Об эффективности применения конструкций из фибробетона в подземном строительстве. Опыт и перспективы

Русанов В.Е., Маслов П.С., Алексеев В.А. Об эффективности применения конструкций из фибробетона в подземном строительстве. Опыт и перспективы // Нанотехнологии в строительстве. 2024. Т. 16, № 3. С. 276–287. – EDN. FAEQWR.

Современное строительство постоянно совершенствуется, оптимизируются материалы и их свойства, используются более современные технологии, фундаментальный анализ позволяет применять более прогрессивные методы расчетов конструкций. Одним из векторов развития в совокупности с последними достижениями науки и техники является более широкое применение композиционных материалов, например, таких, как фибробетоны [0, 12, 13]. Подобные материалы представляют собой особый тип бетона, в объеме которого методом дисперсного армирования [4, 5] могут распределяться металлические или полимерные волокна разной геометрии и характеристик [6, 7], т.е. вся толща бетонной конструкции при строительстве будет пронизана волокнами, распо-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ лагающимися в разных направлениях и задающих особые свойства материала.

В настоящее время в фибробетонах применяется большое количество разных видов фибр, номенклатура которых постоянно расширяется, свойства уже известных фиброволокон оптимизируются [8]. К основным материалам для фибры, используемой в дисперсном армировании бетонов, относятся сталь, стекло, полимеры (акрил, арамид, нейлон, полипропилен и др.), керамика, асбест, углерод и даже природные волокна (дерево, кокосовый орех, бамбук и др.) [9].

Однако в конструкционных бетонах, которые воспринимают основную нагрузку в зданиях и сооружениях, используется чаще всего стальная фибра, хотя ведутся исследования по использованию полимерных фиброволокон с характеристиками, близкими к стальной [2, 8, 10]. Конструкционная фибра должна обладать повышенной прочностью к нагрузкам, не иметь усадочных деформаций и способствовать повышенной трещиностойкости и износостойкости.

С точки зрения свойств для бетонов наиболее распространенных классов B20–B40 фибробетон является эффективной заменой стандартному железобетону и позволяет добиваться требуемых физикомеханических свойств бетонных конструкций, при этом придавая ряд положительных свойств:

– исключение арматурных работ и снижение затрат на строительство;

– снижение усадки;

• – устойчивость к трещинообразованию;

  – высокую прочность на разрыв и растяжение, сравнимую с армированным железобетоном;

  – повышенный модуль упругости;

  – устойчивость к атмосферным воздействиям и химическим веществам;

  – высокую пластичность;

  – ударопрочность.

Особенно перспективно выглядит использование фибробетона в подземных конструкциях в качестве несущих элементов сборных и монолитных конструкций, набрызгбетонируемых оболочек.

Также следует отметить, что на свойства конечного материала – фибробетона – значительно влияют характеристики используемого вяжущего вещества и наполнителей. Авторами на базе кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов НИУ МГСУ проводились испытания по модификации вяжущего для фибробетонов наполнителями, имеющими самостоятельную гидравлическую активность и высокую степень дисперсности (микрочастицы подобранных минеральных компонентов с диаметрами частиц d95 = 6 и 9 мкм с содержанием наночастиц, имеющих средние диаметры менее 0,1 мкм до 10 и 5% соответ- ственно). Внедрение микро- и наночастиц с заданными гранулометрическими параметрами зерен позволяет заполнять межзерновое пространство гранул стандартной фракции портландцемента частицами с размерами, сравнимыми с объемом образованных пор, а также способствующих уплотнению капиллярных пор. При подборе состава композиционного вяжущего также должно учитываться максимальное заполнение межзернового пространства микронаполнителем в заданном объеме без его превышения с исключением эффекта расклинивания крупных частиц. Содержащиеся в наполнителе наночастицы, в свою очередь, заполняют самые мелкие поры и способствуют уплотнению структуры цементного теста на микроуровне. При введении в модифицированную бетонную смесь фибры происходит более плотное контактное расположение системы «фибра – цементный камень – зерна инертного заполнителя», способствующее более активному вовлечению работы фибры в работу бетонной конструкции при эксплуатации.

