повышение начального  коэффициента поперечной деформации - 10-20%.

 

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ – способность материала препятствовать возникновению и распространению трещин:

~ повышение предела  трещиностойкости – 30-80%.

 

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ – морозостойкость сталефибробетона повышается за счёт образования мелкопористой структуры матрицы с большим содержанием замкнутых пор и находится в зависимости от параметров фибровой арматуры и структуры бетонной матрицы:

~ повышение морозостойкости  сталефибробетона по сравнению с обычным бетоном достигает 800%.

 

КОРРОЗИЙНАЯ СТОЙКОСТЬ  – введение в бетон фибровой арматуры значительно улучшает его структуру и обеспечивает высокую коррозийную стойкость волокон.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Применение

 

Фибра может быть применена в следующих основных областях:

• Монолитные конструкции: промышленные полы, монолитные обделки метро и тоннелей, взлётно-посадочные полосы аэродромов, стоянки автомобилей и автомобильные дороги, мосты, резервуары и бассейны, портовые сооружения, банковские и сейфовые хранилища, взрывозащитные фортификационные объекты и пр.

• Сборные конструкции: Элементы стеновых панелей, плиты перекрытия, дорожные плиты, железнодорожные шпалы, тюбинги метро, кольца, трубы, объёмные конструкции, малые архитектурные формы и пр.

• Торкретсталефибробетон: ремонт и усиление железобетонных и каменных конструкций, тонкостенные конструкции, укрепление горных склонов, откосов  и пр.

 

Стальную фибру активно используют при изготовлении плит для полов на производстве, строительстве подвальных конструкций и жилых домов, дорожных перекрытий и тоннелей. Особенно ценится бетон, армированный стальной фиброй, в сложных условиях (механические воздействия, ненормальная влажность, перепады температур). В частности, сталефибробетон используют при строительстве банковских хранилищ, оборонных и взрывозащитных сооружений, бассейнов, паркингов, изготовлении стеновых панелей, плит перекрытий и малых архитектурных форм.

Фибру вводят в бетон на стадии замешивания – можно это делать прямо на стройплощадке. Стальная фибра отличается великолепной сцепляемостью и не сбивается в комки. Отлично укрепляет углы и кромки бетонных конструкций. Что немаловажно, использовать стальную фибру легко, да и времени это отнимает немного (всего-то 5-15 минут на перемешивание). При этом армирование стальной фиброй даёт возможность отказаться от куда более сложного стержневого армирования, уменьшив при этом толщину бетонного покрытия. Это особенно важно для промышленных полов, ведь прочность стяжки сохраняется, а толщина покрытия сильно снижается.

Добавляют металлическую фибру в автобетоносмеситель с бетоном на заводе, чтоб за время доставки смеси на строительную площадку она тщательно перемешалась. Если такой возможности нет то на строительной площадке, высыпают фибру в миксер и  перемешивают минут 15-20.

Металлическая фибра образует с бетоном однородную массу и если сравнить с металлическим каркасом, то шаг ячеек его был бы очень маленький. Из-за зигзагообразной формы фибра, образует очень прочное сцепление с бетоном по сравнению с обычной арматурой.

Какими свойствами обладает бетон с фиброй это: высокая сопротивляемость  статическим и динамическим нагрузкам, трещиностойкость, долговечность (износоустойчивость), прочность, увеличение вибрационной стойкости бетона.

Насчет трещиностойкости можно поспорить, заливали бетонные полы на основание, который заказчик плохо подготовил (не уплотнил) и через неделю может не много больше из-за просадки основания бетон потрескался и поломался.

Какие преимущества в применение фибры в сравнение с вязкой арматурного каркаса? Первое это уменьшение времени на подготовку, связать двойную арматурную сетку на бетонные полы площадью 250 квадратных метров на эту работу будет потрачено приблизительно неделя. Снижаются трудозатраты на арматурные работы. Второе экономия денег  на арматуре и ее транспортировку. В третьих работы по  армированию конструкций здания постоянно остаются отходы в виде обрезков арматуры, если используют фибру, то отходов нет.

