Статья - Сверхвысокопрочный фибробетон для мостов Ductal®

Материал Ductal® был создан во Франции в начале 1990-х годов. К этому времени в ряде стран, в том числе и в России, уже имелся довольно обширный опыт по разработкам и применению фибробетонов. Ductal® же является в определенном смысле одной из наиболее эффективных на сегодняшний день реализаций фибробетонов. С его появлением образовался новый класс материалов – UHPC (Ultra high performance concrete), или, более точно, UHPFRC (Ultra high performance fiber reinforced concrete). В российской терминологии для данного класса принят термин «сверхвысокопрочный фибробетон». 

Отличительной особенностью материала, помимо его высокой прочности на сжатие, являются высокие прочностные показатели на растяжение (в том числе после начала трещинообразования). Это стало возможным благодаря созданию разработчиками высококачественной бетон-матрицы, позволяющей рационально интегрировать в нее и задействовать в совместной работе большое количество фибры.

За прошедшие годы составы и технология Ductal® совершенствовались и неоднократно модернизировались. Современные критерии отнесения материала к классу UHPFRC следующие [4]:
■ нормативное значение прочности на сжатие – как правило, не менее 150 МПа;
■ нормативное значение прочности на растяжение до образования трещин – не менее 6 МПа;
■ соблюдение достаточных параметров уровня прочности и способности к деформированию при работе на растяжение после образования трещин – так называемой дуктильности.

Материал обладает также высокими характеристиками, относящимися к долговечности: минимальной пористостью, высокой водонепроницаемостью и значительно повышенной морозостойкостью, более существенной стойкостью к хлоридам и карбонизации, а также к истиранию.

Кроме того, следует отметить ряд других особых свойств Ductal. Известно, что из-за очень низкой пористости при воздействии высоких температур материал может разрушаться взрывным образом. Эта проблема решается добавлением к стальной фибре полипропиленовой в количестве 2–3 кг/м3. Сочетание различных фибр позволяет получить материал с более высокими огнестойкими (и даже огнезащитными) качествами. В сравнении с обычным железобетоном Ductal¨ обладает также повышенной ударостойкостью и сопротивляемостью взрывным воздействиям.

Различие в соотношениях компонентов состава Ductal¨ и бетона проиллюстрировано на рис. 1. Размеры частиц в составах Ductal значительно меньше, чем в бетоне. В современных составах номи- нально они не превышают 0,63 мм.

Рис. 1. Объемное содержание компонентов в обычном бетоне и UHPFRC в процентах

Количество стальной фибры, являющееся фактором, во многом определяющим стоимостные показатели материала, в современных модификациях Ductal может варьироваться в широких пределах в зависимости от целевого уровня прочностных характеристик материала.

Приготовление смеси включает последовательное введение в миксер трех групп компонентов: сухой смеси, воды и химической добавки, фибры. Параметры всех этапов приготовления смеси строго регламентированы. 

Свойства материала в состоянии смеси могут регулироваться в соответствии с условиями применения. Как правило, смеси UHPFRC/ Ductal являются самоуплотняющимися, высокоподвижными, даже «текучими», но существуют и тиксотропные (рис. 2), а также составы с иными характеристиками. Имеется возможность регулирования сроков схватывания (начала твердения) смесей.

Рис. 2. Самоуплотняющийся и тиксотропный составы Ductal® в состоянии смеси в процессе работ в московской лаборатории ЛафаржХолсим

Значения основных параметров Ductal для различных составов приведены в таблице ниже:

Принципиально важными являются отличия UHPFRC от бетона при работе на растяжение после начала процесса трещинообразования (рис. 3). Обычный бетон не обладает сопротивлением растяжению после образования трещин. Разрушение неармированного бетона после трещинообразования имеет хрупкий характер. В связи с этим в прочностных расчетах железобетонных конструкций сопротивление бетона растяжению принимается равным нулю.