Однако на сегодняшний день отсутствуют однозначные нормативные документы, назначающие расходы материалов для получения ряда требуемых характеристик фибробетона, что особенно важно при сложной работе конструкций, как, например, в обделке подземных сооружений. Опыты подбора составов и некоторые экспериментальные данные не получили продолжения в виде законченного документа, позволяющего проектировать фибробетонные конструкции и назначать для него определенные расходы требуемых компонентов. Одной из целью планируемых научных изысканий является разработка нормативной базы для расчетов и типовых технологических карт с целью получения фибробетона, в частности, для применения в подземных конструкциях.

ООО «НИЦ «Тоннельной ассоциации» и НИЦ «Подземное строительство» НИУ МГСУ проводят научные изыскания по использованию фибробетонов в подземных конструкциях и имеют наработки по расчету и проектированию фибробетонных конструкций, подтвержденные опытом строительства и эксплуатации. Кроме того, следует отметить, что глобальный прогресс, постоянно развивающаяся промышленность, внедрение инноваций химической индустрии позволяют в будущем резко повысить эффективность таких технологий.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Тоннельные обделки, сооружаемые закрытым способом (кругового и сводчатого очертания) с позиций строительной механики, являются статически неопределимыми конструктивными системами, ра-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ботающими в подавляющем большинстве случаев в условиях внецентренного сжатия с преобладанием напряжений сжатия. В таких условиях прочностные и деформативные свойства фибробетонов (ФБ) реализуются наиболее эффективно благодаря их особым характеристикам.

Фибробетонные конструкции способны воспринимать нагрузку и сопротивляться деформированию после формирования в них трещин без хрупкого разрушения, при этом предел растяжимости ФБ (предельные относительные деформации растяжения) может превышать предел сжимаемости.

В настоящее время на территории РФ разработаны и действуют нормативные документы, позволяющие проектировать эффективные тоннельные конструкции из ФБ: СП 2971, СП 3602, СТО НОСТРОЙ 2.27.1253, а также нормативно-методические руководства, например, «Руководство по проектированию бетонных и железобетонных тоннельных обделок с использованием композитных материалов», утвержденное стройкомплексом города Москвы. Технические условия и требования к контролю качества тяжелых и мелкозернистых сталефибробетонов опубликованы в ГОСТ Р 595354. Своды правил СП 360 и СП 297 введены в Перечень документов в области стандартизации, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального Закона от 30 декабря 2009 г. N 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

При всех существующих возможностях применение фибробетонов для изготовления несущих конструкций транспортных, коммунальных тоннелей, а также других ответственных сооружений городской инфраструктуры в отечественной практике строительства фибробетон распространено слабо.

АНАЛИЗ ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ В РФ

Фибробетон в значительно большей степени применяется в европейских странах, где лидирующие позиции занимают Испания [11, 12, 113], Италия [114, 115, 116, 117], Португалия [118], Великобритания, Германия [119, 20, 21, 22], Норвегия, Швейцария. За пределами Европы фибробетон широко применяется Австралией [23, 24], Брази- лией, Перу, США [25, 26], Эквадором, Японией. С недавнего времени в Турции распространение получило применение фибробетона в креплении транспортных тоннелей методом торкретирования [27, 28].

Широкое применение обусловлено высоким уровнем научно-технического прогресса в этой теме, произошедшего за последние двадцать лет. Современный уровень техники позволяет получить значительные преимущества при использовании материала. Сопротивление поперечной силе в конструкции повышается до 57% в зависимости от различных параметров, ширина раскрытия трещин при этом уменьшается до 70% при отложенном формировании трещин в зоне действия поперечных сил [29].

