ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И НАНЕСЕНИЯ НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ТОРКРЕТ-ФИБРОБЕТОНА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 699.8

Букенова Г.Ж.

магистрант 2-го курса специальности М124 Строительство Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилёва

(г. Астана, Казахстан)

ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И НАНЕСЕНИЯ НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ТОРКРЕТ-ФИБРОБЕТОНА

Аннотация: в данной статье рассматривается метод торкретирования с добавлением фиброволокон (торкрет-фибробетон) как эффективный способ восстановления и укрепления защитного слоя бетонных конструкций. Исследование направлено на анализ ключевых аспектов данной технологии, включая выбор и дозирование фиброволокон, особенности подготовки и нанесения смеси, а также влияние фиброволокон на эксплуатационные свойства бетона. Применение торкрет-фибробетона позволяет повысить прочность на сжатие, устойчивость к растяжению при изгибе и стойкость к агрессивным химическим воздействиям, что делает данный метод оптимальным решением для конструкций, подверженных динамическим и агрессивным воздействиям. Результаты исследования подтверждают эффективность торкрет-фибробетона в повышении долговечности и надежности строительных объектов.

Ключевые слова: торкрет-фибробетон, фиброволокна, восстановление бетонных конструкций, защитный слой бетона, агрессивные воздействия, прочность на сжатие, устойчивость к растяжению, адгезия, долговечность.

Современное строительство и реконструкция бетонных сооружений требуют эффективных технологий восстановления и укрепления защитных слоев, способных противостоять внешним воздействиям и продлить срок службы конструкций. Одним из таких методов является торкретирование — процесс нанесения бетонной смеси с высокой скоростью на поверхность. Торкретирование с добавлением фиброволокон (торкрет-фибробетон)

представляет собой перспективное направление, так как фибры, введенные в состав, обеспечивают дополнительное армирование, повышая прочность и устойчивость покрытия. Этот метод нашел широкое применение в сооружениях, подверженных динамическим и агрессивным воздействиям, таких как мосты, туннели, промышленные объекты. Данное исследование направлено на анализ ключевых факторов, определяющих эффективность применения торкрет-фибробетона, включая подготовку поверхности, состав смеси, особенности введения фиброволокон и их влияние на эксплуатационные характеристики бетона.

Для получения покрытий из торкрет-фибробетона в качестве армирующих компонентов рекомендуется использовать стальные фибры [1]. Если торкрет-фибробетон применяется для конструкций, подвергающихся воздействию высоких температур (например, при взрывах или пожарах), целесообразно добавлять в сухую смесь полипропиленовые волокна диаметром 30 мкм в количестве 1,8-2,5 кг/м3. Дозирование фибр следует проводить в одном технологическом цикле при приготовлении сухой смеси по регламенту, который предусматривает смешивание фибр с сухими компонентами (мелким и крупным заполнителем).

Сухие смеси должны производиться в стационарных условиях: на существующих бетонных заводах, специально оборудованных постах или с использованием передвижных установок. При производстве торкрет-бетонных составов с использованием стальных фибр необходимо предотвращать образование комков из-за сцепления фибр. Для этого следует уменьшать относительную длину фибр, размеры и содержание крупного заполнителя, а также соблюдать правила регламента, обеспечивая подвижность смеси [2].

Процесс введения стальных фибр в сухую смесь должен быть постепенным и непрерывным. Это можно реализовать с помощью следующих технологических вариантов [3]:

1. Бетоносмеситель принудительного действия: сначала в смеситель добавляют песок, затем фибры подаются через вибросито, установленное над

смесителем. После перемешивания смесь песка и фибр загружается в мешки или передвижной бетоносмеситель, куда затем добавляется цемент.

2. Смесительный агрегат и транспортер: процесс осуществляется в два

этапа:

- Приготовление сухой смеси мелкого и крупного заполнителя.

- Постепенная укладка смеси на транспортер с равномерным добавлением стальных фибр, после чего смесь транспортируется в бункер для последующей загрузки.

