Бетоны в простейшем виде - это затвердевшие рационально составленные смеси из цемента, песка, щебня и воды. Железобетон - это бетон, армированный стальными прутьями. Сложился и целый мир химических добавок в бетонные смеси, изменяющих свойства последних.

По мере возрастания объемов использования бетона один за другим вскрылись его недостатки. Один из первых заключался в том, что для приготовления подвижной, удобной в применении бетонной смеси воды надо добавлять значительно больше, чем необходимо для гидратации цемента, то есть химического взаимодействия с ним. Не связавшаяся с цементом вода испаряется из бетона, оставляя поры, из-за чего бетон становится не монолитным, а капиллярно-пористым телом, менее прочным, чем он мог бы быть. Другой недостаток бетонов заключается в том, что цементные смеси для них нельзя приготавливать и использовать при отрицательных температурах, потому что замерзает вода.

Были обнаружены у бетона и другие недостатки, но почти каждый из них удавалось устранять добавлением к цементной смеси какого-либо химического вещества. Так сложился мир химических добавок в цементные смеси, насчитывающий сегодня в нашей стране не менее 50 представителей, а за рубежом - и того более.

Самые интересные из добавок, которые можно считать инновационными, - различные волокна: в настоящее время их начали вводить в цементные смеси ради армирования образующихся из них бетонных изделий.

Зачем бетону волокна?

Зачем понадобились эти волокна в бетонных изделиях?

Всем известно, что бетоны на основе портландцемента, армированные прутковой стальной арматурой, превращаются в железобетон. Но прутковая арматура, повышая прочность железобетонных изделий на растяжение, мало влияет на сопротивление изгибу и трещиностойкость.

Наряду с этим введение арматуры в цементные смеси - так называемые арматурные работы, то есть изготовление из прутков сеток, каркасов, установка их в проектное положение, закрепление, - требует значительных трудовых затрат.

Для устранения этих изъянов традиционного армирования прутковой арматурой еще в 1909 г. российским ученым В.П. Некрасовым было предложено армировать бетон стальными волокнами (второе их название - фибра) и даже был получен первый в мире патент. Фибра равномерно распределяется по всему объему бетонной смеси, что обеспечивает равную прочность всех элементов бетонного изделия. Следствием этого является повышение и прочности на изгиб, и трещиностойкости.

Однако данный патент, как и многие другие российские изобретения, не был замечен, и долгое время армирование стальной фиброй не использовалось.

Лишь через 50 лет, в начале 60-х гг. прошлого века, в Японии независимо от российского патента появилась идея армировать бетон стальной фиброй и было придумано название материала - фибробетон.

Почувствовав колоссальные преимущества такого бетона перед обычным железобетоном, японцы в 1960 г. в рамках Японской ассоциации по цементу учредили Комитет по изучению фибробетона, задачами которого являлись исследование его свойств, подготовка руководящих материалов по его изготовлению и применению.

Такое внимание к этому материалу в Японии было проявлено потому, что уже первые исследования показали: здания, каркас которых возведен из фибробетона, более устойчивы к сейсмическим воздействиям, чем аналогичные здания, построенные из традиционного железобетона. Дополнительно были установлены повышение сопротивления прогибу, снижение водопроницаемости.

А с 1973 г. в Японии началось промышленное производство стальных волокон и, можно сказать, массовое строительство с их использованием не только сейсмостойких зданий, но и других сооружений.

Так, в 1980 г. Японская ассоциация по тоннелестроению опубликовала "Руководство по проектированию и изготовлению сталефибробетона, предназначаемого для отделки тоннелей, для конструкций дорожной одежды и плотин".

Японское общество инженеров гражданского строительства издало "Руководство по подбору состава и приготовлению сталефибробетона".

Все это привело к тому, что в настоящее время в Японии в строительстве используется преимущественно сталефибробетон, а не обычный железобетон.

В больших объемах сталефибробетон стал использоваться в Австралии, Великобритании, Германии, США, Франции. Опыт этих стран также убедительно доказал технико-экономические преимущества применения сталефибробетона в строительстве дорог, тоннелей, морских нефтедобывающих платформ, плотин, устройстве промышленных полов.

