Композиционные материалы все больше приобретают популярность в строительной индустрии, их применяют от отделки зданий до использования в несущих строительных конструкциях. Проблемы расчета таких систем в настоящее время является актуальной и болезненной. Зарубежные ученые давно ведут исследования в этой области и добились определенных успехов. 
В нашей стране, к сожалению, нет специальной базы, на основе которой можно изучать современные композитные строительные конструкции. Только в 2014 году Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации разработала и выпустила свод правил проектирования усиления железобетонных конструкций композитными материалами (СП 164.1325800.2014). 
Однако нет нормативных документов, позволяющих комплексно спроектировать конструкцию состоящей из композиционных материалов которые позволили бы учесть различные факторы, влияющие на работу композитной части конструкции. 

2. Прочность фибробетона, как композита армированного дискретными волокнами

Анализ напряженно – деформированного состояния фибробетонной колонны высотой l ,площадью квадратного поперечного сечения со стороной а и загруженной сосредоточенной силой F вдоль продольной оси колонны (рис.1) произведем по математической модели Аутуотера [1]. В этой модели предполагается, что окружающая волокно матрица при затвердевании сжимается, что приводит к появлению на поверхности матрицы и волокна сжимающих напряжений.

Для упрощения выводов примем, что волокна фибры расположены параллельно оси колонны, хотя в реальности волокна фибры могут быть расположены в хаотичном порядке. Выделим из колонны элементарный параллелепипед на расстоянииy от основания со сторонами dx, dy и dz (рис.2.)

Рисунок 1 – Колонна из фибробетона                                            Рисунок 2 – Действие сжимающих напряжений на волокно со стороны матрицы при ее затвердевании

При действии нагрузки F в направлении волокна на поверхности раздела возникают силы трения, которые обуславливают появление в волокне напряжения . Зная коэффициент трения и предел текучести матрицы можно рассчитать напряжение :

, (1)

где – предел текучести матрицы; – радиус волокна; t – толщина матричного слоя; – коэффициент трения матрицы.

Однако у бетона нет ярко выраженного предела текучести, тогда на основе трёхлинейной диаграммы сжатого бетона [2] (рис.3) в формуле (1) заменим  на сопротивление бетона к осевому сжатию R_b.n, имеем:

Тогда среднее значение напряжения сжатия  волокон в продольном направлении :

, (2)

Решив интеграл (2) получим:

, (3)

где  – длина волокна; – длина колонны.

Напряжение в колонне можно представить в виде:

, (4)

где – напряжение, возникающее в матрице (бетоне); – минимальное объемное содержание волокна при котором одновременно происходит разрушение матрицы (бетона) и волокна (полипропиленовая усиленная фибра);  – предельная деформация волокна.

Так как:

, (5)

где – предел прочности матрицы; – предел прочности волокна.

, (6)

где N – продольное усилие, возникающее в колонне от действия нагрузки; A – площадь поперечного сечения колонны.

Подставляя формулы (3), (5) и (6) в формулу (4) получим:

Тогда условие прочности колонны из фибробетона при осевом сжатии примет вид:

,(7)

где X – расчетное сопротивление всего композита (колонны), рассчитываемого по формуле (8).

,(8)

где – объемное содержание волокна в композите;  и модули упругости 1–го рода матрицы и волокна соответственно.

С помощью условия прочности (7) полученное на основе модели Аутуотера[1], можно приближенно решать три задачи строительной механики: проверка несущей способности, проверка заданного сечения и проектирование сечений композиционных материалов армированных дискретными волокнами.

Формула (7) не учитывает возникновение концентрации напряжений возникающих на концах волокон причиной, которой является ограниченная деформация матрицы и высокая жесткость волокон, а так как в действительности волокна расположены не строго параллельно продольной оси матрицы, то волокна претерпевают изгиб и сдвиговые деформации, что тоже не учтено в формуле (7).

Проблема расчета строительных несущих композиционных материалов изучается кафедрой “Строительные конструкции” ИрНИТУ. Которая совсем недавно получила оборудование для проведений испытаний.

Композиционные материалы – это очень сложная неоднородная и анизотропная система, требующая достаточного изучения для безопасного и экономичного проектирования строительных конструкций выполненных из них.

В наших технических вузах не созданы в необходимом объеме лаборатории, которые бы позволили исследовать композиты, недостаточно специалистов обладающих знаниями и опытом по данной тематике.

Плохо изучено поведение строительных композитов на изгиб, кручение, сдвиг, сложное сопротивление, а также на термическое, химическое и радиоактивное воздействие. В силу этого необходимо создавать базовые кафедры композиционных материалов, готовить специалистов, расширять сотрудничество с зарубежными учеными которые накопили большой багаж знаний в этой области.

Решив данные проблемы, строительная индустрия перейдет в новую эпоху, в которой возможно будет реализовывать любые задумки архитекторов и конструкторов, удовлетворять потребности общества в качественном, безопасном и дешевом жилье.

Последнее десятилетие для армирования цементных композитов созданы специальные полимерные фибры, использование которых снимает ряд отмеченных проблем. В США и Японии налажен много тоннажный промышленный выпуск различных марок таких фибр (в частности Американским институтом бетона) и сертифицированы свойства фибробетона и изделий из него. Разработана техническая документация и накоплен опыт использования полимерных фибр при выполнении работ на различных строительных объектах.