По статистике экономия средств достигает 15%, а трудоемкость возведения конструкций снижается на четверть.

В рабочей практике металлическую фибру применяли в бетонных полах, на некоторых сайтах производителей фибры пишут, что ею можно заменять арматурный каркас монолитных сооружений туннелей, метро, взлетные полосы на аэродромах, сейфохранилища, взрывоопасные объекты.

Из фибробетона изготавливают отдельные конструкции элементы стеновых панелей, плиты перекрытия, дорожные плиты, железнодорожные шпалы, тюбинги метро, кольца, трубы, и пр.

 

Приготовление смеси

 

Приготовление сталефибробетонной смеси необходимо осуществлять в соответствии с ГОСТ 7473-94 и СНиП 3.09.01-85. 
Для приготовления смеси рекомендуется использовать бетоносмесители принудительного действия или специальные, например, струйные, турбулентные и др. 
Применение гравитационных смесителей допустимо для фибр малой относительной длины или при их сравнительно небольшом содержании. 
В целях обеспечения более равномерного распределения фибр в объёме замеса, рекомендуется проведение следующих мероприятий:

• увеличение подвижности смеси путём введения пластифицирующих добавок.

• снижение в допустимых пределах отношения l/d.

• равномерная подача фибры в смеситель с помощью специальных устройств.

• сокращение продолжительности приготовления смеси.

Загрузка фибры в один приём на полный замес не допускается. Введение в смесь рекомендуется осуществлять равномерным непрерывным потоком. Постепенное введение может осуществляться полумеханизированным способом с использованием вращающихся грохотов, вибросит и т.п. Допускается ручное введение фибры с использованием сетчатых корзин, со строгим соблюдением техники безопасности. 
Во избежание перегрузки принудительного смесителя объём замеса бетона с фибрами рекомендуется снижать на 25-50 % по сравнению с паспортными данными для обычного бетона. 

 
Возможно два основных способа приготовления сталефибробетонной смеси:

 

1. приготовление смеси (матрицы) по традиционной технологии; равномерное введение фибры в работающий смеситель; перемешивание и выгрузка.

2. приготовление сухой смеси (заполнители, вяжущее, фибра); подача воды и добавок в работающий смеситель; смешивание и выгрузка.

 

Во втором случае порядок введения: крупный заполнитель, мелкий заполнитель, фибра, вяжущее. Оба способа могут применяться как в сборном, так и в монолитном строительстве. В последнем случае в качестве смесителя используется автобетоносмеситель. Приготовление смеси производят не ранее чем за 5 минут до её выгрузки. Необходимо установить максимальное время перемешивания бетонной смеси с фиброй, т.к. увеличение продолжительности перемешивания может приводит к образованию комков и ежей.  
При введении фибры в условиях стройплощадки в готовую бетонную смесь, доставленную автобетоносмесителем, общее время введения и последующего перемешивания не должно превышать 6-10 минут во избежание расслоения смеси.

 
В связи со снижением подвижности бетонной смеси при введении в неё фибры возможны два варианта:

 

1. назначать большую исходную подвижность смеси.

2. восстанавливать подвижность смеси после добавления фибры путём введения в миксер пластифицирующей добавки.

 

При использовании метода торкретирования бункер торкретмашины заполняют сухой смесью песка, цемента и фибр. Сухая смесь подаётся сжатым воздухом по шлангам к соплу аппарата, вода поступает на выходе смеси из сопла.

Транспортирование смеси

 

В условиях производства сборного железобетона транспортирование сталефибробетонной смеси к посту формования изделий следует производить при помощи средств обеспечивающих сохранение в заданных пределах технологических характеристик смеси. Доставка может осуществляться ленточными конвейерами, самоходными бункерами, бадьями, самоходными бетоноукладчиками.