Для обеспечения потребностей в сталефибробетоне за рубежом производится около 400 тыс. т строительной фибры.

Приключения фибробетона на родине

Какова ситуация со сталефибробетоном в нашей стране?

Как известно, пророков в своем отечестве, особенно в России, не бывает. Даже специалисты по железобетону, если что-то и слышали о патенте В.П. Некрасова, о массовом применении сталефибробетона за рубежом, тем не менее никаких усилий по его внедрению в отечестве не предпринимали.

Инициативу проявило руководство ЗАО "Курганстальмост" - предприятие, производившее стальные конструкции для мостов. Побывав в Германии, оно узнало о сталефибробетоне и решило наладить производство фибры для экспорта в эту страну, где спрос на нее был очень высок.

И лишь через некоторое время фибру начали приобретать и российские строители. Чтобы поспособствовать этому, на заводе проводилась исследовательская работа по влиянию фибры на бетон, разрабатывались необходимые для ее использования документы. Так, совместно с Научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом бетона и железобетона (НИИЖБ) (г. Москва) были разработаны "Руководящие технические материалы (РТМ 17-01)", содержащие рекомендации по проектированию, изготовлению и применению конструкций из сталефибробетона на основе фрезерованной фибры.

НИИЖБ разработан также Свод правил по проектированию сталефибробетонных конструкций (СП 52-104-2006. Сталефибробетонные конструкции).

Проделанная работа дала неплохие результаты. Курганскую фибру уже применяют в Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Перми, Тюмени, Уфе, и "география" постоянно расширяется.

Перспективно использование стальной фибры в цементных смесях, предназначенных для ремонта разрушающихся железобетонных изделий. Для этой цели особенно рекомендуется жесткая стальная фибра, получившая название "Эмако Фаст Файбер".

Цементная смесь с такой фиброй позволяет ремонтировать железобетонные конструкции, подверженные ударным воздействиям или высоким динамическим нагрузкам.

Также ее рекомендовано использовать в случаях, когда возникает необходимость усиления железобетонных конструкций без установки дополнительной арматуры.

Разновидности фибры

Фибру в настоящее время изготавливают разными способами, например рубкой стальной проволоки соответствующего диаметра, резкой стального листа. Последним способом фибру изготавливает ЗАО "Фибробетон" (г. Москва).

Но, по-видимому, наиболее эффективной является фибра фрезерованная, которую изготавливают путем фрезерования стальных заготовок - слябов.

Благодаря высокой температуре в металле во время фрезерования фибра приобретает характерный синеватый оттенок - окисный слой, препятствующий возникновению и развитию коррозии во время хранения на складе и эксплуатации внутри бетона.

Этот вид фибры дешевле других. Еще одним преимуществом является то, что она не образует комков, называемых фигурально "ежами". Так что ее введение в цементные смеси не вызывает затруднений.

Базальтовые волокна

Вторым видом волокон, которые уже сравнительно широко используются в качестве арматуры в бетонах на основе портландцемента, являются волокна, а точнее, базальтовые нити. Волокна получают, протягивая через фильеры расплавленный базальт - вулканическую изверженную горную породу, встречающуюся в ряде регионов России. А нить - это несколько волокон, спряденных вместе.

Чтобы не было путаницы, вместо термина "волокно" рекомендовано употреблять термин "элементарное волокно".

Эти волокна получают обычно диаметром около 10 мкм. Прочность волокон на растяжение достигает 100 МПа, модуль упругости 9000 - 11 000 кг/кв. мм, то есть они прочнее той стали, которая используется для изготовления прутковой арматуры.

НИИЖБ, в котором базальтовые волокна изучаются уже несколько лет, рекомендует использовать их для дисперсного армирования тонкостенных конструкций, монолитных полов, несъемной опалубки, ремонта автомобильных бетонных дорог, поврежденных железобетонных конструкций, особенно если повреждения вызваны химической агрессией.

Базальтовые нити применяются в качестве арматуры и в виде базальтовых армированных сеток, которые вырабатываются ажурным перевивочным переплетением из крученых базальтовых комплексных нитей.

