CC BY
33Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Reports of the VII Academic reading "Actual issues of building physics"
УДК 693.9: 699.841
Н.И. КАРПЕНКО, д-р техн. наук, профессор, академик РААСН ([email protected]), В.Н. ЯРМАКОВСКИЙ, канд. техн. наук, почетный член РААСН ([email protected])
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Россия, г. Москва, Локомотивный пр., 21)
К нормированию физико-механических характеристик высокопрочных легких бетонов и методам расчета конструкций из них
Представлен краткий аналитический обзор данных по нормированию конструкционных легких бетонов, в том числе высокопрочных и высокодолговечных, в отечественных и зарубежных нормативных документах. Обосновывается необходимость нормирования прочностных и деформативныххарактеристик, а также показателей долговечности таких бетонов, изготовляемых не только на традиционном высокоэнергоемком керамзитовом гравии, но и на низкоэнергоемких, в основном безобжиговых, пористых заполнителях на основе продуктов переработки техногенных образований. Такое нормирование в действующем СП 63.13339.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003» отсутствует, так же как и методы расчета конструкций из легких бетонов. В связи с этим обоснована необходимость создания Свода правил по нормированию полного комплекса физико-механических характеристик конструкционных легких бетонов новых модификаций, в том числе высокопрочных и высокодолговечных, а также по современным методам расчета конструкций из таких бетонов, в частности по наиболее эффективному диаграммному методу построения физических соотношений для бетонных и железобетонных элементов при объемном напряженном состоянии.
Ключевые слова: легкие бетоны, легкобетонные конструкции, физико-механические характеристики, нормируемые параметры, методы расчета конструкций.
N.I. KARPENKO, Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Academician RAACS, ([email protected]), V.N. YARMAKOVSKIY, Candidate of Sciences (Engineering), Honorary member of RAACS ([email protected]) Scientific-Research Institute of Building Physics of the Russian Academy architecture and construction sciences (RAACS) (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow,127238, Russian Federation)
To the Standardization of Physical-Mechanical Properties of High-Strength Lightweight Aggregate Concrete and to the Calculation Methods of Structures Made of them
A brief analytical review of data on the of structural lightweight concrete standardization, including high-strength and high-durable concretes, in domestic and foreign regulations is presented. The necessity of standardization of the strength and deformation characteristics as well as indicators of the durability of such concretes, produced not only with the use of traditional highly energy-intensive expanded clay gravel (type of claydite ceramizite), but by low power consumption (mostly without roasting) porous aggregates on the basis of by-products recycling is substantiated. This standardization in current Set of Rules 63.13339.2012 "Concrete and Reinforced Concrete Structures. The basic provisions. Revised edition of Construction Norm and Rules 52-01-2003" is missing, as well as the calculation methods of structures made of lightweight aggregate concrete. In this regard, the necessity of creating a "Set of Rules " for the standardization of a full range of physical-mechanical properties of structural lightweight aggregate concretes of new modifications, including high strength and high durable concretes, as well as on modern methods of calculation of constructions made of such concretes, in particular, on the most effective diagram method of physical relationships building or concrete and reinforced concrete elements under triaxial stress state is justified.
Keywords: lightweight aggregate concrete, structures, physical-mechanical properties, strength, deformability, durability, standardization , calculation methods.
Проблема действующего в настоящее время Свода правил СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003» заключается в следующем. Данный нормативный документ составлен в части нормирования прочностных и деформативных характеристик, а также показателей долговечности ^ и W) конструкционных легких бетонов (КЛБ) практически без изменения в сравнении со СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции», а редакция последнего, в свою очередь, практически не отличается от редакции СНиП 11-21-75 с таким же названием.
Эти нормативные документы составлены на базе отечественных разработок по конструкционным легким бетонам 30-40-летней давности и, по существу, на базе разработки только одного вида КЛБ, а именно изготавливаемого на ос-
72016 ^^^^^^^^^^^^^
нове высокоэнергоемкого в производстве керамзита (около 100 кг усл. топл. на 1 м3). К тому же класс по прочности при сжатии этих бетонов не выше В30 (в первом из вышеназванных изданий СНиП) и до В40 вкл. (в последующих изданиях).