По данным бюллетеня Международной Тоннельной Ассоциации за 2016 год [30, 31], с начала внедрения фибробетонов в транспортном тоннелестроении в 1982 году на метрополитене Италии до 2016 года только для щитового способа строительства тоннелей реализовано порядка 40 крупных объектов (см. табл. 1). Применялись конструкции обделок диаметрами от 4,8 до 14,3 м с армированием только стальной фиброй в 58% случаев, с комбинированным армированием «стальная фибра + стальная арматура» в 39% случаев. Один объект был реализован с применением армирования полимерной фиброй в сочетании со стальной арматурой.

Широкая практика применения фибробетонов инициирует также проведение научно-технического обоснования применения выбранных технических решений. В результате выполнения этих работ появляется возможность значительного сокращения затрат, уточнения расчетных методик. Например, при строительстве девятой линии метро в Барселоне принятое на основе расчетной методики fib Model Code 2010 [32] техническое решение (65 кг фибры на 1 м³ бетона), выглядевшее эффективным, по итогам научной работы [33] было уточнено со снижением количества фибрового армирования до 45 кг/м³.

Например, при строительстве Линии 9 метро в Барселоне, по итогам научной работы, основанной на расчетных методиках fib Model Code 2010 [32], удалось оптимизировать фибровое армирование блоков тоннельной обделки. Исходное техническое решение предполагало армирование блоков

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Таблица 1

Зарубежный опыт применения сборных СФБ обделок для транспортных тоннелей [30]

Проект Год Страна Назн. DH, м h, м Тип ФБ Metrosud 1982 Италия М 6.40 0.30 СФБ Heathrow Express 1994 Англия жд 6.14 0.22 СФБ Napoli metro 1995 Италия м 6.40 0.30 СФБ 2nd Heinenoord 1999 Нидерланды АД 8.30 0.35 СФБ Jubilee Line Extension 1999 Англия м 4.90 0.20 СФБ Essen 2001 Германия м 8.00 0.35 СФБ Oenzberg tunnel 2003 Швейцария жд 11.40 0.30 СФБ+С Oerrzberg-TBM 2003 Швейцария жд 12.20 0.40 СФБ+С Oenzberg-Shield 2003 Швейцария жд 12.20 0.40 СФБ Barcelona Metro Line 9 - Can Zam Stretch 2003 Испания м 11.60 0.35 СФБ Cliannel Tunnel Rail Link (CTRL) 2004 Англ. - Фр. ЖД 7.90 0.35 СФБ Heathr ow Express Extension (HexEx) 2005 Англия ЖД 6.14 0.22 СФБ Metropolitan Expressway Central Circular' Shinjuku Route tunnel 2005 Япония АД 11.80 0.45 СФБ+С Barcelona Metr o Line 9 - Stretch I 2006 Испания м 9.04 0.32 СФБ+С Lotschberg 2007 Швейцария жд 4.94 0.22 СФБ Beacon Hill Tumrels 2007 США АД 7.30 0.30 н/д Madrid Metro 2007 Испания м 9.00 0.30 СФБ+С Line 1 of the Valencia Metro 2007 Испания м 9.20 0.40 СФБ+С Heatlrrow - PiccEx 2008 Англия м 4.80 0.15 СФБ Heathrow Express Ext. Truurel to T5 2008 Англия жд 6.14 0.22 СФБ Sao Paulo Metro Line 4 2009 Бразилия м 9.10 0.35 СФБ Docklands Liglit Railway (DLR) Extension 2009 Англия жд 5.80 0.25 СФБ Malaga Rail Tunnel 2009 Испания жд 9.04 0.32 ПФБ+С The Clem Jones Tunnel - Clem 7 2010 Австралия АД 12.00 0.40 СФБ+С Extension of the FGC in Tenassa 2010 Испания ЖД 6.60 0.30 СФБ+С Keio lirre 2010 Япония ЖД 7.30 0.30 СФБ+С Metropolitan Expressway 2011 Япония АД 14.30 0.45 СФБ+С Airport Link 2012 Австралия АД 12.20 0.40 СФБ Sagami Line 2012 Япония АД 12.80 0.50 СФБ+С Koishikawa Kaserr 2013 Япония жд 7.30 0.30 СФБ+С The Wehrhalrn Line 2014 Германия м 8.90 0.30 СФБ San Francisco Central Subway 2014 США ЖД 5.96 0.28 СФБ+С Legacy Way 2015 Австралия АД 12.00 0.35 СФБ Metropolitan Expressway 2015 Япония АД 13.10 0.40 СФБ+С Doha Metr o Red North Lirre 2016 Катар М 6.77 0.30 СФБ Downtown Line 3 H.B. Сингапур м 6.36 0.28 СФБ Thomson Lirre H.B. Сингапур м 6.36 0.28 СФБ Crossrail H.B. Англия жд 6.80 0.30 СФБ Brenner Base Tunnel H.B. Ит. - Австрия АД 6.00 0.20 СФБ+С фиброй с дозировкой 65 кг/м3, предложенное оптимизированное решение – армирование фиброй с дозировкой 45 кг/м3.