Такие сетки в России производит ООО "Конверс Металлодизайн" (г. Москва). Размеры ячейки - 6x5 и 25x25 мм.

Сетка с ячейкой 5x6 мм предназначается для армирования штукатурки, чтобы предотвращать возникновение трещин, разрушений от ударов, для обустройства наливных полов.

Сетки с ячейкой 25x25 мм производит и АО "Судогодское стекловолокно" (г. Судогда, Владимирская область). Предназначаются они для армирования асфальтобетонных покрытий при строительстве и ремонте автомобильных дорог, бетонных взлетно-посадочных полос аэродромов, бетонных дорог, крупногабаритных бетонных сооружений, кладочных растворов при возведении кирпичных стен.

Из базальтовых волокон изготавливают еще базальтовые ткани, предназначаемые для армирования кровельных, гидроизоляционных и теплоизоляционных материалов.

Уникальные волокна под названием "Микрофибра базальтовая с астраленами" изготавливают в г. Санкт-Петербурге. Они представляют собой базальтовые волокна, на которые нанизаны углеродные наночастицы - астралены, аналоги знаменитых ныне фуллеренов, графенов - нанообъектов, за которые были присуждены Нобелевские премии.

Волокна нанофибры обеспечивают армирование бетона, а астралены - повышение прочности.

В заключение отметим, что ныне из базальтовых волокон изготавливают и прутковую арматуру, с успехом заменяющую прутковую стальную арматуру.

Пожалуй, наибольшее количество базальтовых волокон используется для производства теплоизоляционных материалов, например импортных PAROC, ISOROC, ROCKWOOL, WIRED MAT, URSA, российских ИЗОТЕК ЛАЙТ, ИЗОТЕК УЛЬТРА, ППЖ-ГС-200 и др.

Молодые да ранние

Есть еще один вид волокон, предназначенных для армирования бетона. Они самые "молодые", то есть начали использоваться позднее всех вышеописанных. Возможно, они станут и наиболее широко применяемыми.

Это волокна, получаемые из синтетических полимеров - полиэтилена, полипропилена, полиамидов, полиэфиров, поливинилового спирта. По совокупности свойств или используя часто употребляемый ныне слоган - "по соотношению цена - качество" наиболее выгодными сегодня являются полипропиленовые волокна. Пока они применяются в небольших объемах.

Однако волокна, изготовленные только из полипропилена, сами по себе арматурой быть не могут: не "тянут" по модулю упругости. Он равен лишь 1/4 модуля упругости цементной матрицы. Следовательно, матрица не в состоянии передать статические усилия на волокна. Поэтому-то полипропиленовые волокна и не могут выполнять роль эффективной несущей арматуры для бетонов. Они способны лишь предотвращать поверхностные повреждения и сколы, например, при транспортировке бетонных изделий.

Полипропиленовые волокна могут выполнять и необычную функцию: повышать стойкость бетонных конструкций к пожару. Как известно, под воздействием высокой температуры полипропилен превращается в газ, который выходит из бетона, оставляя в нем поры. Через эти поры из бетона выделяются пары воды, образующиеся в результате теплового воздействия. Если пор нет, то пары воды бетон разрушают.

Для такой цели полипропиленовые волокна используют в ненагруженных бетонных изделиях, например в штукатурках.

Второй причиной, из-за которой полипропиленовые волокна не могут выполнять функцию арматуры, является гидрофобность их поверхности.

Из-за этого волокно не проявляет адгезии к цементной матрице, не сцепляется с ней намертво, как стальная или базальтовая арматура.

Чтобы устранить данный недостаток, было предложено обрабатывать волокно аппретирующим агентом - веществом, молекулы которого прочно сорбируются на поверхности полипропилена и превращают ее в гидрофильную, то есть смачиваемую водой. За счет этого обеспечивается связь между волокном и цементной матрицей, а также на 10 - 15% повышается прочность бетонного изделия.

Такие волокна уже используются и в "серьезных" бетонных изделиях, например, для изготовления взлетно-посадочных полос на аэродромах.