В то же время рядом отечественных НИИ и НПО за последние 20-25 лет разработана номенклатура нового класса пористых заполнителей для КЛБ - низкоэнергоемких в производстве, в основном безобжиговых, на основе продуктов переработки многотоннажных техногенных образований (черной металлургии и топливной энергетики) [1].
Энергозатраты на производство таких заполнителей, которые производятся уже в промышленном масштабе или на опытно-промышленных установках, почти на порядок ниже, чем на производство высокоэнергоемкого керамзитового гравия.
- 25
Доклады VII Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Плавучая платформа Heidrun для добычи нефти, установленная на глубине 300м в норвежском секторе Северного моря. Все элементы конструктивного каркаса платформы выполнены из легкого бетона класса по прочности LC60(В70 — по ГОСТ25820)
Например, наиболее эффективны заполнители следующих видов:
- пористый гравий с остеклованной оболочкой, производимый из шлаковых расплавов текущего выхода доменного производства, а также из расплавов ферросплавного производства (силикомарганца, ферромарганца);
- безобжиговый зольный гравий, производимый первоначально с использованием портландцемента для связывания частиц золы-уноса, а затем с использованием малоклинкерного композиционного вяжущего, изготовляемого на основе той же золы-уноса ТЭС при совместном помоле компонентов в присутствии суперпластификатора.
Выше и другие технико-экономические показатели заполнителей этих новых модификаций, а также основные показатели качества, в частности выше прочность, ниже водо-поглощение (практически при той же плотности зерна); ниже межзерновая пустотность, что обеспечивает значимо меньший расход цемента для КЛБ и, соответственно, меньшую плотность бетона практически при той же прочности при сжатии и пр.
Тем не менее новые модификации КЛБ, изготовляемых на основе высококачественных и низкоэнергоемких пористых заполнителей новых видов, не включены в новый Свод правил СП 63.13330.2012, несмотря на имеющийся значительный объем исследований, выполненных по определению нормируемых прочностных и деформативных характеристик КЛБ этих модификаций классов до В40 вкл., определенных при действии нагрузок различных видов [2].
Основные показатели долговечности бетонов в главе 6 СП 63.13330.2012 нормируются в настоящее время следующим образом:
- марки по морозостойкости тяжелых бетонов на плотных природных заполнителях - до F1000 вкл., а легких бетонов на пористых заполнителях - до F500 вкл.;
- марки по водонепроницаемости тяжелых бетонов - до W20 вкл., а конструкционных легких бетонов - до W12 вкл.
В то же время анализ многочисленных зарубежных [3-5] и отечественных [6] исследований показывает существенно более высокие показатели морозостойкости и водонепрони-
2б| -
цаемости КЛБ в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами. Об этом свидетельствует и мировой опыт применения именно высокопрочных (классов по прочности при сжатии до В60 вкл.) легких бетонов с высокими показателями долговечности для конструкций сооружений, эксплуатируемых в суровых климатических условиях. Обоснование такого преимущества КЛБ с позиций физикохимии силикатов и анализа макро- и микроструктуры таких бетонов в сравнении с равнопрочным тяжелым бетоном приведено в работе [7].
Так, например, в зарубежной практике морского гидротехнического строительства вынуждены были прекратить с 1995 г. применение высокопрочного тяжелого бетона в конструкциях платформ для добычи нефти в северных приливных морях в целях повышения надежности таких конструкций в эксплуатации. Взамен тяжелого бетона начали применять легкий бетон классов В50-В60 [8], марка по морозостойкости которого достигает F1500, а марка по водонепроницаемости - W20 (рис. 1).
Далее целесообразно сказать, что уже почти два десятка лет действуют нормативные документы Международной федерации по конструкционному бетону - Joint CEB/FIP (fib) [9, 10] и Европейские нормы по бетону - CEB, в частности Eurocode 2 (Chapter 11. Lightweight Aggregate Concrete) [11]. В этих документах нормируются прочностные и деформа-тивные характеристики, а также показатели долговечности КЛБ, в том числе высокопрочных, классов до LC80 (минимальная кубиковая прочность 88 МПа), при использовании пористых заполнителей различных видов, преимущественно из отходов промышленности.
Нормирование высокопрочных и высокодолговечных легких бетонов за рубежом введено уже около 20 лет назад в целях обеспечения использования таких бетонов как более эффективных в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами (см. обзорную таблицу сравнения в статье [2]) в таких ответственных инженерных сооружениях, как мосты с протяженными главными пролетами - до 300 м (рис. 2), а также морские гидротехнические сооружения, в частности конструкции платформ для добычи нефти и газа в северных приливных морях (рис. 1).
Высокопрочные легкие бетоны как более эффективные в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами стали уже более 20 лет назад применять и в конструктивной системе высотных зданий (рис. 3). Эффективность эта обусловлена следующими основными факторами [2]:
- снижением массы конструктивной системы здания (КСЗ) почти на 1/3, соответственно снижением требуемого расхода стальной арматуры в среднем на 15% и сокращением возможных расходов на укрепление оснований зданий;
- снижением энергозатрат на изготовление элементов конструктивной системы здания в связи с использованием в легких бетонах в подавляющем большинстве низкоэнергоемких в производстве пористых заполнителей - продуктов переработки многотоннажных техногенных образований, (в основном металлургии и тепловой энергетики;
- повышением пожарной безопасности здания, обусловленным тем, что предел огнестойкости несущих конструкций из легких бетонов выше как минимум на 1/3 в сравнении с аналогичными конструкциями из тяжелого бетона.
Исходя из вышеизложенного целью исследований, результаты которых представлены в работе [7], являлась на первом этапе разработка физико-химических и структурно-технологических основ получения высокопрочных (классов
^^^^^^^^^^^^^^ 72016
Научно-технический и производственный журнал
Reports of the VII Academic reading "Actual issues of building physics"
Рис. 2. Мост Stolmen (Норвегия) построен в 1998 г. (главный пролет 301 м). Центральная часть пролета 184 м выполнена из высокопрочного конструкционного легкого бетона на HF Leca 800; р = 1940 кг/м3; R2S = 70,4 МПа
по прочности на сжатие до В60 вкл.) легких бетонов с высокими показателями долговечности:
- марками по морозостойкости до F1500 вкл., марками по водонепроницаемости - до максимально нормируемой в СП 28.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 2.03.11-85» - W20;
- высокой сопротивляемостью к проникновению ионов С1-, SO42", содержащихся в морской воде, что опасно с позиций, соответственно, коррозии стальной арматуры в железобетонных конструкциях и сульфатной коррозии бетона.
Результаты этих исследований использовались авторами настоящей статьи для разработки оптимальных (по критериям минимального значения плотности бетона в сухом состоянии и минимального значения расхода цемента) составов высокопрочных легких бетонов. Затем определялись нормируемые прочностные и деформативные характеристики таких бетонов с оптимальными составами и показатели их долговечности в целях разработки в дальнейшем Свода правил по проектированию конструкций из легких бетонов в развитие действующего СП 63.13330.2012.
Анализ полученных данных по нормируемым прочностным и деформативным характеристикам легких бетонов новых модификаций, в том числе высокопрочных, в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами показывает следующее:
- значения нормативных сопротивлений осевому сжатию (призменная прочность - RЬn) и осевому растяжению ^Ь1п) конструкционных легких бетонов классов по прочности до В60 вкл., изготовленных на основе остеклованного пористого шлакового гравия (шлакостеклогранулята - ШСГ) марок по прочности П400-П600, а также на основе безобжигового зольного гравия (БЗГ) тех же марок по прочности при использовании в качестве мелкого заполнителя плотного песка практически не отличаются, как и в действующем СП 63.13330.2012, от аналогичной характеристики равнопрочного тяжелого бетона;
- значения начальных модулей упругости (ЕЬ) конструкционных легких бетонов классов по прочности до В60 вкл., изготовленных на основе остеклованного пористого шлакового гравия (шлакостеклогранулята) марок по прочности П400-П600, а также на основе безобжигового зольного гравия (БЗГ) тех же марок по прочности ниже в сравнении с равнопрочным тяжелым бетоном всего на 6-9% при марке по плотности легкого бетона соответственно D1800-D1950, в отличие от нормативов действующего СП, где модуль упругости традиционного (на керамзите) КЛБ класса В40 даже при использовании в качестве мелкого заполнителя плотного кварцевого песка значительно (до 30%) ниже, чем
Рис. 3. Здание высотой 276м (г. Торонто, Канада) с несущими конструкциями из легких бетонов классов B30—B60, изготовленных на пористом шлаковом заполнителе (pelletized slag) — аналоге пористого гравия с остеклованной оболочкой (шлакостекло-грануляте) — продукте переработки шлаковых расплавов доменного производства Новолипецкого металлургического комбината. Вяжущее — высокомарочный шлакопортланд-цемент
у равнопрочного тяжелого бетона; такое преимущество КЛБ новых модификаций можно объяснить существенно более близким к единице соотношением Езап/Ерч (здесь Езап - модуль упругости зерна заполнителя, а Ерч - модуль упругости затвердевшей растворной части бетона); кроме того, это может быть обусловлено существенно более плотной и прочной зоной контакта с цементной матрицей зерен ШСГ и БЗГ в сравнении с зерном керамзитового гравия, что обеспечивается за счет более интенсивного химического взаимодействия минералов зерен этих заполнителей с минералами цементного камня [7].
