7. Армированный набрызгбетон

Необходимо отметить, что набрызгбетон, относящийся к жестким видам крепи, плохо работает на растяжение. Это приводит к его растрескиванию, особенно в зонах влияния очистных работ. Для устранения этого недостатка в отечественной и зарубежной практике ведутся работы по использованию при набрыгбетонировании металлических, стеклотканевых и полимерных добавок.

Особый интерес представляет бетон, армированный металлическими волокнами - фибро-бетон. Он получается путем дозированной подачи в сухую или мокрую исходную смесь отрезков тонкой проволоки. В технологии нанесения обычного и армированного бетона особого отличия не существует. Не наблюдается также и повышенного износа элементов машин. Несмотря на то, что стоимость армированного набрызгбетона выше стоимости обычного, экономия может быть достигнута за счет уменьшения толщины крепи.

Преимущество армированного набрызгбетона (фибробетона) заключается в его высоком сопротивлении деформациям при растяжении и динамических нагрузках, что позволяет существенно повысить сейсмостойкость крепи, ее сопротивляемость к ударным воздействиям и, в конечном итоге, уменьшить затраты на поддержание выработок.

Армированный набрызгбетон является многокомпонентным материалом, состоящим из цементно-песчаной смеси и содержащей металлические или другие типы волокон (фибр). Наличие фибр ограничивает появление трещин в композите, увеличивает его пластичность и стойкость к ударным нагрузкам. Для обеспечения полной передачи напряжений армирующему элементу модуль упругости композита должен быть значительно ниже модуля упругости волокна, что имеет место в системе «бетон-сталь». Связь на границе «волокно-бетон» зависит от сцепления волокна с цементно-песчаной смесью. При прочном сцеплении компонентов возникает более высокое сопротивление разрыву. При использовании армированного набрызгбетона на 50% повышается предел прочности на сжатие и на 30% предел прочности на растяжение.

Смеси для нанесения армированного набрызгбетона включают:

• высокопрочные цементы класса не ниже 400 с расходом 350-460 кг/м³;

• высококачественные заполнители с постоянным гранулометрическим составом при максимальной крупности зерен 12 мм;

• фибра до 10% от массы цемента.

Расход цемента для армированного набрызгбетона на 20% выше, чем при обычном набрызгбетоне. Необходимость повышенного расхода цемента определяется, исходя из необходимой прочности на сжатие и расхода фибр. Требования к заполнителям набрызгбетонной смеси (песку, щебню или гравию) определяются необходимостью получения более плотного и прочного конечного материала в конструкции крепи и снижения потерь материала в отскок.

Наибольшее распространение для армирования набрызгбетона получила металлическая фибра, которая обладает большой текучестью и высокой механической прочностью в момент разрыва. Металлические волокна вводятся в набрызгбетонную смесь в виде отрезков тонкой проволоки диаметром 0,4-0,8 мм и длиной 2-5 см Отрезки меньшего диаметра и большей длины непригодны, так как при их введении в смесь не обеспечивается качественное перемешивание.

При использовании фибро-бетона рекомендуется первый слой наносить без добавок. Второй слой наносится с металлической фиброй на еще несхватившийся первый слой. Концы проволок покрываются слоем бетона. При этом металлические добавки связывают между собой слои набрызгбетона. Использование фибр в бетоне повышает на 30-40% начальную и конечную прочность бетона на сжатие и растяжение, уменьшает образование усадочных трещин и увеличивает сейсмостойкость крепи. Как показывает практический опыт, армированный металлической фиброй набрызгбетон продолжает воспринимать нагрузку даже в условиях действия динамических нагрузок.

Однако стоимость металлических волокон, используемых для армирования набрызгбетона еще достаточно высока. В связи с этим, в качестве армирующих злементов применяются более дешевые материалы, например, стекловолокно, полимеры, асбест и другие природные и искусственные материалы. В табл. приведены средние значения основных физико-механических свойств различных типов волокон.

Таблица

Основные физико-механические свойства различных типов волокон

Вид волокон	Плотность, кг/м^3	Предел прочности на растяжение, МПа	Модуль упругости, МПа	Удлинение при разрыве,%
Стальное	7850	1200	2х10^5	3
Стеклянное	2480	2500	4,7х10^3	2
Полипропиленовое	900	600	5,5х10^3	15
Полиэтиленовое	950	700	2,5х10^3	10
Акриловое	1100	420	2,1х10^3	25
Визкозное	1500	760	8,7х10^3	17
Углеродное	2000	2000	2,4х10^5	1
Капроновое	1140	500	4,6х10^3	20
Хлопчатобумажное	1540	480	7,7х10^3	7

Сочетание анкерной крепи с фибро-бетоном успешно используется за рубежом при проведении работ на больших глубинах и, кроме того, является наиболее оптимальным видом крепления большепролетных подземных сооружений. При этом качественный контакт армированного набрызгбетона с массивом обеспечивает их совместную работу. Такая крепь является наиболее эффективной в зонах, опасных по горным ударам, обеспечивая надежную защиту выработки от разрушений. Использование такой комбинированной крепи позволяет увеличить производительность труда, снизить стоимость сооружения и повысить надежность его поддержания, что в свою очередь предоставляет возможность безопасных и экономичных условий ведения горных работ на более глубоких горизонтах.

При проходке транспортного тоннеля Berg Bock (Германия) сечением вчерне 80 м² применение армированными металлическими волокнами набрызгбетона позволило сократить время возведения крепи на 30%. Ежедневная потребность в набрызгбетоне изменялась от 150 до 200 м³. Состав смеси был следующим: цемент марки CEMI 45.R-380 кг/м³, зола; песок крупностью 0-2мм, гравий крупностью 2-8 мм, металлические волокна (Dramex). Прочность армированного набрызгбетона составила 47-50 Н/мм²

На строительстве транспортного туннеля Кумберланд в США для армирования набрызгбетона при нанесении его мокрым способом были применены металлические волокна длиной 38 мм. Один кубический метр армированного набрызгбетона стоил 210 долларов. Для крепления тоннеля армированным набрызгбетоном разработано новое полимерное волокно, повышающее его сопротивление динамической нагрузке, улучшающее сцепление бетона, снижающее отскок и потерю материала, позволяющее укладывать набрызгбетон более толстыми слоями за один проход и снижающее трещинообразование.