Рис. 3. Схематические зависимости напряжения – деформации для бетона без армирования, фибробетона и UHPFRC при одноосном растяжении: σ – напряжения; ε и w – соответственно, относительные и абсолютные (раскрытие трещин) деформации; E – модуль упругости

Фибробетоны, имея процент дисперсного армирования (фиброй) по объему, не превышающий 1,0–1,5%, обладают возможностью восприятия некоторых растягивающих напряжений и после трещинообразования. В таком количестве фибра позволяет несколько снизить хрупкость, то есть обеспечить возможность более высоких деформаций под действием растягивающих напряжений без разрушения. В прочностных расчетах может учитываться сопротивление материала растяжению. Однако величины этого сопротивления весьма незначительные и всегда менее фактической прочности материала на растяжение при упругой работе (до трещинообразования).

Материалы класса UHPFRC позволяют обеспечить выраженный пластическийхарактер работы на растяжение после начала трещинообразования. Это возможно только при значительных процентах армирования фиброй, например, у Ductal – более 3,0%. При этом может  быть  достигнуто проявление так называемого деформационного квазиупрочнения, которое характерно тем, что после начала трещинообразования следует стадия пластической работы материала на растяжение. В этом случае воспринимаемые напряжения могут превышать напряжения, вызывающие образование трещин,на 15% и более.

При наличии на диаграмме состояния UHPFRC (рис. 3) зоны квази-упрочнения после появления первой трещины деформации не концентрируются в одной этой трещине. Материал сохраняет способность распределять трещины по длине растянутой зоны образца, при этом трещины сохраняют очень малое раскрытие. Это обеспечивается благодаря тому, что распределенная по всему объему фибра при достаточном модуле упругости ее материала, прочности и заделке в матрицу полностьювоспринимает растяжение с бетон-матрицы в полости зародившейся трещины, не позволяя ей резко увеличиться.

Отсутствие проявлений хрупкости в работе на растяжение позволяет принимать в прочностных расчетах достаточно большие значения сопротивлений материала растяжению. При проектировании это делает баланс расчетных проверок прочности и трещиностойкости сходным с тем, который характерен для железобетона, то есть при обычном стержневом армировании.

Различные характеристики UHPFRC, используемые при проектировании, например модуль упругости, характеристики прочности на растяжение, величины ползучести и усадки и так далее, не могут назначаться априорно как для бетона, то есть исходя только из их класса прочности на сжатие. Для проектирования следует использовать идентификационную карту планируемой к применению смеси UHPFRC (рис. 4).

Рис. 4. Пример идентификационной карты

Кроме того,ряд   параметров UHPFRC не могут быть назначены просто исходя из состава смеси ввиду существенного влияния также и технологических аспектов. 

Таким образом, UHPFRC – это материал, параметры которого, используемые при проектировании, являются функцией  большего, чем в обычном бетоне, количества факторов. Например, размеры и форма конструкции оказывают влияние на распределение в ней фибры при укладке смеси. В зависимости от этого изделия подразделяются, по терминологии зарубежных норм, на «толстые» и «тонкие», а фибра в конструкции будет иметь ориентацию либо 3D, либо 2D.

При реализации проекта, в том числе на стадии строительства, должно быть подтверждено достижение заявленных в идентификационнойкарте    значений. Для этой цели в несколько этапов проводятся испытания контрольных образцов. Испытания для окончательного подтверждения принятых при проектировании характеристик материала проводятся на образцах, отобранных из опытного прототипа конструкции.

Практика применения Ductal в некоторых категориях несущих конструкций различного назначения свидетельствует о достаточной конкурентоспособности этого материала в современных условиях. Существенно болеевысокая,чем уобычногожелезобетона,стоимость материала компенсируется снижением косвенных затрат при рациональном проектировании. Это достигается вследствие:

• ■ применения конструкций с меньшим расходом материалов за счет кратного увеличения прочностных показателей по сравнению с обычным бетоном;
• ■ обеспечения более высокой технологичности работ, связанных с армированием конструкций, в том числе за счет отказа от конструктивной (в некоторых случаях и поперечной) арматуры и создания более эффективных систем предварительного напряжения;
• ■ уменьшения трудо- и энергозатрат при транспортировке, складировании и монтаже конструкций за счет уменьшения их массы;
• ■ существенного снижения эксплуатационных затрат за счет более высоких эксплуатационных показателей.