- Шнековый конвейер с дозатором фибр: такой вариант также подходит для равномерного введения фибр.

Для снижения отскока компонентов торкрет-фибробетона необходимо:

- увеличить содержание мелких частиц в смеси,

- уменьшить отношение крупного заполнителя к мелкому,

- повысить подвижность смеси при мокром методе торкретирования до уровня, при котором покрытие сохраняет свою прочность.

Для нанесения торкрет-фибробетонных покрытий необходимо использовать стандартные торкрет-установки с внесением корректировок для предотвращения закупоривания оборудования фибрами. Эти корректировки включают [4]:

- устранение коленчатых патрубков с изгибом 90 градусов,

- обеспечение подбора шлангов одного диаметра и создание плотных соединений для свободного прохождения смеси с фибрами,

- использование шлангов с внутренним диаметром не менее 50 мм. Диаметр шланга должен превышать длину фибры как минимум в 2 раза.

Рассмотрим простейшую модель столкновения торкретфибробетонной смеси с поверхностью нанесения. Основной принцип данной модели заключается в том, что каждый движущийся элемент потока торкретфибробетона оказывает энергетическое воздействие на обрабатываемую поверхность. Уровень этого воздействия определяется динамическими характеристиками, такими как скорость движения, масса и форма элемента.

При вылете из сопла торкрет-машины поток бетонной смеси со скоростью V0 распадается на отдельные частицы. Характерные элементы смеси включают крупные заполнители, покрытые слоем цементно-песчаного раствора. Пролетая расстояние L каждый элемент сталкивается с поверхностью нанесения. Из-за небольшой дистанции полета (80-120 см) и высокой начальной скорости предполагается, что в момент контакта элемент сохраняет свою начальную скорость.

Кинетическая энергия всех частиц, одновременно вылетающих из сопла и сталкивающихся с поверхностью, рассчитывается по следующей формуле [5]:

ЕК --2--(1)

Где т1 — и N - масса и количество элементов (зерен заполнителя) ьй фракции, одновременно прошедших через сопло.

В строительстве крупный заполнитель (щебень) делится на фракции, фракционирование осуществляется путем просеивания щебня через стандартные сита с ячейкой 3,5,10 и 15 мм. В технологии торкретирования максимальный диаметр такого заполнителя ограничен 15 мм [6]. Тогда

N. - ^ (2)

1 100% 4 '

где рi - содержание зерен той или иной фракции в общем объеме заполнителя (частный остаток на соответствующем сите), %, N - общее число зерен, одновременно прошедших через сопло.

ы - 5гот *100% (3)

где Scom - площадь выходного отверстия сопла, - площадь сечения зерна заполнителя ьй фракции. Так как принято, что заполнитель имеет шарообразную форму [7], то:

т, - ^ (4)

где di - средний диаметр зерен ьй фракции, р- плотность материала заполнителя. Энергия струи, приведенная к площади рабочей поверхности инструмента для очистки поверхности ^инст):

W = Ек * ^ (5)

■^соп

Пример. Диаметр выходного отверстия сопла торкретмашины - 50 мм.

Скорость вылета смеси - 70 m/c. Торкретфибробетонная смесь приготовлена на

заполнителе с плотностью материала 2600 кг/м3 и частными остатками на сите

P < 3 = 2%, P3 ... 5 = 10%, P5 ... 10 = 80%, P10 ... 15 = 8%. Для очистки

поверхности предполагается использование отбойного молотка Bosch GSH 5 СЕ

с размерами рабочей лопатки 0,5 х 3 cm.

Площадь выходного отверстия сопла:

3.14 * 52 2 Scon =-4-= 19.63 cm2

Площадь рабочей поверхности отбойного молотка:

5Инст =0.5 * 3 = 1.5 cm2 = 0.15 * 103 m2 Площадь сечения одного зерна заполнителя i-й фракции:

n*dl 3.14 * 0.32

51 = —-1 =---= 0.071 cm2

1 4 4

52 = 0.20 cm2

53 = 0.79 cm2

54 = 1.77 cm2

Общее количество зерен заполнителя, одновременно прошедших через

сопло:

Scon * 100% 19.63 * 100

N = -=-= 24 7 шт

Е4=! (SÍ * Vi) 0.071 * 2 + 0.2 * 10 + 0.79 * 80 + 1.77 * 8 .