Обширный опыт зарубежных коллег свидетельствует о технико-экономической эффективности фибробетонов, особенно в тоннелестроительной отрасли, которая достигается за счет:

сокращения трудозатрат на изготовление сборных обделок щитового способа работ и монолитных обделок горного способа работ;

повышения производительности (скорости производства при поточном методе) при производстве сборных блоков обделок для щитового способа работ и сокращения времени на изготов-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ление монолитных обделок при горном способе работ;

• •    снижение процента брака при производстве сборных блоков, а также их транспортировании и монтаже блокоукладчиком.

В отечественном тоннелестроении до настоящего времени нет прецедента применения фибробетонных обделок тоннелей на объектах транспортного и даже коммунального назначения.

Фибробетонные тоннельные конструкции применялись в рамках опытных участков метрополитена в Москве (фибронабрызгбетонная рубашка перегонного тоннеля и замковые блоки из фибробетона) и Санкт-Петербурге (3 кольца обделки) [34, 35, 36, 37], при этом на момент сооружения опытных участков использовалась стальная фибра, которая, по состоянию вопроса на сегодняшний день, не является рациональной для применения в несущих конструкциях, работающих в условиях напряженного состояния внецентренного сжатия.

В то же время примечательно, что первенство в применении ФБ принадлежит Российским инженерам [38]: Владимир Павлович Некрасов в начале 20 века (1907–1909) исследовал и запатентовал состав бетона, армированного отрезками проволоки (монография 1925 года «Метод косвенного вооружения бетона»).

Основными проблемами внедрения ФБ в подземном строительстве и, в частности, для сооружения тоннельных обделок различного назначения являются:

• •    отсутствие прецедентов использования ФБ конструкций на реальных объектах в условиях РФ, а наличие двух-трех опытных участков, выполненных в 90-е – 2000-е годы, не дает корректной информации о технико-экономической эффективности материала;

• •    слабая осведомленность проектных организаций и органов государственной экспертизы о возможностях, перспективах и условиях эффективного применения ФБ, а также отсутствие методологических наработок в части проектирования и расчета конструкций из ФБ;

• •    отсутствие оснащенности ЗЖБК (дозаторы, диспергаторы, специальные смесители), в том числе отсутствие специального оснащения для испытания фибробетонных образцов в лабораториях контроля качества;

• •    нет накопленной статистики по испытаниям ФБ образцов в условиях РФ для различных классов ФБ, не наработана практическая база конструкций обделок в увязке с классами ФБ;

• •    нет специализированных курсов (лекций) по ФБ конструкциям подземных сооружений и тоннелей в вузах.

В настоящее время обобщенно конструкционные фибробетоны можно классифицировать:

• •    по типу бетона-матрицы – из бетона нормальной прочности (до В60); высокопрочного бетона – ВПБ (В60-В100[150]); сверхвысокопрочного бетона – СВПБ (выше В150);

• •    по типу применяемой фибры – из стальной (проволочной с отгибами R > 1200 МПа); полимерной (прямой R > 800 МПа); комбинации микрофибры и конструкционной фибры;

• •    по типу армирования в конструкции – фибра одного типа; комбинация фибры одного типа и стержневого армирования без преднапряжения; фибра двух типов (гибрид) и стержневого армирования без преднапряжения; фибра двух типов (гибрид) и преднапряженная арматура;

• •    по характеру работы с трещинами – с разупрочнением (обычный ФБ); с упрочнением (большое содержание фибры как в ФБ нормальной прочности, так и в ВПБ или СВПБ).

В связи с особенностями характера работы, нормирование фибробетонов по физико-механическим характеристикам осуществляется двумя классами – классом бетона (бетона-матрицы) по прочности на сжатие B и классом фибробетона по остаточной прочности на растяжение BF.

Класс фибробетона по остаточной прочности на растяжение BF определяется по испытаниям образцов-призм сечением 150×150 мм длиной 550…600 мм с надрезом по центру (см. рис. 1) или без надреза либо круглых плит диаметром 800 мм, толщиной 75 мм [39]. В ходе испытаний фиксируются прикладываемая нагрузка и ширина раскрытия надреза (в случае образца-призмы с надрезом) либо прогиб образца по центру (в случае образца-призмы без надреза и круглой плиты).

Особенностью проведения испытаний является использование специального сервогидравлического оборудования для нагружения и контроля за деформациями образцов, обладающего практически мгновенным откликом на изменение жесткости образца вследствие процессов формирования микро- и макротрещин, что позволяет зафиксировать на графиках «Нагрузка – Деформация» нисходящие участки (стадию разупрочнения).

На схеме (рис. 2) приведены результаты испытаний образцов-призм с надрезом, при этом шкала сосредоточенной нагрузки F заменена шкалой нормальных напряжений в центральном сечении образца σN, шкала CMOD (Crack Mouth Opening Displacement) обозначает линейные деформации нижней кромки надреза образца (моделирование роста трещины). Прочность, соответствующая малой области деформаций (вторая группа предельных состояний), при CMOD1 = 0,5 мм обозначается на схеме как fR1. Проч-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 1. Пример схемы испытания образца-призмы с надрезом для определения класса фибробетона по остаточной прочности на растяжение B _F

Рис. 2. Схема определения класса фибробетона по остаточной прочности на растяжение B _F на основе результатов испытания образцов-призм с надрезом

ность, соответствующая предельным деформациям (первая группа предельных состояний), при CMOD3 = 2,5 мм обозначается на схеме как fR3. Для нормирования класса фибробетона по остаточной прочности на растяжение BF используются два показателя: fR1, который записывается в обозначении числом с округлением в меньшую сторону до ближайшего нормиру- емого класса; соотношение fR3/ fR1 с ранжированием по диапазонам и обозначением латинскими буквами:

a – при 0,5 ≤ fR3/ fR1 < 0,7;

b – при 0,7 ≤ fR3/ fR1 < 0,9;

c – при 0,9 ≤ fR3/ fR1 < 1,1;

d – при 1,1 ≤ fR3/ fR1 < 1,3;

e – при 1,3 ≤ fR3/ fR1.

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Например, на схеме рис. 2 для обозначенных точек fR1 и fR3 класс фибробетона по остаточной прочности на растяжение должен быть записан как BF2,0b (с учетом статистической обработки результатов испытаний для fR1 и fR3).

Необходимо отметить, что в СП 297, СП 360 при принятой авторами СП концепции европейских нормативных документов в части классификации фибробетонов допущена опечатка в буквенном обозначении диапазонов соотношений fR3/ fR1.

Таким образом, полное обозначение класса фибробетона (без указания марок по водонепроницаемости и морозостойкости) выглядит, например, как:

СФБ B40 B _F 3,0b – сталефибробетон на основе бетона B40 с классом фибробетона по остаточной прочности на растяжение B _F 3,0b;

Рис. 3. Пример диаграммы напряженно-деформированного состояния фибробетона

(СТО НОСТРОЙ 2.27.125-2013)

ПФБ B40 B _F 3,0b – фибробетон на основе бетона B40 и полимерной фибры, с классом фибробетона по остаточной прочности на растяжение B _F 3,0b.

