CC BY
25УДК 69.057.59:691.328
Дорф В.А., Красновский Р.О., Капустин Д.Е., Нуриев Р.Р.
Dorf V.A., Krasnovsky R. O., Kapustin D.E., Nuriev R.R.
НЕСЪЕМНАЯ СТАЛЕФИБРОБЕТОННАЯ ОПАЛУБКА КАК НЕСУЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
THE RETAINED STEEL FIBER CONCRETE FORMWORK AS A BEARING ELEMENT OF FERROCONCRETE STRUCTURES
Показаны перспективы применения сборно-монолитного метода строительства с использованием армоблоков с несъемной несущей сталефибробетонной опалубкой. Приведены результаты экспериментов, показывающие возможность совместной работы сталефибробетонной опалубки с уложенным в нее бетоном.
Prospects of application of prefabricated-cast-in-place method of construction using reinforcement blocks with stay-in-place load bearing steel fiber concrete formwork and results of experiments demonstrating possibility of joint performance of the steel fiber concrete formwork and concrete placed in them are provided.
Ключевые слова: сталефибробетон, несъемная опалубка, армоблок, сборно-монолитный метод, адгезия.
Key words: steel fiber concrete, stay-in-place forms, reinforcement block, prefabricated-cast-in-place method, adhesion.
ЗАО «Институт „Оргэнергострой"» совместно с АО «Атомэнергопроект» и МГСУ, начиная с 2009 г., выполнил ряд научно-исследовательских работ по изучению физико-механических свойств сталефибробетона с цементно-песчаной матрицей класса по прочности не ниже В80 и различными видами стальной фибры [4-5; 8-10].
Результаты исследований показали, что сталефибробетон обладает высокими механическими характеристиками, которые определяются бетонной матрицей и типом применяемой стальной фибры. Из условия обеспечения заделки волокон фибры в бетонной матрице - прочность сталефибробетона на сжатие должна находиться в пределах от 60 до 120 МПа. Прочность сталефибробетона на осевое растяжение, в зависимости от вида фибры и процента армирования, находится в диапазоне от 40 до 70 МПа, а прочность на растяжение при изгибе - от 7 до 25 МПа. Модули упругости сталефибробетона могут изменяться от 30 до 60 ГПа, т.е. достигать значений, свойственных металлам.
Помимо высоких механических характеристик сталефибробетоны обладают высокими эксплуатационными характеристиками, которые имеют особое значение в условиях Севера. Они, в первую очередь, определяются низкой пористостью сталефибробетона, изготовленного на основе матрицы из самоуплотняющегося цементно-песчаного раствора: не более 2,6 % при диаметре пор от 0,05 до 0,2 мм. Это обеспечивает водонепроницаемость сталефибробетона не ниже марки W20, морозостойкость не менее марки F1000 и коэффициент истираемости до 0,45.
Одним из перспективных направлений использования сталефибробетона является изготовление из него несъемной опалубки в виде листов толщиной 15...30 мм, которые жестко прикрепляют к армокаркасу, образуя армоопалубочный блок (стены или перекрытия). Технология изготовления листов сталефибробетонной опалубки существенно не отличается от технологии изготовления железобетонных изделий, не требуя при этом применения дорогостоящих стальных форм [6].
Несъемную сталефибробетонную опалубку целесообразно применять в промышленных (рис. 1) и гражданских (рис. 2) зданиях [9; 3]. Листы опалубки
изготавливаются с использованием самоуплотняющейся сталефибробетонной смеси с цементно-песчаной матрицей и волокнами стальной фибры диаметром 0,3 мм при расходе фибры по объему от 1,5 до 3 % в зависимости от ее вида.
Рис. 1. Фрагмент помещения из армоблоков с несъемной сталефибробетонной опалубкой
Рис. 2. Эскиз стеновой панели жилого здания с использованием несущей несъемной сталефибробетонной опалубки: а) фасад, б) разрез
В настоящее время армоблоки с несъемной сталефибробетонной опалубкой заложены в проект АЭС типа ВВЭР-ТОИ для Курской и Смоленской АЭС (РФ), АЭС «Аккую» (Турция), АЭС «Руппур» (Бангладеш).
Сталефибробетон может найти применение и при строительстве судов, и возведении подводных обитаемых сооружений, например, для бурения подо льдом [7].