Наряду с разработкой аппретирующих агентов в настоящее время проводятся поиски путей повышения модуля упругости органических волокон. И небезуспешно.

Одним из наиболее ярких достижений последнего времени является начало промышленного производства нового полимера - так называемого сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Волокно из этого полимера прочнее стали (на растяжение) в 10 раз, полипропилена - в 15 раз. Его модуль упругости при растяжении - около 2500 Н/кв. мм, что намного выше, чем у бетона. Таким образом, это волокно может выполнять роль эффективной арматуры бетонов.

К сожалению, до широкого внедрения волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена в строительство дело еще не дошло.

(Небезынтересно отметить, что из сверхвысокомолекулярного полиэтилена в настоящее время изготавливают искусственный лед в виде плит, на котором можно без всякого охлаждения кататься при любой температуре. А если возвратиться к строительству, то по таким плитам вследствие низкого коэффициента трения можно передвигать волоком тяжелые грузы. Листы из этого полимера, смонтированные в бункерах, предотвращают зависание сыпучих материалов: цемента, песка. Если им зафутеровать внутреннюю поверхность труб, то сопротивление движению сыпучих сред (песка, цемента, каменного угля) по ним снижается на 25% по сравнению со стальными, а износ полимера при этом в три раза ниже.)

Но нужно возвращаться в настоящее. Пока в строительстве используются лишь волокна с более низким модулем упругости, чем у бетона, как ничем не обработанные, так и аппретированные. И те и другие в России до последнего времени не производились.

И вот недавно российские ученые из холдинга "ИНСИ" (г. Челябинск) разработали полимерное волокно коаксиальной структуры, состоящее из высокомодульной центральной части и активной оболочки, вступающей в химическое взаимодействие с продуктами гидратации портландцемента. Такие волокна, получившие название "ВСМ", способны по-настоящему армировать бетон. К сожалению, в промышленных объемах они пока не производятся. Является коммерческой тайной и химическая сущность этих волокон.

Отметим, что полимерные волокна, но натуральные - льняные применялись на Руси для армирования известковых вяжущих (портландцемента еще не было) много веков назад.

Сейчас для всех видов вяжущих (и портландцемента, и извести, и гипса, а особенно для битума) начинают использоваться тоже натуральные волокна - целлюлозные.

В начале нашего века на Соломбальском целлюлозном комбинате (г. Архангельск) было освоено производство целлюлозы из древесины хвойных пород сульфатным способом. Качество целлюлозы соответствует самым строгим мировым стандартам. Это прежде всего высокие физико-химические показатели: разрывная длина волокон - 10 - 11 км, абсолютное сопротивление продавливанию - 5,3 - 5,6 кгс/кв. см.

Средневзвешенная длина волокон составляет 2,6 мм.

Это волокно предназначено для производства цементно-волокнистых плит, армирования битумов.

В заключение рассказа о волокнах в бетоне отметим, что в 2008 г. "За разработку теории, создание технологий и освоение массового производства эффективных строительных конструкций из фиброармированных бетонов" группе ученых и инженеров была присуждена премия Правительства РФ.

Что могут суперпластификаторы

Как и в традиционных бетонных смесях с прутковой арматурой, в фибробетонных смесях химические добавки, упомянутые в начале статьи, тоже не будут лишними. Более того, в фибробетоне они "срабатывают" с большим эффектом, особенно те из них, которые влияют на подвижность смесей. Среди таких добавок особенно эффективны так называемые суперпластификаторы, называемые еще суперводоредуцирующими добавками. Эти добавки позволяют при снижении количества воды затворения сохранить необходимую подвижность смеси.

В настоящее время в нашей стране используется несколько видов суперпластификаторов - как российского производства, так и импортных.

С нашей точки зрения, для сталефибробетона следует использовать суперпластификатор "Полипласт СП-1", производимый ООО "Полипласт Новомосковск".

Такая рекомендация основана на том, что "Полипласт СП-1", во-первых, удовлетворяет требованиям ГОСТ 24211-2003 "Добавки для бетонов и растворов. Общие технические условия" к добавкам такого назначения, а во-вторых, не нарушает пассивного состояния стальной арматуры в бетоне. А для стальной фибры это свойство еще значимее, чем для прутковой арматуры, потому что у нее значительно большая суммарная поверхность.