Преимуществом такой классификации фибробетона являются четко обозначенные физико-механические характеристики фибробетона (до его изготовления) для определенного класса, который может быть подобран при проектировании и расчете фибробетонной конструкции. Проектировщики в данном случае освобождаются от необходимости принятия решения о том, какой тип и дозировка фибры потребуется для достижения подобранного расчетами класса фибробетона, аналогично ситуации, когда проектировщики не задаются вопросом, какой щебень и песок необходимо использовать при производстве, чтобы получить бетон того или иного класса.

Каждому классу фибробетона по остаточной прочности на растяжение BF будет соответствовать диаграмма состояния (диаграмма деформирования материала) (см. рис. 3, 4), которая может быть построена по нормированным прочностным и дефор-мативным показателям (табл. 2).

Таким образом, при наработке статистической базы испытаний фибробетонных образцов (в условиях РФ) у производителей ФБ конструкций возникнет понимание, какая фибра и какое ее количество требуется для обеспечения того или иного класса фибробетона.

В мировой практике использования фибробетонов в тоннелестроении и других областях строительства активно развиваются следующие направления:

• •    производство облегченных конструкций тоннельных обделок (уменьшение толщины обделки) [40];

• •    сокращение или исключение стержневого армирования для сборных и монолитных обделок (значительное уменьшение или полное исключение основного продольного армирования, попереч-

  

  Рис. 4. Пример диаграмм напряженно-деформированного состояния фибробетона (СП 360.1325800.2017)

  
  

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Табл. 2

Значения нормативных сопротивлений (табл. 5.2.1. СТО НОСТРОЙ 2.27.125-2013)

В. «,5 1,1» 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 RfOS.n и Reiser 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 Rn.t.n Н Rns^cr a 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2.75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 b 0,35 0,70 1,05 1,40 1,75 2,10 2,45 2,80 3,15 3,50 3,85 4,20 4,55 4,90 5,25 5,60 c 0,45 0,90 1,35 1,80 2,25 2,70 3,15 3,60 4,05 4,50 4,95 5,40 5,85 6,30 6,75 7,20 d 0,55 1,10 1,65 2,20 2,75 3,30 3,85 4,40 4,95 5,50 6,05 6,60 7,15 7,70 8,25 8,80 e 0,65 1,30 1,95 2,60 3,25 3,90 4,55 5,20 5,85 6,50 7,15 7,80 8,45 9,10 9,75 10,40 Rfo.s 0,33 0.67 1,00 1,33 1,67 2,00 2,33 2,67 3,00 3,33 3,67 4,00 4,33 4,67 5,00 5,33 Кпз a 0,17 0,33 0,50 0,67 0,83 1,00 1,17 1,33 1,50 1,67 1,83 2,00 2,17 2,33 2,50 2,67 b 0,23 0,47 0,70 0,93 M7 1,40 1,63 1,87 2,10 2,33 2,57 2,80 3,03 3,27 3,50 3,73 c 0,30 0.60 0,90 1,20 1,50 1,80 2,10 2,40 2,70 3,00 3,30 3,60 3,90 4,20 4,50 4,80 d 0,37 0,73 1,10 1,47 1,83 2,20 2,57 2,93 3,30 3,67 4,03 4,40 4,77 5,13 5,50 5,87 e 0,43 0,87 1,30 1,73 2,17 2,60 3,03 3,47 3,90 4,33 4,77 5,20 5,63 6,07 6,50 6,93 ного армирования, исключение конструктивного армирования) [41, 42];

• •    производство конструкций из высокопрочного и сверхвысокопрочного фибробетона (гибридного фибробетона с применением двух видов фибры – микрофибры и конструкционной фибры) [43, 44];

• •    производство конструкций, работающих на изгиб (балки, плиты больших пролетов) [42];

• •    исследования напряженного состояния элементов фибробетонных конструкций, работающих на кручение [45];

исследования и разработка эффективных анкерующих устройств для стальной проволочной фибры; разработка методов и способов ориентирования фибры в конструкциях с целью повышения эффективности армирования [46];

разработка новых и совершенствование существующих методов контроля качества ФБ конструкций;

совершенствование методов испытаний ФБ образцов с целью снижения процента выбраковки, снижения коэффициента вариации, повышения точности измерений [447].