Несъемная сталефибробетонная опалубка может выполнять не только свою основную функцию, но и функцию стержневой арматуры. Для этого должен быть обеспечен надежный контакт сталефибробетона несъемной опалубки с укладываемым в армоблок монолитным бетоном, т.е. прочность их сцепления должна быть выше прочности сталефибробетона на растяжение.
Для оценки выполнения этого условия была выполнена серия экспериментов, в которых определялась прочность контакта «сталефибробетон-бетон» при различных видах напряженного состояния, а именно: при растяжении по нормали к поверхности контакта «бетон-сталефибробетон» (рис. 3); срезе вдоль поверхностей контакта (рис. 4); сдвиге при сжатии, когда по поверхности контакта действуют наибольшие сдвигающие усилия (рис. 5); изгибе, когда наибольшие растягивающие напряжения действуют в приопорной зоне балки (рис. 6).
а)
б)
а)
б)
Рис. 3. Образец для испытания на отрыв:
а) схема образца: (1 - сталефибробетон, 2 - бетон); б) образец, к сталефибробетонной части которого приклеен металлический захват
Рис. 4. Образец для испытания на срез:
а) схема образца; б) образец с наклеенными розетками тензорезисторов
Рис. 5. Образец для определения адгезии при сдвиге: а) схема образца; б) образец, подготовленный к испытаниям
Рис. 6. Образец для определения адгезии при изгибе:
а) схема образца; б) образец, подготовленный к испытаниям
Испытания проводили на комбинированных образцах, изготовленных из элементов сталефибробетонного листа и обычного тяжелого бетона. Возраст листов несъемной опалубки к моменту бетонирования образцов составлял от нескольких месяцев до года и более. Все это время листы сталефибробетона находились в цехе без соблюдения каких -либо мер, обеспечивающих чистоту их поверхности. Комбинированные образцы не проходили термообработку и испытывались в возрасте не менее 28 сут.
В образцах балок, испытанных на изгиб, сталефибробетонный лист выполнял функцию растянутой арматуры (рис. 6). Также были испытаны образцы, в которых была дополнительно установлена стержневая арматура (рис. 7), не доведенная до опор, чтобы при разрушении наклонная трещина могла бы выйти к сталефибробетонной опалубке.
Рис. 7. Схема балки с несъемной сталефибробетонной опалубкой в растянутой зоне и со стержневой арматурой
В процессе испытаний на сжатие и изгиб с помощью наклеенных на бетон в зоне контакта «сталефибробетон-бетон» тензорезисторов измеряли его деформации. При испытании на сдвиг и срез по розеткам тензорезисторов, наклеенным на бетон около зоны контакта, определяли значения и направление главных растягивающих и сжимающих деформаций.
С помощью ультразвуковых преобразователей определяли время прохождения ультразвукового импульса по трассам, проходящим по нормали к зоне контакта «сталефибробетон-бетон».
При растяжении разрушение происходило по бетону в зоне изменения поперечного сечения образца, по нормали к растягивающему усилию (рис. 8, а).
а)
б)
Рис. 8. Разрушение образцов: а) при растяжении; б) при срезе; в) при сдвиге (трещины разрушения выделены красной пунктирной линией)
При сдвиге наибольшие растягивающие деформации, рассчитанные по деформациям, измеренным розетками тензорезисторов вплоть до разрушения, были направлены под углом 30...450 к сталефибробетонной пластине, т.е. практически шли вдоль оси образца, как это имеет место в образцах призм при осевом сжатии [1]. Наибольшие их значения находились в пределах ^ = (10.14)-10-5, что характерно для бетонов на портландцементном вяжущем [15]. Ультразвуковые измерения не свидетельствовали об образовании трещин или микротрещин по зоне контакта «сталефибробетон-бетон». Разрушение проходило по вертикальной плоскости, пересекавшей сталефибробетонную пластину с последующим выходом на поверхность контакта «бетон-сталефибробетон» (рис. 8, в).
При срезе наибольшие растягивающие деформации, рассчитанные по деформациям, измеренным розетками тензорезисторов, достигали значений = 16-10-5, после чего образовывалась трещина под углом 30...450 к поверхности контакта «сталефибробетон-бетон». К моменту разрушения образца она выходила на поверхность контакта, что в некоторых случаях приводило к отслоению сталефибробетонной пластины (рис. 8, б).