Не рекомендуется осуществлять перегрузку смеси из одного транспортного средства в другое во избежание расслоения. 
В целях получения монолитного сталефибробетона однородного состава в условиях стройплощадки рекомендуется транспортировать смесь в сухом виде затаренной в мешки, ящики с последующим приготовлением на объекте.  Возможно также транспортирование сухой сталефибробетонной смеси в автобетоносмесителях с последующим затворением водой, введением добавок и перемешиванием на площадке. Для транспортирования смеси к месту укладки на площадке следует пользоваться открытыми ёмкостями, разгружаемыми путём их переворачивания или бункерами с уклоном стенок не менее 85 градусов, оборудованными устройствами для вибропобуждения смеси.

Выгрузку из автобетоносмесителя осуществляют равномерной передвижкой лотка небольшими порциями по всей бетонируемой поверхности. 
Высота открытого сброса смеси не должна превышать 0,5 м.  
При укладке сталефибробетона методом торкретирования длина фибр не должна превышать половины диаметра подающего шланга, количество фибр должно отвечать условию u (l/d) < = 1,5.

 

Укладка и уплотнение

 

Способы формования и соответствующую им удобоукладываемость бетонных смесей следует принимать в зависимости от вида конструкций, степени их армирования и применяемой технологии изготовления, характеристик и конструктивно-технологических особенностей формовочного оборудования согласно положениям «Пособия по технологии формования железобетонных изделий» к СНиП 3.09.01-85, М.: Стройиздат, 1987.  Укладка литых смесей должна производиться согласно «Рекомендациям по применению литьевой технологии формования» Минск, БелНИИС, 1997. При изготовлении горизонтальных конструкций (полы и т.п.) из смесей подвижностью П2 и выше уплотнение следует выполнять виброрейкой. Применение глубинных вибраторов не допустимо.   Сталефибробетонные смеси подвижностью П1 с осадкой конуса 1-4 см и сталефибробетонные смеси марки Ж1 жёсткостью 5-10с., в том числе с различными пластификаторами, применяются с использованием обычного уплотняющего оборудования: поверхностных вибраторов, виброплощадок, вибронасадок, виброформ, виброштампов и т.п. при обычных режимах вибрации и её продолжительности. Рекомендуется применение пригрузов с давлением 1-2 кПа.

Сталефибробетонные смеси марки Ж2 жёсткостью 11-20.с уплотняют на виброплощадках с пригрузом 2-4 кПа. или виброштампами. 
Сталефибробетонные смеси марки Ж3 жёсткостью 21-30с. уплотняют и формуют вибрационными воздействиями со значительным пригрузом 8-10 кПа., вибропрессованием с пригрузом 20-40 кПа. Возможны прокат, прессование, вакуум-прессование, вибротрамбование, виброудар, центрифугирование и т.п. Режимы определяются в опытном порядке.   Сталефибробетонные смеси марки Ж4 жёсткостью более 30с. уплотняют и формуют безвибрационными интенсивными воздействиями прессованием, трамбованием, прокатом, виброударным способом и т.п. Вибрационные воздействия могут применяться только в подготовительный период или в сочетании с силовыми нагрузками. Режимы определяются в опытном порядке.   
При изготовлении конструкций с высотой сечения более 30 см. укладку и уплотнение смеси необходимо выполнять послойно без перерывов.

Содержание фибр в сталефибробетоне определяется требованиями к его физико-механическим свойствам, назначаемым из условий применения и проектных нагрузок.

Ориентировочно содержание фибры в смеси может быть принято в зависимости от конструкции следующим:

• для промышленных полов - 20-40 кг/куб.м.

• для конструкций жилых домов - 25-50 кг/куб.м.

• для конструкций эксплуатирующихся в условиях воздействия окружающей среды - 40-120 кг/куб.м.

• для конструкций тоннелей, дорог и т.п. - 50-100 кг/куб.м.

• для защитных морских сооружений, банковских хранилищ и т.п. - 100-120 кг/куб.м.

 

 

 

 

 

 

4.  Виды металлической фибры

 

Металлическая фибра бывает разных видов – волновая, анкерная, и прямая фибра. 

 

Фибра анкерная является, по сути, просто проволокой, которую нарезали кусками нужных размеров, придав краям отрезков нужный изгиб (анкерные отгибы).

Благодаря таким изгибам проволоки, происходит равномерное распределение фибры растворе бетона, обеспечивая качественное микроармирование и значительно укрепляя готовый продукт. Анкерная фибра не содержит следов смазки и не ржавеет.

Сфера применения стальной анкерной фибры

 

Из анкерной фибры производят фибробетон для наливных полов (промышленных или бытовых), площадок, паркингов и зданий. Часто используется при возведении мостов. Фибра даёт отличные результаты при укреплении фундаментов, панелей/плит перекрытий, укрепляет сооружения и элементы гидротехнического и сельскохозяйственного назначения, сваи, опоры и даже шпалы.

 

 

Фибра волновая изготавливается путём нарезки стального листа на множество тонких металлических волокон.

Подмешивая их в бетон, обеспечивается образование в его толще трёхмерной силовой структуры, которая гарантирует качественное повышение прочности как готовых изделий, так и их составных конструкций/узлов.

Сфера применения стальной фибры

 

Резаной фиброй оптимально армировать промышленные или бытовые наливные полы, всевозможные площадки, паркинги,... На больших стройках ей обязательно найдётся место, будь то возведение моста, нового дома или дороги. В укреплении стальной фиброй нуждаются фундаменты для ударного или динамического оборудования, любые конструкции из бетона (панели стен, сваи, опоры, шпалы, плиты перекрытий,...), сельскохозяйственные и гидротехнические сооружения (кольца для колодцев, лотки и дамбы).

 

 

Прямая фибра – изготавливается из высокоуглеродистой проволоки, имеющее латунное покрытие, минимальный предел прочности на разрыв такой проволоки составляет 2200 H/мм2. В основном применяется для производства сверхпрочных растворов и бетонов

 

5.  Заключение

 

Мировой опыт показывает, что технология сталефибробетона уже давно не является технической новинкой. В России активное применение стальной фибры началось во второй половине 90-х годов. Преимущества сталефибробетона, становятся все более очевидны.

Сегодня невозможно представить строительную отрасль без применения бетона. В связи с тем, что постоянно возрастают и темпы, и объемы строительства, помимо огромных объемов производства бетона, возрастают так же и требования, предъявляемые к изделиям из него. Современный бетон должен не только обладать необходимой химической стойкостью, выдерживать высокие механические нагрузки, но и противостоять трещинообразованию, усадке, а также иметь устойчивость к температурным перепадам и атмосферному влиянию.

Технология армирования волокнами (т.е. введение в бетон волокон из различных материалов) позволяет качественно изменить свойства бетона (разумеется, в лучшую сторону).

А именно:

· Трещиностойкость увеличивается до 6 раз;

· Ударная прочность повышается в 10 раз;

· Предел прочности на растяжение увеличивается в 2,5 раза;

· На изгиб в 3,5 раза;

· На сжатие в 1,5 раза;

· Сопротивление истираемости возрастает в 2 раза.

Вместе с этим значительно возрастает стойкость к деформации, коррозии, водопроницаемости и т.д. применение фибры позволяет снизить массу бетонных конструкций до 40%.

Одна из наиважнейших характеристик сталефибробетона – прочность на сжатие – отражает не только его прямые свойства, но и долговечность, и сопротивление другим нагрузкам. Не менее важная характеристика бетона, армированного фиброй – ударная прочность – которая превышает ударную прочность обычного бетона в 3-5 раз. Основные категории фибр, используемых в настоящее время, это стальная фрезерованная фибра, стальная анкерная фибра и полипропиленовая фибра.

В заключении скажем, что только в Европе, применяется в год более 3 000 000 м³ сталефибробетона, а это более 150 000 т. стальной фибры. Что, несомненно, является убедительным подтверждением эффективности сталефибробетона в строительстве.