Рис. 5. Опыт «оптимизации» армирования сборной обделки (Испания)

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

В качестве наглядных примеров реализации результатов исследований в транспортных тоннелях следует отметить опыт испанских [41] и итальянских [42] специалистов по «оптимизации» армирования сборных и монолитных обделок тоннелей (см. рис. 5, 6).

В случае, представленном на рис. 5, – сборная обделка перегонного тоннеля метрополитена в Испании. В базовом варианте традиционного армирования количество стержневого армирования составляло примерно 150 кг/м3. Инженерами было предложено решение применить фибробетон на основе бетона класса B45 и стальной проволочной фибры в количестве 45 кг/м3 в комбинации со стержневым армированием из неметаллической арматуры, устраиваемым локально – вдоль поперечных/кольцевых и продольных/радиальных граней блоков, для восприятия усилий от щитовых домкратов при проходке

(поперечные/кольцевые грани) и восприятии сжимающих напряжений, формирующихся в блоках от горного давления (продольные/радиальные грани). Предложенное техническое решение позволило исключить применение стальной арматуры с упрощением формы стержневых каркасов и за счет снижения финансовых затрат и трудовых ресурсов при изготовлении армокаркасов достичь экономии при производстве блоков до 12%.

В случае, представленном на рис. 6, – монолитная обделка автодорожного тоннеля в Турине (Италия). Базовый вариант предполагал традиционное армирование обделки отдельными стержнями, что является трудоемким процессом на стадии возведения монолитной обделки. После расчетного обоснования «оптимизированного» армирования было предложено решение по исключению стержневого армирования в своде и стенах тоннеля до зоны концентрации на-

Рис. 6. Опыт «оптимизации» армирования сборной обделки (Италия)

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ пряжений в углах сопряжения стен с обратным сводом, а также исключение стержневого армирования в средней трети обратного свода обделки.

Оставшееся стержневое армирование в зонах с концентрацией растягивающих напряжений предложено реализовать в виде плоских каркасов, которые возможно заготавливать на строительной площадке и доставлять на монтаж в тоннель на участок армирования с целью максимального сокращения трудозатрат и сроков производства работ.

Достигнутые результаты при реализации данного технического решения: 30% сокращение количества арматуры в целом (суммарно по массе стали – арматура + фибра); 75% сокращение стержневой арматуры; значительное упрощение армирования; исключение наиболее трудоемкого процесса армирования свода; сокращение сроков строительства тоннеля.

ВЫВОДЫ

В качестве основных выводов следует отметить: • в настоящее время в условиях Российской Федерации нет препятствий к проектированию и про- изводству ФБ конструкций тоннелей и подземных сооружений;

производители стальной фибры готовы обеспечить производство достаточным количеством фибры; внедрение фибробетонов в российских условиях сдерживается «страхом нового», малым опытом работы с ФБ, неналаженной технологией производства ФБ конструкций и контроля их качества; заводам ЖБК необходимо вложение средств на дооснащение специализированным оборудованием для производства ФБ конструкций – автоматические дозаторы, интегрируемые в технологический процесс;

лабораториям необходимо специальное испытательное оборудование с сервогидравликой для контроля качества;

при использовании фибробетонных конструкций ожидаемый эффект, в основном, связан с сокращением трудозатрат на изготовление арматурных изделий и достигает: 5…20% для сборных ФБ обделок щитового способа; 10…30% для монолитных ФБ обделок горного способа, а также фибро-набрызгбетонных крепей и первичных обделок.