а) б)
Рис. 9. Разрушение балок со сталефибробетонной пластиной в растянутой зоне:
а) без стержневой арматуры; б) с дополнительно установленной стержневой арматурой (трещины разрушения выделены красной пунктирной линией)
При изгибе балки без стержневой арматуры разрушались в средней части пролета от разрыва сталефибробетонной пластины (рис. 9, а). При этом разрушающая нагрузка соответствовала нагрузке, которую может воспринять железобетонная балка с арматурой, выполненной только из сталефибробетона.
В случае установки дополнительной стержневой арматуры балки разрушались по наклонной трещине, проходившей через сталефибробетонную пластину (рис. 9, б). В обычных же железобетонных балках наклонная трещина, как правило, переходит в горизонтальную, проходящую по контакту стержней арматуры с бетоном [8].
Таким образом, адгезия между сталефибробетоном и бетоном превышает прочность бетона на осевое растяжение, сдвиг и срез и тем самым обеспечивает возможность использовать несъемную сталефибробетонную опалубку в качестве несущего элемента в бетонных и железобетонных конструкциях.
Литература
1. Берг О. Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М. : Госстойиздат, 1962. 98 с.
2. Дорф В. А., Красновский Р. О., Капустин Д. Е., Горбунов Е. А. Влияние характеристик фибры на кубиковую и призменную прочность сталефибробетона с цементно-песчаной матрицей // Бетон и железобетон. 2013. № 6. С. 6-9.
3. Дорф В. А., Красновский Р. О., Капустин Д. Е., Рогачев К. В. Перспективы
развития одного из направлений сборно-монолитного строительства при возведении жилых и общественных зданий // Архитектура и строительство России. 2013. № 12. С. 10-15.
4. Дорф В. А., Красновский Р. О., Капустин Д. Е., Рогачев К. В., Туркин В. В. Влияние содержания и характеристик фибры на коэффициент истираемости сталефибробетона с цементно-песчаной матрицей // Технология бетонов. 2013. № 12. С.40-42.
5. Дорф В. А., Красновский Р. О., Капустин Д. Е., Рогачев К. В., Туркин В. В. Влияние типа и содержания фибры на плотность сталефибробетонов с цементно-песчаной матрицей // Технология бетонов. 2014. № 3. С. 30-32.
6. Дорф В. А., Красновский Р. О., Капустин Д. Е., Рогачев К. В., Туркин В. В. Влияние характеристик стальной фибры на ее распределение в цементно-песчаной матрице // Технология бетонов. 2013. № 10. С. 44-48.
7. Дорф В. А., Красновский Р. О., Капустин Д. Е. Заводское изготовление элементов крупнопанельных сборно-монолитных конструкций энергетических объектов // ЖБИ и конструкции. 2014. № 1. С. 50-53.
8. Дорф В. А., Красновский Р. О., Капустин Д. Е., Горбунов И. А. Прочность сталефибробетонов с цементно-песчаной матрицей на растяжение при изгибе // Бетон и железобетон. 2014. № 2. С. 2-5.
9. Дорф В. А., Красновский Р. О., Капустин Д. Е., Горбунов И. А. Скорость распространения ультразвука в сталефибробетонах с цементно-песчаной матрицей // Бетон и железобетон. 2014. № 3. С. 5-8.
10. Дорф В. А., Красновский Р. О., Капустин Д. Е., Нуриев Р. Р. Способ контроля укладки бетона : заявка № 2014125887/03(042098) от 26.06.2014 г. 24 с.
11. Красновский Р. О. Применение сталефибробетонов для изготовления судов и подводных сооружений // Гидродинамика больших скоростей и кораблестроение - ГБС-2013 : тр. Междунар. науч. конф., посвящ. 150-летию со дня рожд. акад. А.Н. Крылова. Чебоксары, 2013. С. 39-32.
12. Красновский Р. О. Экспериментальное исследование работы керамзитожелезо-бетонных балок на действие поперечной силы : дис. ... канд. техн. наук. М., 1963. 360 с.
13. Красновский Р. О., Дорф В. А. Перспективы возведения зданий и сооружений АЭС из армоблоков с несъемной сталефибробетонной опалубкой // