Они позволяют увеличить расстояние между швами и уменьшить скручивание. Но будет ли покрытие волокнистым?

Макрополимерные волокна (MPF), также известные как высокообъемные синтетические волокна (HVSF), использовались для изготовления различных плит, укладываемых на землю, которые обеспечивали прекрасные эксплуатационные характеристики для самых различных применений. Тем не менее, существует множество мифов и заблуждений относительно того, что они способны или не способны обеспечить. Целью настоящей статьи является попытка разъяснения некоторых из таких заблуждений и описания некоторых плит из MPF, которые хорошо себя зарекомендовали в ходе эксплуатации на протяжении от четырех до восьми лет в самых различных условиях. Макрополимерные волокна обеспечивают прекрасные эксплуатационные характеристики также и для других применений, таких как стены, подвесные плиты и торкретбетон — но в данной работе мы, в основном, остановимся на плитах, укладываемых на землю.

MPF по сравнению с LVSF

Различные виды традиционного синтетического волокна (LVSF) предлагались на рынке в США еще с конца семидесятых годов, в то время как MPF реализовывались только с начала девяностых, и широко использовались на протяжении почти десяти лет. По определенным параметрам MPF отличается от LVSF, а какие-то параметры у них одни и те же. В целом, нет ничего особенного в тех пластмассах, из которых сделаны оба типа волокна; какие бы различия в области химических и механических свойств ни существовали, они не имеют существенного значения. Тем не менее, MPF длиннее и толще чем LVSF. Так, например, большинство марок LVSF имеет длину от 0.375 до 0.75 дюймов, а большинство MPF имеют в длину от 1.5 до 2.25 дюймов. Основным отличием между MPF и LVSF являются типичные для каждого их волокон диапазоны дозировки. Геометрия и прочие свойства MPF, в сочетании с улучшениями в соотношении пропорций бетонной смеси и добавок, позволили использовать более высокие дозировки, чем для LVSF. Типичным диапазоном дозировки для LVSF является от 0.5 до 1.6 фунта на кубический ярд (рсу), в то время как дозировки MPF имеют обычно диапазон от 3.0 до 7.5 фунта на кубический ярд. Преимущества LVSF проявляются, в первую очередь, в первые 48 часов или около того, а преимущества MPF продолжают функционировать на протяжении всего срока эксплуатации плиты.

 
Подъездная дорога для грузовиков 122x10-футов, расширяющаяся до ширины 43 футов без всяких швов и только одной значительной трещиной после четырех лет эксплуатации. Фото: Алисия Симонелли

Работают ли они? И, если да, то как?

На ранних этапах использования LVSF, считалось, что можно будет получить еще больше существенных преимуществ, если можно будет добавить в смесь значительно большее количество волокна. Тем не менее, при получении более чем 3.0 фунтов на кубический ярд, возникали существенные проблемы со смешиванием обрабатываемостью и способностью воспринимать поверхностное покрытие. При 3.0 фунтах на кубический ярд наблюдалось некоторое улучшение отдельных эксплуатационных характеристик, но их, как правило, было недостаточно для того, чтобы оправдать увеличение затрат и трудностей. В настоящее время при хорошем соотношении ингредиентов в смеси и использовании удобных для потребителей волокон, можно получать до 7.5 фунта на кубический ярд для MPF и все же продолжать иметь хорошую смешиваемость, удобоукладываемость бетонной смеси, способность подвергаться обработке и воспринимать поверхностное покрытие. Кроме того, на протяжении нескольких лет сохранялось бесшовное размещение до 168 футов в длину без каких-либо видимых трещин или же существенного скручивания.

Увеличенное расстояние между швами, ограниченное образование видимых трещин и уменьшение скручивания могут иметь место за счет функционирования нескольких факторов, включая следующие: когда у плиты появляются тенденции к скручиванию с течением времени, возможно, образуются некоторые микротрещины, особенно в верхней части плиты, что несколько ослабляет напряжение в плите без каких-либо видимых трещин. Также волокна уменьшают расслоение пластмассовой бетонной смеси и выделение воды, которые до определенной степени имеют место во всех плитах. И, наконец, бетон в верхней части плиты с MPF в большей степени подобен тому, что находится в нижней части, чем это бывает в традиционной плите, и, таким образом, для скручивания этот фактор утрачивает свое значение.

Бетон очень прочный, когда он находится в сжатом состоянии, но очень слабый, когда он разрывается под напряжением. Хорошим основным правилом является правило, гласящее, что бетон при уплотнении примерно в десять раз прочнее, чем при простом растяжении. Таким образом, если Вы видите трещину в плите, уложенной на землю,  то она образовалась из-за того, что приложенная растягивающая нагрузка (от линейной усадки, ограничений, скручивания, нагрузок и т. д.) больше прочности на разрыв. После того, как происходит образование микро- или же макротрещин, MPF могут начинать принимать на себя напряжение разрыва, и удерживать трещины значительно лучше, чем это можно было бы делать без наличия волокна. Достаточное количество MPF волокна позволяет бетону обладать всеми нормальными преимуществами бетона без многих из его недостатков; и, наоборот, оно может позволить бетону приобретать некоторые преимущества асфальта без многих его недостатков.

Создание смеси и подбор дозирования замеса

Те же самые факторы, которые дают хорошую смесь для плит без MPF, дают и хорошую смесь для плит с MPF. Необходимо избегать составов смесей, которые имеют значительные количества заполнителей с прерывистым гранулометрическим составом. Следует использовать достаточное количество песка и цементирующих материалов в смесях для напольных покрытий для того, чтобы иметь плотную и отшлифованную поверхность, но не более того, что действительно необходимо, поскольку большее количество только усилит усадку и скручивание. Большинство смесей для напольных покрытий, которые производятся в Северной Америке, содержат избыток песка, таким образом, недостаток песка, как правило, не является проблемой.

При содержании MPF, превышающем примерно 4.0 фунта на кубический ярд, и, особенно, при 7.5 фунта на кубический ярд, следует подумать о том, чтобы использовать дозировки от низких до умеренных хорошей поликарбоксилатной добавки, снижающей водопотребность. Тем не менее, не пытайтесь уменьшить содержание воды; достаточное количество воды понадобится для смешивания и для более поздних операций по нанесению поверхностного покрытия. Одним из преимуществ MPF является то, что они очень снисходительны в том, что касается потенциала усадки, скручивания и растрескивания по мере того, как изменяется содержание воды и прочих компонентов.

Предрассудки относительно просадки не применимы при работе с MPF. При высоких концентрациях MPF в смесях с надлежащими соотношениями, результаты испытаний на просадку можно легко уменьшить на 2 – 3 дюйма по сравнению с использованием аналогичного бетона без MPF, но без соответствующего уменьшения обрабатываемости, способности воспринимать поверхностное покрытие и прокачиваемости. Причина этого в том, что длинные макрополимерные волокна не дают проседать бетону после того, как удаляется конус для определения подвижности бетонной смеси, но не в той же мере препятствуют проседанию при применении энергии (в виде вибрации, прокачивания и т. д.) к бетону. Для цементированного бетонного пола с жесткими допусками идеально окончательное проседание от 4½ до 5 дюймов, и здесь появится более сильное проседание при прикладывании энергии.

Решающее значение имеет последовательность дозирования замеса. Здесь необходимо строго следовать рекомендациям поставщика MPF. Было бы ошибкой осуществлять пластификацию бетона до высоких степеней (таких как более восьми дюймов для некоторых материалов) и затем вводить MPF. Результатом может стать плохое смешивание.

 
Сверху: напольное покрытие входа в сбытовую базу 66x46- футов толщиной 6 дюймов, без швов и с лишь одной ограниченной трещиной после четырех с половиной лет работы. Фото: Гордон Стэллингс. Внизу: Плита напольного покрытия склада 127x60- футов с толщиной 6 дюймов и без швов после более чем четырех лет эксплуатации. Фото: Джефф Ловетт

Некоторые соображения о прокачивании, укладке бетона и нанесении поверхностного покрытия

Смесь с правильными пропорциями, которая хорошо прокачивается без волокон, будет также хорошо прокачиваться при содержании макрополимерных волокон до 7.5 фунта на кубический ярд. Единственным существенным соображением, может быть то, что некоторые более длинные волокна могут быть более склонны скапливаться на типичной для насосов квадратной  решетке из стального профиля. Использование решеток с круглыми прутьями способно помешать этому, тем не менее. Необходимо следовать рекомендациями поставщика макрополимерного волокна и работать в тесном контакте с машинистом насоса и поставщиком насоса для того, чтобы решить эту потенциальную проблему.

У многих из этих проектов имеются отшлифованные стальной теркой покрытия, при которых видно очень мало волокон. У других применений имеется внешняя фактурная отделка щеткой, при которой также видно очень мало волокон. Для хорошо выглядящего покрытия с фактурной отделкой щеткой необходимо держать щетку чистой и непрерывно перемещать ее только в одном направлении; изменение направления движения щетки заставляет волокна стоять солдатиком, и их очень трудно потом заставить снова лечь на бок.

Для цементированных бетонных покрытий с затиркой имеются следующие соображения. Для начального заглаживания свежеуложенного бетона, используйте канальную терку с закругленными краями вместо стопорного прута. Если используется сухой состав для железнения бетонных поверхностей, все равно следует использовать широкую деревянную  гладилку с длинной ручкой. Если указано высокое значение FF, не стоит полагаться на  последующее срезание пузырей с помощью рихтовальной линейки для срезания излишней смеси. Вместо этого следует использовать грохоты с поддонами, по возможности, для получения нужных допусков; после завершения каналов под 90 градусов, очень существенно помогают диагональные каналы. При использовании механической терки поверхность может выглядеть сначала несколько волокнистой, но надо продолжать обработку механической теркой, и волокна исчезнут при правильно подобранном соотношении смеси. Следует как можно больше использовать силовое оборудование насколько это экономически возможно для сведения к минимуму ручного труда возле краев и углублений. Не используйте добавление воды по краям и возле углублений. В случаях, когда эстетические свойства особенно важны, рассмотрите вопрос об использовании небольшого количества  сухого состава для железнения бетонных поверхностей (того же цвета и оттенка, что и напольное покрытие) для применения по краям и возле отверстий, что поможет скрыть волокна и добиться соответствия соседним поверхностям напольного покрытия.

Некоторые соображения о затратах

Макрополимерное волокно увеличивает стоимость бетонной смеси, но следует также принимать во внимание и компенсацию затрат, особенно, затраты полного срока эксплуатации. Количество соединений можно уменьшить на 50% - 80%, или более. Соединения стоят дорого, и хорошие соединения (пиленые, с засыпкой, шпунтами и т. д.) еще дороже. При высоком содержании макрополимерных волокон можно наблюдать уменьшение ожидаемого скручивания от 1/3 до 2/3. Для некоторых конструкций следует принимать во внимание это более низкое напряжение скручивания, так что более тонкие плиты и более широкое расстояние между штифтами использовались для того, чтобы еще больше компенсировать дополнительную стоимость MPF. С учетом долговременных затрат полного срока эксплуатации плиты с макрополимерными волокнами стоят меньше, чем типичные соединенные швами плиты.
 

Некоторые прочие соображения

Значительное увеличение расстояния между швами может дать более широкие просветы, чем у плит без MPF со швами с типичными расстояниями от 10 до 15 футов. Таким образом, при наличии сильного движения колесных транспортных средств, необходимо иметь хорошую систему штырей—такую как система с пластинчатыми стыковыми штырями — при строительстве и компенсационные скользящие стыки, с правильным наполнением и материально-техническим обслуживанием. Поскольку крупные панели плит с макрополимерными волокнами будут несколько перемещаться, следует использовать хорошую плоскую основу с низким трением для того, чтобы свести к минимуму напряжение.

Описание некоторые примеров

При чтении следующих рассказов об отдельных примерах следует помнить рекомендации Американского Бетонного института (ACI). Для плит толщиной от 4 до 6 дюймов ACI рекомендует расстояние между швами от 8 до 15 футов для панелей квадратных плит, установленное на основе ряда факторов, таких как потенциал усадки бетона. Еще одной рекомендацией является то, что максимальное аспектное отношение плиты (отношение длины и ширины) должно быть 1.5:1 для того, чтобы свести к минимуму возможность образования поперечных трещин. Дополнительной проблемой является существенное падение температуры по сравнению с исходной температурой плиты в литом состоянии, что вызывает сокращение плиты, что, в свою очередь, сильно увеличивает вероятность образования трещин. У всех этих проектов содержание макрополимерного волокна 7.5 фунта на кубический ярд. Дополнительную информацию можно получить в “A Jointless, Crack-Free Walkway” by Cecil L. Bentley, Sr., Wayne W. Walker, and Jerry A. Holland (CONCRETE CONSTRUCTION, март 2007), где представлена дорожка длиной 69 футов с входящим углом, которая все еще не растрескалась после пяти лет эксплуатации при падении температуры на более чем 100° F.

 
Сверху: Одна из четырех экспериментальных напольных плит промышленного объекта 90x30 футов. После восьми лет эксплуатации только у треснувшей плиты самые короткие волокна с самой низкой дозировкой. Фото: Боб Грейс. Внизу: несвязанные четырехдюймовые верхние плиты катка для катания на роликах 168x84 фута без всяких швов или трещин после более чем четырех лет эксплуатации. Фото: Том Бэггетт

Подъездная дорожка для грузовика

Три автора проводили эксперимент по проектированию и созданию бесшовной четырехдюймовой подъездной дорожки для грузовиков и автомобилей у дома одного из авторов. В результате была получена плита длиной 122 фута, которая обычно имеет 10 футов в ширину (отношение 12:1) и расширяется до ширины в 43 фута ближе к одному из концов (см. первое фото). Конструкция смеси была разработана совместно с местным поставщиком бетона с использованием стандартного материала. Плита создавалась преимущественно вручную на жаре более 100° F. После четырех лет эксплуатации и падения температуры на 70 градусов существует только одна очень узкая трещина с одного конца из-за очень мягкой почвы заполнения и грузовиков, которые отталкиваются от не утолщенного края плиты.

Тротуар у входа на оптовую базу

Одним из проектов, который вызвал наибольшее количество проблем, была бесшовная заменяющая плита толщиной 6 дюймов у входа на оптовую базу, которая обслуживает почти 2,000,000 квадратных футов пространства для хранения товаров. Тракторы с прицепами идут по одному узкому пути при почти непрерывном движении. Исходное покрытие и последующие замены не выдержали, в первую очередь, из-за глубокой и очень мягкой почвы и постоянного и очень интенсивного движения. Из-за того большого значения, которое имеет этот вход на базу, необходимо было иметь новую плиту уже через семь дней. Можно осуществить только неглубокую и конусообразную замену мягкого грунта из-за потенциальной возможности подрыва фундамента находящихся по соседству караульного помещения и тротуара. Если бы толщина при проектировании была в соответствии с AASHTO, то потребовался бы тротуар толщиной 9 дюймов; но при включении макрополимерных волокон была выбрана плита толщиной 6 дюймов (различие в пределе прочности при изгибе, если бы бетон был тот же самый, даже больше чем кажется, поскольку это на самом деле различие между [9]2=81 и [6]2=36). В плите с размерами 66x46 футов образовалась одна узкая трещина без выходов после четырех с половиной лет эксплуатации.

Пол склада

Плита для пола склада L-образной формы толщиной 6 дюймов для обеспечения оживленного движения автопогрузчиков с подъемниками была установлена за две укладки по 127x60 футов и 115x85 футов без всяких компенсационных скользящих стыков. Создатели предсказывали, что плита расколется на шахте уравнительной площадки при более короткой укладке из-за того, способа, которым строилась шахта раньше. И это действительно произошло, и трещина удлинилась из-за неравномерной осадки ненадлежащим образом утрамбованного грунта заполнения под одной из половин плиты. После четырех лет эксплуатации, имеется только одна трещина, которая осталась узкой без дальнейшего растрескивания.

Пол промышленного объекта

Был проведен интересный эксперимент с плитой, которая выдерживает значительные нагрузки и интенсивное движение автопогрузчиков с подъемниками на промышленном предприятии. Четыре закладки плит 90x30 футов с толщиной 6 дюймов были отлиты относительно неквалифицированными рабочими. Переменными были дозировка волокна 3.75 фунта на кубический ярд по сравнению с 7.5 фунта на кубический ярд и длина волокна 1.5 дюйма по сравнению с 2.25 дюйма. Были запланированы пропиленные компенсационные стыки, но они не были завершены к тому времени, когда площадку посетили снова. Поэтому было принято решение не делать пропилов, и посмотреть, как далеко может зайти растрескивание. Через восемь лет эксплуатации единственная закладка, которая дала трещину, была та, которая была сделана с низкой дозировкой и меньшей длиной волокна. Имелась одна узкая трещина ближе к середине длины, но она не вызывает никаких проблем.

Каток для катания на роликах с не скрепленным покрытием

Владелец катка для катания на роликах был недоволен своим продолговатым напольным покрытием катка 168x84 футов из-за его швов, отказавшей системы полимерного покрытия, плохих эстетических свойств и прочих проблем. Решением оказалось создание не скрепленного покрытия толщиной четыре дюйма на двойном листе подложки из полиэтилена. После более чем четырех лет эксплуатации не имеется никаких видимых трещин, при этом и эстетические свойства, и степень плоскости удовлетворяют владельца катка.

Не скрепленное сверхпрочное покрытие для тяжелых условий работы в магазине розничных продаж

В магазине розничных продаж очень высокие нагрузки и интенсивное движение небольших тележек с твердыми колесиками, здесь требуется номинальное покрытие толщиной два дюйма, причем некоторые области имеют толщину всего 1½ дюйма по архитектурным причинам. Для таких высоких нагрузок ACI рекомендует минимальную толщину три дюйма. Тем не менее, основные плиты существенно различаются по возвышению и типу поверхности пола, существуют также экологические проблемы, связанные с их удалением. Поверхностное покрытие должно находиться на некотором возвышении, оно должно быть очень плоским и отшлифованным, а также эстетически привлекательным. Двойной лист подложки из полиэтилена не скреплен с поверхностным слоем, но существенное различие в возвышении все же накладывает существенные ограничения на усадку. Но после четырех лет эксплуатации имеются лишь несколько узких трещин, с которыми покрытие вполне приемлемо для эксплуатации. Здесь также интересно будет отметить, что аналогичное покрытие, но без макрополимерных волокон было установлено более года тому назад, и в течение последующих двух недель образовались значительные угловые трещины.

Заключение

Плиты с макрополимерными волокнами хорошо зарекомендовали себя в ходе восьмилетней эксплуатации, продемонстрировав небольшое скручивание и способность образовывать трещины, сводя к минимуму количество швов и материально-техническое обслуживание и оказавшись практичными в употреблении и рентабельными. Процедуры для структурного проектирования, проектирования состава смеси, приготовления замеса для плиты, ее закладки и нанесения поверхностного покрытия при создании хороших плит с макрополимерными волокнами практически те же самые, что и для типовых плит, но здесь рассматривался вопрос о том, как оптимизировать преимущества макрополимерного волокна. При их осознании и правильном применении макрополимерных волокон можно получить революционные последствия.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка цемента и газобетона можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок цемента в России» и «Рынок газобетона автоклавного и неавтоклавного способов твердения в России».

www.newchemistry.ru