При проектировании конструкций из UHPFRC список требований отличается от требований для железобетона, что в определенной степени характерно и для фибробетонов вообще. Это в полной мере отражено в современных нормах проектирования: группе французских стандартов, прошедших несколько редакций, – NF P 18-710 (2016) и NF P 18-470 (2016) [4, 5], а также швейцарских – SIA 2052:2016 [6]. Система требований более объемна и включает значительное количество позиций, связанных с подтверждением принимаемыхврасчетах величин. В частности, нужно подтверждать параметры дисперсного армирования, которыенефиксируются привычными методами (как, например, в железобетоне при приемке арматурного каркаса), а формируются при приготовлении и укладке смеси.

Реализуя UHPFRC в неадаптированных, общепринятых для железобетона технических решениях, получить серьезный эффект от применения материала на практике не удается. Технические решения нужно прорабатывать специально под этот материал, раскрывая его возможности, в том числе используя возможность регулирования его характеристик.

Первое массовое применение несущих конструкций из Ductal относится к 1997–1998 годам. Материал был применен при изготовлении балок, предназначенных для установки в модернизируемых теплообменных корпусах атомной электростанции Cattenom во Франции (рис. 5).

Рис. 5. Балки перекрытий корпусов охлаждения атомной электростанции Cattenom (Франция)

Технические эксплуатационные требования были весьма жесткими. Требовался строительный материал, который мог бы выдерживать физико-химические агрессивные воздействия (сточные воды, сульфаты, термические градиенты и циклы замораживания/оттаивания). Максимальный пролет балок одной из групп составил около 14 м. Проектные решения продемонстрировали возможность весьма существенного снижения веса в сравнении с обычными железобетонными балками. Предполагалось также значительное увеличение срока службы конструкций. Две балки были установлены в качестве контрольных образцов-свидетелей для изучения ресурса прочности и возможного старения в агрессивной среде. Образцы, взятые из этих балок в 2008 и 2019 годах (соответственно после 10 лет и 21 года эксплуатации), показали, что в условиях высокой агрессии какого-либо ухудшения механических свойств материала по сравнению с первоначальными не произошло.

В мостовых конструкциях наиболее активное применение Ductal происходило в пешеходных мостах. На этих сооружениях апробировались различные конструктивные решения, которые постепенно эволюционируют и в настоящее время. Несмотря на их разнообразие, может быть выделен ряд сформировавшихся особенностей. Для многих современных технических решений характерно применение корытообразного профиля поперечного сечения пролетных строенийсразвитойрастянутой и компактной сжатой зоной конструкции (рис. 6–8).  Современные решения характеризуются также применением составных по длине конструкций с предварительным напряжением. Длины пролетов могут превышать 70 м, а отношения высоты конструкции к пролету достигают значений 1/40.

Технические решения для балок автодорожных мостов также весьма разнообразны. При этом характерными подходами при проектировании являются стремление к отказу от применения поперечной арматуры, а также использование систем предварительного напряжения, совмещающих арматурные элементы в теле бетона и вне его (рис. 9, 10).

Рис. 6. Пешеходный мост Passerelle des Anges (Франция), пролет 67,5 м

Рис. 7. Пешеходный переход через железнодорожные пути в Le Cannet-des-Maures (Франция), пролет 34 м

Рис. 8. Пешеходный переход через автодорогу в Le Bouveret (Швейцария), пролет 25 м

Рис. 9. Мост Rantau-Siliau (Малайзия) с корытообразными UHPFRC-балками, пролет 52 м

Рис. 10. Мост Batu 6 в Gerik Perak (Малайзия) с составным по длине пролетным строением из UHPFRC, пролет 100 м

Некоторые технические решения из Ductal стали возможны и полу- чили достаточно широкое приме- нение именно благодаря особым свойствам материала [7]. Это касается, например, элементов, объединяющих на монтаже сборные железобетонные и металлические конструкции. Решение   применимо и в рамках реализации развивающейся в настоящее время концепции высокоскоростного строительства мостов. Здесь проявляются уникальные свойстваDuctalкаквысокопрочного (а также быстротвердеющего) и хорошо проармированного материала. Поэтому даже в небольшом объеме укладки он позволяет воспринимать высокие концентрированные напряжения без каких-либо повреждений (рис.11).