Наполненные фиброй (0.1-1% по массе) бетонные смеси, приготовленные в обычных как правило мобильных, бетоносмесителях и имеющие подвижность около 8 см, используются при строительстве  специальных полов ( атомная электростанция в Италии, парковочные рампы самолетов в Великобритании, контейнерный терминал в Норвегии, покрытия в многоэтажных паркингах в США и др.), покрытий автодорог (США, Индонезия и др.), резервуаров (в том числе для воды в Канаде), ирригационных сооружений ( Объединенные арабские эмираты) и т. п.

Наполненные фиброй (0.1-0.2 %) «сухие» смеси укладываются методом распыления ( близким к торкретированию ) при создании стен каналов ( штат Аризона США ) и тоннелей ( штат Нью-Джерси США), при восстановлении элементов сооружений, разрушаемых коррозией (усилие несущих конструкций портовых сооружений в Малайзии), при строительстве плавательных и декоративных бассейнов (США, Австралия ) и т. п.

Существует опыт эффективного использования армированных полимерной фиброй цементных композитов при работах на элитных общественных зданиях (здания Художественного музея, Музея космоса и Оперы в Гонг-Конге, парламента в Малайзии, многоэтажные офисы в США, дворцовые здания в Саудовской Аравии и т. п.

По информации, полученной на международных симпозиумах по композитам с хрупкими матрицами ВМС – 4 и ВМС – 5, характеристики специальных полимерных фибр находятся в следующих пределах:

- диаметр от 12-15 µm (волокно) до 0.6 мм (прутик);

- длина от 3 до 50 мм (отдельные нити или пучки «ровницы»);

- плотность от 0.9 до 1.3 г/cм³;

- температура плавления  не менее 150^о С;

- температура воспламенения не менее 500^о С;

- растяжимость от 5%, прочность на растяжение до 1500 Мпа (вдвое больше углеродистой стали);

- модуль упругости от 3 до 37 Гпа (верхний уровень вдвое больше бетона);

- абсолютная щелочестойкость;

- сцепление с цементным камнем за счет химической адгезии (функциональные  группы в макромолекулах) и физическое (неровности и «микрогофры» на поверхности волокон);

- бактерицидность – выпускаются специальные волокна с микробиологической защитой для детских и образовательных учреждений, пищевых предприятий и госпиталей, ванных помещений и бассейнов, музеев и т. п.

Преимущества бетона, армированного полимерными волокнами:

- уменьшение трещинообразования от влажностной усадки и термического расширения/сжатия;

- усиление сопротивления изгибающим нагрузкам;

- увеличение сопротивления сдвиговым нагрузкам;

- повышение ударной вязкости;

- «нераскрашиваемость» и отсутствие «взрывных» осколков при разрушении (даже после уменьшения на 10% высоты сжимаемого образца он сохраняет форму);

- высокая износостойкость;

- снижение проницаемости ( в том числе за счет уменьшения трещин ).

Стоимость 1 кг полимерной фибры для армирования растворов и бетонов составляет 15-20 DM ( франко украинский порт ).

Представляется перспективным использование композитов, армированных полимерными волокнами:

- при реставрации общественных зданий и архитектурных памятников;

- при реконструкции промышленных зданий на предприятиях по выпуску пищевой, фармацевтической и химической, а также электронной и другой высококлассной продукции;

- при строительстве паркингов и гаражей;

- при ремонте участков дорог с интенсивным торможением транспорта (перекрестки городских магистралей, таможенные переходы и т. п.);

- при восстановлении туннелей, водоводов и других коммуникаций;

- при выполнении работ на индивидуальном строительстве экстра класса.

Главной проблемой уже построенных бетонных конструкций – является постепенное разрушение монолита под действием внешних и внутренних факторов: перепады температурного режима, влага и т.д. Необходимость решить данную проблему привела к изобретению методики армирования бетонной смеси с помощью волокнистого наполнителя рис.1 [2]. Данный материал получил название – фибробетон, и уже сейчас получил широкую известность в строительной отрасли.

Рисунок 1. Фибробетон

На характеристики фибробетона влияет следующие факторы – тип наполнителя и размер используемого волокна (рисунок 2). Так, например, волокна размером 3-4 мм. используют в декоративных элементах из гипса и штукатурки, волокна размером 6 мм. – повышают прочность лёгких составов, волокна размером 12 мм. – используют для укрепления фундамента и плит перекрытий [2].

Рисунок 2. Используемые волокна для изготовления фибробетона

Рассмотрим в таблице 1 основные виды металлического и неметаллического волокна, используемые для производства фибробетона.

Таблица 1 – Виды металлического и неметаллического волокна.

Область применения фибробетона: данный вид бетона используется для возведения конструкций и сооружений, рассчитанных на высокие нагрузки, шахт для отвода воды, канализационных сооружений, строительства жилищно-хозяйственных и дорожных объектов, используется при производстве декоративных элементов [3].

Вывод: Использование фибры для бетонных конструкций придает ей дополнительную прочность и позволяет возводить сооружения сложных конфигураций. Данная технология уже доказала свою эффективность и в строительной отрасли получила популярность.