Состав СВФБ для производства упоров был определен по результатам ранних исследований [1, 6], которые позволили оценить влияние компонентов бетона на реологические свойства свежеприготовленной бетонной смеси (удобоукладываемость и сегрегационная устойчивость), а также на физико-механические свойства (прочность на сжатие, растяжение при изгибе, осевое растяжение, начальный и динамические модули упругости, деформативность и морозостойкость).
Изготовление фибробетонных упоров производилось в два этапа. На первом этапе было заформовано 12 упоров объемом 0,18 м3 для усиления сборной железобетонной балки автодорожного путепровода на км 1002 автодороги М-4 «Дон». На втором этапе было заформовано 20 упоров объемом 0,32 м3 для усиления двух резервуаров-отстойников диаметром 50 м в г. Волжске Республики Марий Эл. Общий вид фибробетонных упоров представлен на рис. 1.
Из фибробетонных смесей на каждом этапе было изготовлено 6 образцов-кубов размером 100×100×100 мм для определения прочности при сжатии в возрасте 3, 7 и 28 суток, 4 образца-призмы размером 70×70×280 мм для определения прочности на растяжение при изгибе в возрасте 7 и 28 суток, а также 4 образца-галтели с размером рабочего сечения 70×70 мм для определения прочности на осевое растяжение в возрасте 7 и 28 суток. Общий вид заформованных образцов представлен на рис. 2.
Определение пределов прочности проводилось в соответствии с ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Все образцы до испытаний хранили в камере нормального твердения с температурно-влажностным режимом (t = 20±2 °С, W = 98%) в соответствии с ГОСТ 10180.
Удобоукладываемость фибробетонных смесей, определенная по расплыву нормального конуса (РК) в соответствии с ГОСТ 10181-2014 «Смеси бетонные. Методы испытаний», находилась в диапазоне 670-730 мм, что позволяет отнести их к категории самоуплотняющихся.
Средняя прочность на сжатие составила 152,3 МПа для упоров на первом этапе и 150,6 МПа для упоров на втором этапе работ. Средняя прочность на растяжение при изгибе составила 21,3 МПа для упоров на первом этапе и 20,6 МПа для упоров на втором этапе работ. Средняя прочность на осевое растяжение составила 8,46 МПа для упоров на первом этапе и 8,54 МПа для упоров на втором этапе работ.
Таблица 1. Физико-механические характеристики СВФБ для фибробетонных упоров на первом этапе работ
Таблица 2. Физико-механические характеристики СВФБ для фибробетонных упоров на втором этапе работ
Первым реализованным примером использования в России СВФБ для несущих мостовых конструкций можно считать усиление сборной железобетонной балки автодорожного путепровода на км 1002 автодороги М-4 «Дон».
На автодорожном путепроводе автодороги М-4 «Дон» по проекту АО «ИТП» (ГИП Марченко М.С.) предстояло усилить 44 автодорожные балки длиной 18 м. Усиление выполняли с помощью внешнего предварительно-напряженного армирования, принципы которого и возможности для автодорожного и железнодорожного мостового строительства известны инженерной общественности [2].
Для анкеровки концов напрягаемой арматуры усиления в 43 балках было предусмотрено распространенное техническое решение, основанное на использовании стальных сварных упоров (фото установленных упоров приведено на рис. 3).
Как видно из рис. 3, стальной упор является сложным составным изделием, для производства которого необходимо выполнить трудоемкие операции механической обработки и сварки.
Для одной балки (была выбрана наименее нагруженная крайняя балка в сечении) проектом было предусмотрено опытно-экспериментальное применение упоров из СВФБ в количестве 4 шт. на балку. Форма упора была выбрана наиболее простой из возможных, для акцентирования внимания на отсутствие сложных технологических операций по изго- товлению. Крепление к балке предусмотрено с двух сторон на высокопрочных шпильках с контролируемым усилием натяжения, т. е. накладные упоры работают на сдвиг за счет сил трения между стенкой балки и гранями упора (рис. 4).
Специалистами АО «ИТП» были выполнены расчеты упора из СВФБ в пространственной постановке с применением объемных конечных элементов. В связи с отсутствием национальных норм для материалов такого класса расчетные характеристики были взяты «в запас» как для бетона кубиковой прочностью на сжатие 140 МПа из швейцарских рекомендаций [3]. Принимая во внимание опытный характер мероприятия, работа упоров была ограниченна упругими деформациями.
По результатам расчета были обоснованы принятые геометрические характеристики упора, а также было принято решение об опирании обоймы анкера фирмы СТС непосредственно на упор, без опорной стальной плиты, что значительно снизило стоимость и сроки изготовления упора в дальнейшем.
Натурные испытания были выполнены на специальном стенде в лаборатории АО «ИТП» совместно со специалистами ООО «СТС», НИИЖБ им. А.А. Гвоздева и ООО «Предприятие Мастер Бетон» (рис. 5).
Вторым примером использования накладных упоров из СВФБ стали два резервуара-отстойника диаметром 50 м в г. Волжске Республики Марий Эл, которые были усилены в 2019 г. внешним предварительным напряжением системой ООО «СТС» по проекту АО «ИТП» (ГИП Марченко М.С.). Для анкеровки пучков в районах технологических проходок были установлены накладные упоры из СВФБ средней прочностью на сжатие не менее 150 МПа в количестве 20 штук на два резервуара.
Таким образом, получен успешный опыт использования СВФБ отечественного производства со средней прочностью на сжатие 150 МПа и выше, что при характерных для высокопрочных бетонов значениях коэффициента вариации (не более 10%) соответствует классам В125 и выше.
Однако трех объектов явно недостаточно для убеждения специалистов отрасли в перспективе рассматриваемого материала.
К примеру, по состоянию на 2018 г. в международной практике строительства уже было известно о более чем 20 объектах с использованием СВФБ с прочностью на 140 МПа и выше [4].
В АО «ИТП» были продолжены работы по различным вариантам применения СВФБ, в частности, разработан проект (автор Марченко М.С.) на пролетное строение длиной 33 м из СВФБ со средней прочностью на сжатие 140 МПа, которое имеет хорошие экономические показатели по сравнению с имеющимися проектами автодорожных балок [5]. В частности, по сравнению с наиболее распространённым в настоящее время техническим решением автодорожных пролетных строений для пролетов 33 м расход СВФБ (а значит, и собственный вес) будет в 1,7 раза меньше расхода сборного и монолитного бетона, расход арматуры станет в пять раз меньше, а расход высокопрочных прядей получится в два раза меньше, что в итоге приведет к общему снижению стоимости пролетных строений не менее чем на 20% по пессимистическому прогнозу.
При этом в числе самых главных достоинств нового материала – необходимо отметить его по- вышенные водонепроницаемость и морозостойкость, которые составляют не менее W20 и F21000 соответственно, что несомненно снизит эксплуатационные затраты и повысит экономическую целесообразность пролетных строений из СВФБ. Если же совсем отказаться от гидроизоляции, защитного слоя и нижнего слоя асфальтобетонного покрытия, заменив перечисленные слои на слой СВФБ толщиной 25-40 мм, то экономия будет гораздо более значительной.
