Фибробетонные конструкции — это конструкции из фибробетона — композитного материала, в состав которого входят армирующие волокна (фибра). Эти волокна выполняют роль микроарматуры, значительно улучшая характеристики бетона, которые повышают прочность на растяжение, изгиб и сдвиг, увеличивают трещиностойкость, снижают риск образования сколов и повышают общую долговечность бетона в различных условиях эксплуатации. Фибробетон позволяет создавать более тонкие и легкие конструкции без потери несущей способности, что особенно важно в современном строительстве [6, с. 206].

Базовая рецептура фибробетона включает традиционные компоненты: портландцемент, заполнители (песок и щебень мелкой фракции), воду и добавки, регулирующие подвижность и прочностные характеристики смеси. Ключевое отличие заключается в добавлении фибры, которая равномерно распределяется по всей массе бетона в процессе его приготовления. Важно отметить, что качество перемешивания и равномерность распределения волокон критически важны для достижения оптимальных характеристик материала.

Фибробетон классифицируется по типу применяемых волокон, которые определяют его свойства и область применения. Металлическая фибра, которая изготовлена на основе стали, может иметь различные формы (прямая, волнистая, с анкерами на концах) и размеры, которая придает бетону высокую прочность на растяжение и сдвиг, стойкость к динамическим и ударным механическим воздействиям. Неметаллическая фибра производится из различных материалов, как акрил, карбон, хлопок, стекло, полиэтилен, базальт и другие. Эти волокна делают фибробетон более легким, устойчивым к коррозии и годным для использования в агрессивных средах.

Виды неметаллической фибры обладают уникальными свойствами. Стекловолокно применяется для улучшения прочности, устойчивости к огню и влаге, для создания декоративных элементов с разнообразными текстурами. Полипропилен обеспечивает лёгкость и хорошую устойчивость к замерзанию и механическим повреждениям, что делает его идеальным для использования в условиях переменчивого климата. Базальтовое волокно отличается высокой стойкостью к химическим воздействиям, огнестойкостью и долговечностью, что позволяет использовать фибробетон с базальтовой фиброй в строительных конструкциях [4, с. 34].

Преимущества фибробетона по сравнению с обычным бетоном делают его востребованным материалом в современном строительстве. Прочность обеспечивается благодаря армированию фиброволокном, что повышает сопротивление материала к сжатию, изгибу и растяжению. Устойчивость к трещинам обеспечивается тем, что фиброволокно сдерживает распространение микротрещин, предотвращает их развитие в крупные разрушительные трещины и увеличивает срок службы конструкций. Снижение веса позволяет уменьшить нагрузку на фундамент и упростить процесс монтажа. Устойчивость к воздействию внешней среды делает фибробетон идеальным материалом для использования в условиях высокой влажности, агрессивных химических веществ и значительных температурных колебаний. Улучшенная сейсмостойкость обеспечивается благодаря высокой прочности и гибкости фибробетонных конструкций, которые позволяют им выдерживать значительные деформации без разрушения [7, с. 23].

Фибробетон находит широкое применение в различных сферах строительства благодаря своим уникальным свойствам и преимуществам. В строительстве дорог и мостов он используется для создания дорожных покрытий и мостовых конструкций, где необходима высокая прочность, долговечность и устойчивость к интенсивным транспортным нагрузкам. В производстве декоративных элементов фибробетон позволяет создавать сложные формы и текстуры, что делает его незаменимым материалом для дизайнеров и архитекторов. В промышленных сооружениях фибробетон используется при строительстве заводов и складов, где важна высокая прочность и устойчивость к механическим повреждениям, к воздействию агрессивных химических веществ. В жилищном строительстве фибробетон может применяться в возведении жилых домов, особенно в тех случаях, когда нужен лёгкий и прочный материал для создания тонкостенных конструкций и нестандартных архитектурных решений. В качестве инженерных конструкций фибробетон используется для создания различных инженерных элементов, как фундаменты, опоры и коллекторы, где важна высокая прочность, устойчивость к воздействию грунтовых вод и долговечность.