Количество зерен заполнителя i-й фракции:

pt*N 2 * 24.7

N. = —-=-= 0.49ш T

1 100% 100

N2 = 2.47 шт N3 = 19.76ш T N4 = 1.98ш T

Масса зерен заполнителя фракций:

п * * р 3.14 * 0.33 * 2.6

т1 =-=---= 0.037г = 37 * 10-6 КГ

66

т2 = 170 * 10-6 kg т3 = 1360 * 10-6 kg т4 = 4590 * 10-6 kg

Приведенная энергия струи:

(37 * 10-6 * 0.49 + 170 * 10-6 * 2.47) * 702 1.5 Ш =---*

19.63

(1360 * 10-6 * 19.76 + 4590 * 10-6 * 1.98) * 702 1.5 + 2 * 19.63

= 6.8 Дж

Таким образом, принятый отбойный молоток Bosch GSH 5 CE c регулируемой энергией удара от 2 до 9 Дж подходит, но его использование возможно при энергии удара не ниже 6,8 Дж.

В ходе третьего раздела исследования была детально рассмотрена технология торкретирования как наиболее эффективный метод восстановления защитного слоя бетона. Применение торкретирования позволяет не только восстановить утраченные свойства бетона, но и значительно повысить его долговечность и устойчивость к внешним воздействиям. Рассмотрим основные выводы и обоснования, сделанные на основании проведенного анализа.

Прежде всего, одним из ключевых аспектов, определяющих эффективность торкретирования, является подготовка поверхности для нанесения материала. В исследовании был проведен сравнительный анализ методов подготовки поверхности перед торкретированием, так как от качественной подготовки зависит адгезия торкретфибробетонной смеси к основанию. Среди методов подготовки выделены механические и химические способы очистки и обработки, которые обеспечивают оптимальные условия для закрепления нового слоя бетона. Использование механических методов подготовки, таких как очистка поверхности с помощью водяной струи высокого давления или абразивной обработки, позволяет удалить загрязнения и слабые участки поверхности, что существенно улучшает сцепление между основой и

торкретфибробетонной смесью. Химическая подготовка также может быть использована в отдельных случаях для усиления адгезии, особенно при наличии агрессивных веществ на поверхности.

Кроме того, было подробно проанализировано влияние фиброволокон на свойства бетона, используемого при торкретировании. Добавление фиброволокон в торкретфибробетонную смесь значительно усиливает конструкцию, что положительно сказывается на ряде характеристик восстановленного покрытия. Прежде всего, фиброволокна способствуют увеличению прочности бетона на сжатие, что является одним из ключевых показателей, особенно в условиях нагрузок. Экспериментальные данные показывают, что введение фиброволокон позволяет бетону выдерживать более высокие нагрузки без разрушения, благодаря чему достигается значительное повышение долговечности конструкций.

На Рис. 1. представлена зависимость прочности покрытия от содержания фиброволокон. Видно, что с увеличением количества фиброволокон прочность покрытия возрастает, достигая оптимальных значений при содержании фиброволокон около 2-2,5 кг/м3. После этого точка насыщения материала приводит к замедлению прироста прочности. Такой результат подтверждает целесообразность добавления фиброволокон, но указывает на необходимость соблюдения оптимальных дозировок.

Зависимость прочности покрытия от содержания фиброволокон

36

га 34

1=

о;

| 32

Л

а.

*

о

£ зо

и

О

т

г

о

26

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Содержание фиброволокон в смеси (кгУм!)

Рис. 1. Зависимость прочности покрытия от содержания фиброволокон.

Также было отмечено, что присутствие фиброволокон улучшает устойчивость бетона к растяжению при изгибе, что критически важно в условиях, когда поверхность подвергается деформациям или вибрациям. Этот аспект особенно актуален для сооружений, которые испытывают динамические нагрузки, такие как мосты, тоннели или подвесные конструкции. Добавление фиброволокон в таких случаях снижает риск возникновения трещин, что способствует повышению общей устойчивости конструкций и снижению затрат на последующее техническое обслуживание.

Особое внимание было уделено устойчивости бетона к агрессивным средам, так как одна из основных причин разрушения защитного слоя заключается именно в воздействии химически активных веществ, например, солей, кислот или щелочей. В результате анализа установлено, что фиброволокна, входящие в состав торкретфибробетона, значительно увеличивают его стойкость к таким средам. Это обусловлено тем, что волокна создают своеобразный барьер, уменьшающий скорость проникновения агрессивных веществ в структуру бетона. Как следствие, торкретированный слой

бетона лучше сохраняет свои свойства и обеспечивает защиту конструкции в условиях воздействия неблагоприятных факторов.

Таким образом, проведенный анализ подтверждает, что торкретирование с добавлением фиброволокон является эффективным методом восстановления защитного слоя бетона. Этот метод не только увеличивает прочность и долговечность покрытий, но и обеспечивает их высокую устойчивость к различным видам нагрузки и агрессивным воздействиям. В связи с этим рекомендуется широкое применение торкретфибробетона в строительстве и реконструкции объектов, требующих повышенной устойчивости к износу и воздействиям внешней среды.

Торкретирование с добавлением фиброволокон является эффективным методом восстановления защитного слоя бетона:

1. Повышение прочности на сжатие. Добавление фиброволокон способствует значительному увеличению прочности бетона на сжатие, что особенно важно для защитного слоя, так как именно он принимает на себя первичное давление и механическое воздействие. Фиброволокна обеспечивают равномерное распределение напряжений в материале, снижая вероятность локального разрушения и увеличивая устойчивость к высоким нагрузкам.

2. Улучшение стойкости к растяжению при изгибе. Фиброволокна создают дополнительную армирующую структуру в бетоне, что усиливает его способность противостоять растягивающим нагрузкам, особенно в условиях изгиба. Это качество необходимо для поверхностей, подверженных вибрационным или динамическим нагрузкам, таких как мосты и туннели, где риск возникновения трещин высок.

3. Повышенная устойчивость к агрессивным средам. Фиброволокна значительно увеличивают стойкость бетона к воздействию агрессивных химических веществ, таких как соли, кислоты и щелочи. Это свойство особенно актуально для конструкций, расположенных в условиях с высокой концентрацией агрессивных сред, например, в промышленных и морских зонах.

Фиброволокна создают барьер, замедляющий проникновение агрессивных веществ в структуру бетона, что повышает срок службы защитного слоя.

4. Устойчивость к образованию трещин. За счет распределения фиброволокон в объеме бетона снижается вероятность образования трещин, так как они препятствуют распространению микротрещин в структуре материала. Это обеспечивает более однородное и долговечное покрытие, что особенно важно для защитного слоя, подверженного резким изменениям температуры и давления.

5. Повышение адгезии к поверхности нанесения. При торкретировании фиброволокна в составе смеси обеспечивают лучшее сцепление с поверхностью, что улучшает адгезию торкретфибробетонного слоя к основанию. Это свойство критично для создания прочного и надежного покрытия, особенно на старых или поврежденных бетонных поверхностях.

6. Снижение усадки. Фиброволокна помогают снизить усадочные деформации бетона, что уменьшает риск отслоения и растрескивания нового слоя при высыхании. Благодаря этому удается добиться более долговечного и стабильного защитного покрытия, что важно для конструкций, испытывающих переменные нагрузки и температурные колебания.

7. Увеличение общей долговечности конструкций. Торкретирование с фиброволокнами обеспечивает защиту конструкций от воздействия внешней среды и повышает их срок эксплуатации. Этот метод позволяет не только восстановить защитный слой, но и улучшить его характеристики, обеспечивая более длительную защиту бетонных конструкций без необходимости частого ремонта.