Испытания образцов КЛБ классов по прочности B40-B60 оптимальных составов, изготовленных на основе пористых заполнителей новых модификаций самых эффективных видов (ШСГ и БЗГ), на морозостойкость (по первому базовому методу ГОСТ 10060-2012) показали, что марка по морозостойкости их составляет соответственно не менее F1000-F1500, что намного выше, чем у равнопрочного тяжелого бетона на природных плотных заполнителях. Испытания КЛБ тех же классов с теми же оптимальными составами на водонепроницаемость по ГОСТ 12730.5-84 показали, что марка по водонепроницаемости КЛБ на пористых заполнителях вышеуказанных модификаций составляет соответственно W16-W20.
Такие преимущества в показателях долговечности равнопрочных (в том числе и высокопрочных) КЛБ новых модификаций в сравнении с равнопрочным тяжелым бетоном находятся в противоречии с нормированием их в действующем СП. Объяснения этому приведены с позиций физи-кохимии силикатов, состояния контактной зоны в бетонах, поровой структуры их растворной части, разницы в коэффициентах температурно-линейного расширения компонентов бетонов и т. п. приведены в работе [7]. Таким образом,
7'2016
27
Доклады VII Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
требуется соответствующая корректировка норм СП в части показателей долговечности КЛБ.
Вышеизложенное описание картины нормирования конструкционных легких бетонов в действующем СП 63.13330.2012 выявляет существенные его недостатки, что требует значительной принципиальной корректировки практически всех указанных выше нормируемых параметров КЛБ. Соответствующие предложения по техзаданию ФАУ ФЦС Минстроя РФ заключенного с НИИСФ в 2015 г. контракта по теме 8.6.2.3 «Определение нормируемых параметров легких бетонов новых модификаций, в том числе высокопрочных, класса до В60 повышенной долговечности» составлены в НИИСФ. Научно-технический отчет по данной теме рассмотрен в конце 2015 г. и одобрен учеными советами РААСН и МГСУ.
К этому следует добавить, что действующий СП 63.13330.2012 практически не содержит рекомендуемые методы расчета легкобетонных конструкций. НИИСФ пред-
Список литературы
1. Петров В.П., Макридин Н.И., Соколова Ю.А., Ярмаков-ский В.Н. Технология и материаловедение пористых заполнителей и легких бетонов. Монография. М.: Изд. «Палеотип»: РААСН, 2013. 332 с.
2. Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. Конструкционные легкие бетоны новых модификаций // Российский строительный комплекс. 2011. № 10. С. 122-126.
3. Hoff G.C. The use of structural lightweight aggregates in offshore concretes platforms // Proceeding of the International Symposium on Structural Lightweight Aggregate Concrete. Sandefjord. Norway. 20-24 June, 1995, pp. 363-371.
4. Spitzner J. A review of the development of lightweight aggregate concrete - history and actual survey // Proceeding of the International Symposium on Structural Lightweight Aggregate Concrete. Sandefjord. Norway. 20-24 June, 1995, pp. 13-21.
5. Design and Control of Concrete. The Guide to Application, Methods and Materials. Eight Canadian Edition by S. Kosmatka, B. Kerkoff and other // Cement Association of Canada. Engineering Bulletin. Ottawa. 2011. 411 p.
6. Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Ярмаковский В.Н., Ерофеев В.Т. О современных методах обеспечения долговечности железобетонных конструкций // Академия. 2014. № 4. С. 72-82.
7. Ярмаковский В.Н. Физико-химические и структурно-технологические основы получения высокопрочных и высокодолговечных конструкционных легких бетонов // Строительные материалы. 2016. № 6. C. 6-11.
8. Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. Конструкционные легкие бетоны для нефтедобывающих платформ в северных приливных морях и морях Дальнего Востока // Вестник инженерной школы ДВФУ. 2015. № 2. С. 105-114.
9. Lightweight Aggregate Concrete. Codes and standards. State-of-art report, bulletin 4. CEB-FIP (fib, Task Group 8G LAC). Stuttgart. 1999. 35 p.
10. Lightweight Aggregate Concrete (LAC). Recommended extensions to Model Code 90, Guide. Identification of research needs, technical report. Case Studies, State-of-art report, CEB-FIP (fib, Task Group 8G LAC). Stuttgart. 2000. 465 p.
11. Eurocode-2. Concrete and Reinforced Concrete Structures. Chapter 11. «Lightweight Aggregate Concrete Structures». CEN. Stuttgart. 2002, pp. 51-73.
лагается использовать для расчетов стержневых, плоскостных и массивных конструкций с применением КЛБ новых модификаций, в том числе высокопрочных, разработанные институтом наиболее эффективные диаграммные методы построения физических соотношений для бетонных и железобетонных элементов, при различных напряженных состояниях (одноосных, плоских и объемных).
Выводы.
В целях обеспечения эффективного использования разработок по конструкционным легким бетонам новых модификаций, в том числе высокопрочных и высокодолговечных в эксплуатации, при проектировании ответственных инженерных сооружений и высотных зданий с повышенными требованиями по надежности в эксплуатации требуется разработка «Руководства или Свода правил по проектированию конструкций различных видов и назначения из легких бетонов новых модификаций, в том числе высокопрочных и высокодолговечных».
References
1. Petrov V.P., Makridin N.I., Sokolova Yu.A., Yarmakovskiy V.N. Tekhnologiya i materialovedenie poristykh zapolniteley i legkikh betonov. Monografiya [Technology and Materials Porous aggregates and lightweight concrete. Monograph]. M.: "Paleotip": RAACS. 2013. 332 p.
2. Karpenko N.I., Yarmakovskiy V.N. Structural lightweight concrete new modifications. Rossiiskiy stroitel'nyi kompleks. 2011. No. 10, pp. 122-126. (In Russian).
3. Hoff G.C. The use of structural lightweight aggregates in offshore concretes platforms. Proceeding of the International Symposium on Structural Lightweight Aggregate Concrete. Sandefjord. Norway. 20-24 June, 1995, pp. 363-371.
4. Spitzner J. A review of the development of lightweight aggregate concrete - history and actual survey. Proceeding of the International Symposium on Structural Lightweight Aggregate Concrete. Sandefjord. Norway. 20-24 June, 1995, pp. 13-21.
5. Design and Control of Concrete. The Guide to Application, Methods and Materials. Eight Canadian Edition by S. Kosmatka, B. Kerkoff and other. Cement Association of Canada. Engineering Bulletin. Ottawa. 2011. 411 p.
6. Karpenko N.I., Karpenko S.N., Yarmakovskiy V.N., Erofe-ev V.T. About modern methods of ensuring the durability of reinforced concrete structures. Akademiya. 2014. No. 4, pp. 72-82. (In Russian).
7. Yarmakovskiy V.N. To the Standardization of physical-mechanical properties of high strength lightweight aggregate concrete and to the calculation methods of structures made of them. Stroitefnye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 6, pp. 6-11. (In Russian).
8. Karpenko N.I., Yarmakovskiy V.N. Structural lightweight concrete to oil platforms in the North Sea tidal and seas of the Far East. Vestnik inzhenernoi shkoly DVFU. 2015. No. 2, pp. 105-114.
9. Lightweight Aggregate Concrete. Codes and standards. State-of-art report, bulletin 4. CEB-FIP (fib, Task Group 8G LAC). Stuttgart. 1999. 35 p.
10. Lightweight Aggregate Concrete (LAC). Recommended extensions to Model Code 90, Guide. Identification of research needs, technical report. Case Studies, State-of-art report, CEB-FIP (fib, Task Group 8G LAC). Stuttgart. 2000. 465 p.
11. Eurocode-2. Concrete and Reinforced Concrete Structures. Chapter 11. «Lightweight Aggregate Concrete Structures». CEN. Stuttgart. 2002. pp. 51-73.
28
72016