Недостатки фибробетона, такие как сложность производства (неравномерное распределение фибры в смеси требует использования специального оборудования, контроля качества перемешивания) и высокая стоимость (цена фибробетона на 15–30 % выше, чем у обычного бетона, из-за стоимости фибры и затрат на технологический процесс), ограничивают его широкое применение. Однако постоянное развитие технологий и снижение стоимости производства фибры делают фибробетон все более конкурентоспособным материалом в современном строительстве [10, с. 21].

Экспериментальная проверка работы фибробетонных конструкций в условиях динамических нагрузок включает исследования, которые направлены на изучение механических свойств материала при высоких скоростях деформации. Это важно, так как ударные, взрывные динамические воздействия могут возникать в чрезвычайных ситуациях, и поэтому необходимо знать динамические свойства материалов, из которых изготовлены конструкции [3, с. 5].

Для экспериментальной проверки работы фибробетонных конструкций при динамических нагрузках используют методы испытаний, например:

Методика разрезного стержня Гопкинсона (РСГ) позволяет проводить испытания в диапазоне скоростей деформации 10²–10⁴ с⁻¹. В традиционном варианте РСГ используются два тонких длинных стержня с высоким пределом текучести, между которыми расположен образец малой длины из исследуемого материала [5, с. 87].

Результаты экспериментальных исследований работы фибробетонных конструкций при динамических нагрузках:

Увеличение динамической прочности — например, в испытаниях на сжатие образцов из фибробетона установлено, что динамическая прочность фибробетона выше в среднем на 28 % по сравнению с обычным бетоном.

Упрочнение материала — при увеличении амплитуды нагрузки (определяется скоростью ударника) повышается предел прочности при сжатии как у бетонных образцов, так и у образцов с добавлением металлической стружки (фибробетон) [8, с. 100].

Влияние формы фибры — например, максимальную прочность при динамическом одноосном сжатии и сжатии в обойме показал фибробетон со стальной фиброй, а самую высокую прочность при динамическом растяжении (раскалывании) и срезе — фибробетон с комбинированной фиброй [2, с. 124].

Влияние смешанного армирования — например, в экспериментах с изгибаемыми сталефиброжелезобетонными балками с зонным сталефибровым армированием сжатой зоны сечения установлено, что применение высокопрочной проволоки совместно со стержневой арматурой приводит к повышению несущей способности и снижению деформативности конструкции [9, с. 80].

Результаты экспериментального исследования авторов Н. Н. Белова, Н. Т. Югова, Д. Г. Копаницы, B. C. Плевкова, А. А. Югова, В. В. Шашкова, К. Л. Кудякова, А. М. Устинова позволяют использовать их для математического моделирования поведения фибробетонных конструкций при динамических нагрузках.

Авторами предложена математическая модель, которая характеризует процессы деформирования и разрушения фибробетона в условиях ударно-волнового нагружения. Фибробетон моделируется гомогенной двухфазной смесью фибры и бетона, а при динамическом нагружении до выполнения критерия прочности описывается моделью линейного упругого тела.

Фибробетон, как композиционный материал, находит все более широкое применение в строительстве, особенно в условиях, где конструкции подвержены воздействию динамических нагрузок. В исследованиях динамических нагрузок, прежде всего, рассматривают ударное нагружение. Данный тип воздействия может имитироваться ударом стального индентора. В экспериментах использовались цилиндрические ударники с различными параметрами (диаметром, длиной) и скоростями, в частности, 54,8 м/с и 300 м/с. Кроме того, к динамическим воздействиям относится ударно-волновое нагружение, характеризующееся кратковременным, но интенсивным воздействием на конструкцию [1, с. 63].

Поведение фибробетонных конструкций под воздействием динамических нагрузок определяется рядом факторов. Одним из важнейших является скорость удара, которая напрямую влияет на характер разрушения материала и глубину проникновения ударника. При разных скоростях удара могут быть применены различные математические модели для адекватного описания процесса разрушения.

Тип и количество фибры также играют важную роль для конструкций из фибробетона. В исследовании Н. Н. Белова и др. применялись базальтовая, углеродная и стальная фибра. Важно отметить, что существует оптимальное содержание фибры, обеспечивающее максимальную прочность конструкции. Например, для базальтофибробетона оптимальное содержание составляет около 0,6 % по массе вяжущего. Тип фибры также влияет на характер разрушения и форму образующегося кратера.

Не менее важным фактором является тип бетонной матрицы. Свойства самого бетона (обычного, высокопрочного порошкового бетона) оказывают влияние на прочность конструкции. Высокопрочный бетон демонстрирует значительно большую устойчивость к ударным воздействиям по сравнению с обычным бетоном.

Нагрузка также оказывает значительное влияние на поведение фибробетонных конструкций. Рассматривались слоистые конструкции, которые состоят из разных материалов (фибробетон, железобетон, обычный бетон). Расположение слоев материала влияет на эффективность конструкции, обеспечивает оптимальное распределение напряжений и сопротивление разрушению. Важным параметром также является толщина плиты, определяет ее общую несущую способность.

Влияние динамических нагрузок на фибробетонные конструкции проявляется в нескольких аспектах. Одним из них является прочность на сжатие, которая может быть исследована при различных коэффициентах армирования. Глубина проникновения ударника является важным показателем, который характеризует устойчивость конструкции к ударным воздействиям. Формирование кратеров и их размеры также отражают уровень разрушения материала и геометрию повреждения при воздействии ударной волны.

Анализ результатов исследований показывает, что фибробетон обладает улучшенными характеристиками по сравнению с обычным бетоном при динамическом нагружении. Слоистые конструкции, которые сочетают разные материалы, могут обеспечивать более высокие показатели прочности и устойчивости по сравнению с однородными конструкциями. Важную роль в поведении конструкции играют прочностные характеристики бетона. Однако следует отметить, что простое армирование высокопрочного бетона стальной фиброй не всегда приводит к существенному повышению прочности [1, с. 63].

Таким образом, фибробетонные конструкции, армированные волокнами (фиброй), обладают улучшенными характеристиками прочности, трещиностойкости и долговечности. Фибробетон классифицируется по типу фибры: металлическая (стальная) и неметаллическая (акрил, карбон, стекло, полипропилен, базальт и др.). Фибробетон применяется в дорожном строительстве, декоративных элементах, промышленных и жилых сооружениях, инженерных конструкциях. Результаты исследования показали увеличение динамической прочности фибробетона, упрочнение материала, влияние формы и смешанного армирования фибры на свойства фибробетона. Добавление фибры увеличивает прочность, трещиностойкость, водонепроницаемость и других показателей фибробетонных конструкций. При ударном воздействии происходит разрушение мелкозернистого бетона, что приводит к разрушению материала.

Литература:

1. Белов Н. Н. Модель динамического разрушения фибробетона // Вестник ТГАСУ. — 2014. — № 5. — С. 63–76.
2. Брагов А. М. Исследование механических свойств фибробетона с помощью методики Кольского и ее модификаций // Вестник нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. — 2011. — № 4. — С. 123–129.
3. Гонов М. Е. Деформация и разрушение бетонов и фибробетонов при скоростях деформации от 10–3 до 104 с: автореф. дис. … канд. техн. наук. — Нижний Новгород, 2022. — 20 с.
4. Леонович С. Н. Технология и свойства фибробетона с наномодифицированной матрицей: монография. — М.: ИНФРА-М, 2024. — 194 с.
5. Николаева Е. А. Особенности динамической калибровки стержня Гопкинсона Кольского // Математическое моделирование систем и процессов. –2003. — № 11. — С. 87–93.
6. Окольникова Г. Э. Анализ свойств различных видов фибробетонов // Системные технологии. — 2018. — № 26. — С. 206–210.
7. Плевков В. С. Оценка технического состояния, восстановление и усиление железобетонных конструкций зданий и сооружений с применением фибробетона: учебное пособие. — Томск: Изд-во ТГАСУ, 2016. — 128 с.
8. Ражабов Е. С. Экспериментальные исследования свойств бетона и фибробетона при импульсном нагружении // Academy. — 2020. — № 12. — С. 100–104.
9. Уткин Д. Г. Деформирование изгибаемых сталефиброжелезобетонных элементов со смешанным армированием при кратковременном динамическом нагружении // Вестник ТГАСУ. — 2015. — № 5. — С. 80–89.
10. Федюрко Р. И. Перспектива фибробетона // Аллея Науки. — 2018. — № 2. — С. 21–24.