Рис. 11. Устраиваемые на месте малогабаритные соединительные элементы из UHPFRC

Другим специфическим техническим решением, реализующим особые возможности UHPFRC, является устройство так называемого высокопрочного добавленного слоя (в монолитном исполнении), используемого при ремонте, реконструкции, восстановлении несущих мостовых конструкций. Как правило,оноприменяется для железобетонных конструкций, в особенности плиты проезжей части, но в отдельных случаях – и для стальных орто- тропных плит и других элементов (рис.  12).Толщина  добавленного слоя, как правило, составляет 30–60 мм. При больших толщинах этот слой может быть армирован и стержневой арматурой. 

Важное значение в этом техническом решении имеют высокие свойствасцепления материала при укладке его на подготовленную бетонную поверхность. Решение предполагает также возможность создания влагостойкого слоя только из Ductal (без применения специальных гидроизоляционных материалов). Здесь реализуется способность материалов класса UHPFRC при достаточновысокихпроцентах фибрового армирования (от 3,5% и более) сохранять влагонепроницаемость в нагруженном состоянии. Для этого относительные деформации растяжения, как правило, должны быть при проектировании ограничены величиной 1% [8].

Имеются и другие примеры эф- фективного применения Ductal при ремонте мостовых сооружений: устройство анкерных блоков-упоров системы внешнего предварительногонапряжения при усилении пролетного строения эстакады в Великобритании (рис. 12) или в сборных элементах плиты проезжей части для ее усиления.

Рис. 12. Уложенные в качестве добавленного слоя 53 тыс. м² Ductal® на виадуке Chillon (Швейцария) / Анкерные блоки из Ductal® для системы дополнительного внешнего предварительного напряжения эстакады Hammersmith (Великобритания)

Рис. 13. Применение тонких сборных плит UHPFRC для ремонта проезжей части по стальной ортотропной плите

Имеется также ограниченный опыт применения UHPFRC для несъемной опалубки (в особенности для монолитных плит проезжей части железобетонных и сталежелезобетонных мостов), свай, подпорных стен и др.

Кроме того, в настоящее время развиваются специальные методы укладки UHPFRC, среди которых 3D-печать, набрызг и др. Эти технологии способны расширить объем экономически эффективного применения UHPFRC.

В России имеется единичный, но весьма успешный опыт применения Ductal® – в 2017 году концерном «КРОСТ» при строительстве Хорошевской гимназии (в 75-м квартале района Хорошево-Мневники г. Москвы) [9]. Материал использован в несущих конструкциях лестничных маршей (косоурах) пролетом 10,8 м. Отношение высоты сечения к пролету составило 1/31.

В целом для современных конструкций из UHPFRC, как правило, характерно применение более сложных форм и стремление к более тонким элементам поперечного сечения (в том числе при уменьшении толщины защитного слоя, которое возможно как по фактору сцепления стержневой арматуры с матрицей UHPFRC, так и по защитным свойствам материала по отношению к арматуре).

Значительно упрощается конструкция стержневого армирования, с возможностью в ряде случаев полного отказа от поперечного стержневого армирования. Это позволяет варьировать сплошность стенок основных, работающих на изгиб, несущих конструкций, в том числе исходя из эстетических соображений. Веса конструкций из этого материала при этом дополнительно существенно снижаются, в сравнении с железобетонными конструкциями.