Каждый из этих факторов вносит вклад в повышение общей эффективности и долговечности торкретфибробетонного покрытия, что делает данный метод предпочтительным для восстановления защитного слоя бетона в различных строительных проектах.

Заключение.

В ходе исследования было установлено, что торкретирование с добавлением фиброволокон является надежным и эффективным методом восстановления защитного слоя бетона, который улучшает его механические свойства и стойкость к агрессивным воздействиям. Применение фиброволокон способствует повышению прочности на сжатие, устойчивости к растяжению при изгибе, снижению риска образования трещин и улучшению адгезии покрытия к основанию. Эти факторы делают торкрет-фибробетон предпочтительным выбором для применения в условиях, где конструкции подвергаются значительным нагрузкам и агрессивным средам. Данные результаты подтверждают целесообразность широкого внедрения торкрет-фибробетона в строительной практике, особенно для объектов, требующих повышенной долговечности и надежности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Саусь А.А., Панченко В.В., Оплачко В.В. Торкретирование бетона в современном строительстве. Разновидности, преимущества, сфера применения // Достижения науки и образования. — 2019. — № 1 (31). — С. 45-48. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/torkretirovanie-betona-v-sovremennom-stroitelstve-raznovidnosti-preimuschestva-sfera-primeneniya;

2. Голова Т.А., Жуков А.Д. Технология торкретирования как основа формирования монолитных конструкций // Современные научные исследования и инновации. — 2019. — № 8 (88). — С. 123-127. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tehnologiya-torkretirovaniya-kak-osnova-formirovaniya-monolitnyh-konstruktsiy;

3. Торкретирование бетона: технология, преимущества и применение // Строительство.Эксперт. — 2018. — URL: https://stroitelstvo.expert/torkretirovanie-betona/;

4. Торкретирование бетона: что это такое, как сделать напыление, состав // Мир Бетона. — 2017. — URL: https://w.xn--e1aggfyi9a.xn--p1ai/articles/materialy-i-tehnologii-v-stroitelstve/torkretirovanie-betona-tehnologiya-vypolneniya-osobennosti-mokrogo-i-suhogo-metoda;

5. Торкретирование бетона - технология и способ нанесения // Строительный портал. —

2018. — URL: https://w.xn--e1aggfyi9a.xn--p1ai/articles/materialy-i-tehnologii-v-stroitelstve/torkretirovanie-betona-tehnologiya-vypolneniya-osobennosti-mokrogo-i-suhogo-metoda;

6. Торкретирование бетона: технология, преимущества и применение // Мир Стройки. —

2019. — URL: https://mirstrojka.ru/torkretirovanie-betona-sovremennye-metody-ukrepleniya-stroitelnyx-konstrukcij /;

7. Торкретирование - методы и способы, ГОСТы, составы торкрет бетона // Новый Строитель. — 2023. — URL: https://nbuilder.ru/stati/chto-takoe-torkretirovanie/

Bukenova G.J.

L.N. Gumilyov Eurasian National University (Astana, Kazakhstan)

TECHNOLOGY OF PREPARATION AND APPLICATION OF SHOTCRETE FIBER CONCRETE TO TREATED SURFACE

Abstract: this article discusses the method of shotcrete with the addition of fiber fibers (shotcrete-fibroconcrete) as an effective way to restore and strengthen the protective layer of concrete structures. The research is aimed at analyzing key aspects of this technology, including the selection and dosing of fiber fibers, the features of preparation and application of the mixture, as well as the effect of fiber fibers on the performance properties of concrete. The use of shotcrete fiber concrete makes it possible to increase compressive strength, tensile strength during bending and resistance to aggressive chemical influences, which makes this method the optimal solution for structures subject to dynamic and aggressive influences. The results of the study confirm the effectiveness of shotcrete fiber concrete in increasing the durability and reliability of construction facilities.

Keywords: shotcrete-fibroblast, fibroblasts, restoration of concrete structures, protective layer of concrete, aggressive effects, compressive strength, tensile strength, adhesion, durability.