Фибра для бетона: виды и применение

Еще совсем недавно единственным способом повышения прочности бетона на изгиб и растяжение считалось армирование стальной арматурой. Затем вместо прутов из металла стали использовать стеклопластик. Однако все еще осталось много сфер, в которых применение классической схемы укрепления представлялось сложным – например, в производстве бетонных колец и труб, устройстве стяжек и пешеходных дорожек. Ситуацию исправила новая технология армирования фиброй. Что такое фибра для бетона, зачем она нужна и как применяется, расскажем статье.

Что такое фибра для бетона

Фибра для укрепления бетона представляет собой мелкие волокна толщиной от 0,012 до 1,2 мм и длиной 10–20 мм. Их изготавливают из разных материалов, например, стекла или стали.

Небольшие порции фибры вводят в бетонный раствор и тщательно перемешивают. Волокна равномерно распределяются в растворе и после его застывания образуют сетку. Каждая нить имеет высокую прочность на растяжение и укрепляет застывший бетон, повышая его стойкость к образованию трещин, усадке и увеличивая прочность готовой конструкции. Эксплуатационные характеристики бетона, который армирован таким образом, зависят от вида фибры и ее количества в растворе.

Виды фибры для бетона

Свойства фиброволокна зависят от его размера, упругости и материала, из которого оно изготовлено. Например, по размеру присадки делят на два вида: макрофибру и микрофибру.

Макрофибра имеет диаметр волокна более 0,3 мм. Визуально эти материалы похожи на короткие кусочки тонкой проволоки или стружку. В качестве сырья для производства такой фибры используется сталь, полимерные материалы и базальтовое волокно. При добавлении в бетонный раствор они увеличивают прочность застывшего бетона и повышают его трещиностойкость. Толщина волокна микрофибры — менее 0,3 мм. Такой материал больше напоминает вату: его изготавливают из стекла, базальта, углерода или полимеров. Он почти не влияет на прочность бетона, но повышает долговечность и водонепроницаемость в шпаклевке, штукатурке и кладочных растворах.

Модуль упругости — это величина, которая показывает, как материал сопротивляется сжатию или растяжению. В качестве примера можно привести древесину и сталь: у первой модуль упругости составляет всего 400 МПа, а у другой — 200 000 Мпа. Древесина деформируется даже при небольшой нагрузке, а чтобы сжать сталь понадобится очень мощный пресс. Чем выше модуль упругости, тем жестче материал. По этому показателю фибро-армирующие материалы делятся на два типа – высоко- и низкомодульные.

Модуль упругости высокомодульных присадок больше, чем у бетонных конструкций (от 19 до 34,5 ГПа). В этой группе находится углерод, сталь, базальт и стекло. Фибра, изготовленная из таких материалов, увеличивает прочность бетона при сжатии и растяжении, а также увеличивает несущую способность бетонных изделий. У низкомодульных модуль упругости меньше, чем у бетона — от 0,5 до 3,3 ГПа. Такая жесткость армирующих присадок не увеличивает прочность, но повышает сопротивление к ударным и динамическим нагрузкам, увеличивает водонепроницаемость и трещиностойкость. Подобные свойства имеют фибры, изготовленные из полимеров – например, нейлона, акрила, полиэтилена и полипропилена.

Различные виды фибры при добавлении в бетонный раствор позволяют создать композит, который значительно расширяет возможности применения бетонных конструкций. Но чтобы разобраться, какие свойства имеет та или иная присадка, необязательно знать их модуль упругости или точный размер волокон. В большинстве случаев решающим фактором становится сырье, из которого она сделана. Разберемся, какие материалы применяются при производстве фиброволокон, сравним их плюсы и минусы.

Фибра для бетона: виды по типу материала и применению

Металлическая (стальная) фибра применяется, когда нужно значительно повысить прочность на растяжение бетонной конструкции или изделия. Она снижает усадку и практически исключает появление усадочных трещин, успешно применяется при производстве сложных железобетонных изделий. ЖБИ, изготовленные с применением металлической фибры, практически не подвержены температурным деформациям и истиранию. Для лучшего сцепления стальных волокон с бетонным массивом их делают не прямыми, а слегка закрученными по спирали или загнутыми волнообразно.

К плюсам металлической фибры можно отнести:

• высокую прочность;
• простоту использования — приготовить раствор с таким заполнителем можно даже ручным способом;
• удобство в использовании — металлические волокна не комкуются и не путаются друг с другом;
• простоту производства — такое армирующее волокно можно изготовить самостоятельно;
• относительно невысокую цену.

Минусы у такого материала тоже есть:

• его трудно использовать в легких бетонах, поскольку фиброволокно увеличивает плотность смеси и увеличивает теплопроводность;
• стальная проволока утяжеляет раствор, поскольку плотность стали выше, чем у бетона;
• работать с получившейся смесью сложно: она жесткая и имеет низкую подвижность;
• волокна, торчащие из бетона, могут приводить травмам, поэтому поверхность изделий стоит механически обрабатывать.

Этот вид фибры применяют при объемных заливках различных строительных объектов, например фундаментов, плит перекрытий или подпорных стен, лестничных маршей.

Стеклянная фибра наравне с металлической используется для изготовления стяжек, промполов и штукатурных смесей. Стекловолокно само по себе довольно хрупкое, но в бетонном растворе обеспечивает высокую стойкость к температурным деформациям, увеличивает трещиностойкость, защищает бетонные изделия, которые еще не набрали полную прочность, и увеличивает влагостойкость.

Производят стеклянную фибру из силикатного стекла. Кварцевый песок, смешанный со стабилизирующими добавками, расплавляют при высокой температуре. Жидкую массу под давлением пропускают через фильеры (формы с калиброванными отверстиями) – в результате образуются тонкие нити, которые практически моментально застывают, остается только нарезать их на кусочки.

Положительные стороны стеклянной фибры:

• стекловолокно имеет высокую прочность на растяжение;
• оно легче стали, поэтому такое армирование практически не влияет на вес бетона;
• со стекловолокном удобно работать, поскольку оно не влияет на подвижность смеси;
• стеклянная фибра относится к микрофибре, поэтому ее можно добавлять в штукатурные смеси или растворы.

Минусы стекловолокна:

• работать с материалом нужно в спецодежде, включая перчатки, маску-респиратор: все открытые участки кожи следует прикрывать, так как мелкие частицы раздражают кожу и могут приводить к проблемам со здоровьем при попадании на слизистые или в дыхательные пути;
• стекловолокно имеет низкую стойкость к коррозии при воздействии цемента;
• высокая стоимость.

Прочность стеклянных волокон зависит от их диаметра: чем больше диаметр, тем выше прочность на растяжение. Крупное стекловолокно стоит значительно дороже. Это ограничивает применение такого вида армирующей добавки в строительстве. С ее помощью производят элементы декора, а также готовят штукатурные растворы.

К полимерным армирующим добавкам относится фиброволокна, произведенные из различных видов пластиков: полипропилена, нейлона, полиэфира, полиамида. Процесс их изготовления почти такой же, как и у стеклянных волокон. Применение такой фибры в бетоне оправдано, если необходимо снизить усадку смеси, ее расход или повысить износостойкость готового материала. Но рассчитывать на серьезное увеличение прочности бетонных конструкций, укрепленных такой добавкой, не стоит — у полимерных волокон низкий модуль упругости.

Плюсы полимерного фиброволокна:

• низкая плотность;
• стойкость к коррозии, в том числе и химической;
• большой выбор размеров волокон под разные задачи.

Минусы:

• низкая адгезия с вяжущими веществами – цемент плохо прилипает к полимерным материалам;
• необходимо тщательно перемешивать раствор, чтобы волокна распределились равномерно, – часто это замедляет работу.

Пластики чувствительны к высоким температурам — волокна могут плавиться и терять свою прочность.

Основная ниша применения полимерной микрофибры — производство наливных полов, обустройство стяжки под плитку и заливка площадок и дорожек на придомовой территории. Иногда эти волокна применяют для армирования стеновых блоков из легких бетонов.

Базальтовая фибра позволяет повысить прочность бетонных изделий в несколько раз, защитить их от образования трещин и сколов, улучшить теплостойкость и звукоизоляцию. Все это благотворно сказывается на эксплуатационных качествах бетона и бетонных конструкций, увеличивая срок их эксплуатации примерно в два-три раза.

Положительные свойства базальтовой фибры:

• доступная стоимость;
• стойкость к коррозии;
• огнестойкость.

К отрицательным сторонам применения базальтовой фибры можно отнести следующие:

• размер волокон базальта меньше, чем у стеклофибры, поэтому при работе с ней обязательно нужно использовать средства индивидуальной защиты органов дыхания и кожных покровов;
• необходимо применять химические добавки (замаслители), так как во время перемешивания эта присадка имеет свойство слипаться и комковаться.

Базальтовую фибру часто применяют в густых растворах и полусухих смесях. Поэтому она необходима при производстве стеновых блоков, надоконных перемычек или в качестве армирования для штукатурных смесей.

Углеродная фибра – относительно новый материал, который получают при плавлении и химической обработке вискозы, фенольных смол или пек (густых остатков перегонки) нефтехимического производства. Результатом становится волокно из практически чистого углерода. Оно обладает феноменальными свойствами: при небольшом весе модуль упругости углерода выше, чем у стали. Поэтому углеродная армирующая добавка повышает прочность бетона, не утяжеляя его. При наполнитель устойчив к химическим воздействиям.

К положительным свойствам присадок из углерода относятся:

• низкая плотность;
• устойчивость к воздействию высокой температуры;
• простота в работе.

Минусы материала:

• сложное производство, требующее большого количества ресурсов;
• высокая стоимость.

Высокая цена углеродного наполнителя не позволяет использовать ее в массовом строительстве. Поэтому ее применение ограничено производством бетонных конструкций специального назначения, высокопрочных инженерных сооружений небольших габаритов, требующих высоких прочностных характеристик бетона.

Природная фибра – пожалуй, наиболее традиционная технология армирования составов, несмотря на то, что понятие «фибробетон» появилось в строительстве совсем недавно. Издавна в растворы добавляли волокнистое вещество для повышения прочности и для борьбы с образованием трещин. В качестве сырья использовали природные материалы: солому, джут, хлопок, конопляные или кокосовые волокна.

Достоинства таких добавок:

• доступная цена;
• простота использования.

Недостатки такой технологии довольно очевидны:

• низкая прочность самого материала и растворов, получаемых с его помощью;
• недолговечность, так как природные волокна подвержены гниению.
  

В развитых странах природную фибру не применяют, поскольку она не позволяет обеспечить конструкции нужной прочности.

Сравнительные характеристики фибры для бетона

Чтобы понимать, какую выбрать фибру для бетона, можно воспользоваться таблицей сравнительных характеристик, в которой мы собрали актуальную информацию по основным видам армирующей добавки.

По этим характеристикам можно подобрать необходимую фибру, но нужно помнить:

• высокая плотность снижает теплоизоляционные свойства бетона и утяжеляет его, поэтому ячеистые материалы лучше армировать волокном с низкой плотностью;
• высокая прочность увеличивает трещиностойкость бетона;
• для увеличения прочности и долговечности конструкций в раствор лучше добавлять фибру с высоким модулем упругости.

Может ли фибра заменить арматуру?

Классическое армирование стальной арматурой и использование фибры имеет разное назначение. Арматура в железобетонных конструкциях играет роль прочного каркаса, который принимает всю нагрузку на растяжение и изгиб, тогда как бетон прекрасно работает на сжатие. Это позволяет создавать довольно габаритные изделия и изготавливать цельнолитые конструкции со сложной архитектурой: мостовые пролеты, несущие балки и арки зданий, фермы промышленных сооружений.

Фибра выступает в качестве добавки, повышающей прочность бетона. Оно защищает от образования трещин и продлевает жизнь бетонных конструкций. Но той прочности, что дает фибра в бетоне, недостаточно для производства ответственных изделий, подвергающихся высоким нагрузкам.

Вывод: практически любой вид фиброволокна позволит усилить бетонную конструкцию, но полностью заменить классическое армирование в сложных инженерных объектах не может.