Также расширяются возможности, связанные с предварительным напряжением (материал более прочный на сжатие, более высокое сцеплениес    арматурой, в том числе напрягаемой). Однако при этом имеются некоторые ограничения, связанные с устойчивостью, поскольку тонкие конструкции более склонны к отказам по этому фактору.

Параметры конструкций из UHPFRC таковы, что при проектировании следует с особым вниманием относиться к прогибам конструкций и их работе под динамическими нагрузками. 

Основываясь на понимании особенностей российских условий, ЛафаржХолсим видит достаточно широкие возможности для применения материала – как для строящихся сооружений, так и для ремонта и усиления эксплуатируемых мостовых сооружений.

В настоящее время эскизные проектныепроработкипроводятся на базе указанных выше французских и швейцарских нормативных документов. Эти нормы в наибольшей степени проработаны и соответствуют современному уровню знаний. Документы содержат фундаментальную методическую основу для проектирования и являются качественными справочными документами. Тем не менее очевидно, что для реального применения в России конструкций из UHPFRCнеобходима разработка и утверждение ряда специальных нормативных документов (как это предусмотрено в [1]). Это требует серьезного научно-исследовательского обоснования. Определенной базой для проработки нормативных документов могут явиться российские нормы на фибробетоны [2, 3].

С 2019 года ЛафаржХолсим прово- дит комплексную НИОКР с целью разработки необходимого обоснования применения Ductal для несущих конструкций в России. Главным исполнителем этой работы является научно-исследовательская организация «Сервис-МОСТ», специализирующаяся в области исследований и разработок по армированным конструкциям из бетона.

К выполнению работ привлекаются ведущие российские научно-исследовательские, проектные и строительные организации. Основными задачами этой работы являются:

■ получение достаточного объема данных для разработки СТО на материал Ductal, с учетом планируемой поэтапной локализации выпуска этого продукта в России;

■ изучение работы конструкций из рассматриваемого материала под различными видами нагрузок и создание достаточных научно-технических заделов для последующих исследований и проработок по конкретным объектам и техническим решениям, требующим разработки СТУ (в качестве первого шага разработки российских стандартов);

■ отработка в российских условиях всего цикла контрольных испытаний стандартных образцов материала, обеспечивающих необходимую базу для его применения в несущих конструкциях;

■ получение практического опыта в технологии работ с Ductal как в заводских условиях, так и на объектах (на припостроечных полигонах и стройплощадках) в российских условиях.

Рис. 14. Торкретирование Ductal со стальной фиброй для ремонта и реконструкции водопропускных труб

Рис. 15. 3D-печать Ductal для геометрически сложных конструкций

Постановка НИОКР имеет выраженную практическую направленность и позволяет увязывать выполняемые в ее рамках работы с проработками по конкретным техническим решениям и объектам.

Несмотря на очевидную конкурентоспособность, доказанную практикой, уровень эффективности применения несущих конструкций из Ductal как высокотехнологичного материала в значительной степени зависит от качества расчетной, конструктивной и технологической проработки каждого конкретного технического решения. ЛафаржХолсим это хорошо осознает. Предлагая для применения этот современный материал с большими возможностями, компания готова обеспечивать техническую помощь и консультации специалистов как по методам проектирования, так и по технологии работ.

Основываясь на более чем 20-летнем опыте применения материала для сооружений различного назначения, компания ЛафаржХолсим наработала все необходимые компетенции для помощи в реализации проектов практически любой сложности. Консультации по любым вопросам применения Ductal могут быть оперативно даны российскими специалистами компании. Также может быть предоставлена техническая помощь при проектировании и на всех стадиях подготовки и  реализации проекта. При необходимости для этого могут быть привлечены обширные зарубежные ресурсы компании. Это, прежде всего, возможности научно-исследовательского центра ЛафаржХолсим в Лионе (Франция), а также многочисленных проектных, производственных, строительных и других специализированных организаций, и учебных центров, сотрудничающих с компанией.

В статье используются материалы из источника:

https://www.service-most.ru/stati/o-primenenii-sverkhvysokoprochnogo-fibrobetona-ductal-r-v-rossijskom-mostostroenii