Близкими аналогами данного суперпластификатора являются "Полипласт СП-1Л", "Полипласт СП-4".

При изготовлении железобетонных изделий с большим модулем поверхности (то есть отношением площади поверхности к объему), например перекрытий, необходимо, чтобы вода не испарялась с открытой поверхности слишком быстро и не отсасывалась опалубкой, иначе ее может не хватить для полной гидратации цемента.

Для придания цементным смесям такой способности используются водоудерживающие добавки.

ООО "Полипласт-Новомосковск" разработало добавку, которая является и суперпластификатором, и "водоудержателем". Это "Полипласт СП-2ВУ".

Как уже отмечено, железобетонные работы нередко приходится проводить при отрицательных температурах. Для того чтобы это было возможным, необходимы добавки, понижающие температуру замерзания воды. В настоящее время наиболее употребляемыми добавками такого назначения являются формиат натрия (натриевая соль муравьиной кислоты) и ацетат натрия (натриевая соль уксусной кислоты). Обе добавки не только не нарушают пассивность стали в бетоне, но и являются ингибиторами коррозии.

Эти соли являются отходами, образующимися в некоторых химических синтезах.

ООО "Полипласт-Новомосковск" разработало серию добавок, которые и снижают температуру замерзания воды, и обладают пластифицирующими свойствами. Это "Криопласт СП 15-1", "Крио-пласт СП 15-2".

Железобетон, как и сталефибробетон и вообще фибробетон, отнюдь не является вечным материалом, как его иногда величают. Изделия из него выходят из строя под действием многих причин. Одна из наиболее разрушительных - замерзание и оттаивание воды, содержащейся в порах, других пустотах внутри бетонного изделия.

Чтобы повысить устойчивость бетона к действию этого фактора, разработаны добавки, которые вовлекают в цементную смесь воздух, причем в виде мельчайших пузырьков, которые остаются в затвердевшем бетоне. При наличии таких пузырьков кристаллы льда, образующегося при замерзании воды

в бетоне, врастают в эти пузырьки, и их разрушительное действие уже не столь заметно. Добавки такого действия получили название воздухововлекающих.

Одной из широко применяемых воздухововлекающих добавок является "СДО-Л" (Попутно отметим, что эта добавка позволяет вовлекать так много воздуха, что получается пенобетон.)

ООО "Полипласт Новомосковск" производит воздухововлекающие добавки под названиями "Аэропласт", "Полипласт Р", а ООО "Суперпласт" (г. Владимир) - "Мегалит С-3РВ".

Отметим, что пузырьки воздуха в цементных смесях действуют еще и подобно шарикам в шарикоподшипниках - повышают подвижность цементных смесей.

В последние годы в использовании бетона возникла проблема: резко возросла продолжительность доставки бетонной смеси от места ее изготовления - бетоносмесительного завода до места применения. Проблема порождена автомобильными пробками, увеличением расстояния, на которое приходится перевозить бетоны.

Чтобы, несмотря на все это, бетонная смесь не теряла необходимых свойств, понадобились добавки, названные замедлителями твердения. Другое название - добавки с эффектом повышенной сохраняемости подвижности цементных смесей.

Примерами таких добавок являются "Лигнопан Б-1", производимая ЗАО "Биотех" (г. Москва), "Линамикс-П120", "Линамикс СП-180", "Линамикс ПК", "Линамикс РС", изготавливаемые ООО "Полипласт-Новомосковск", "Мегалит С-3 РС", изготовителем которой является ООО "Суперпласт" (г. Владимир).

Эти добавки не только повышают сохраняемость подвижности бетонных смесей, но и являются эффективными пластификаторами, не нарушают пассивность стальной арматуры.

И в заключение отметим добавки, называемые ускорителями процесса твердения цементных смесей. Их ассортимент в настоящее время весьма обширен, поэтому отметим лишь те из них, которые наряду с ускоряющим действием оказывают другое положительное воздействие на цементные смеси и не вызывают нарушение пассивности стальной арматуры.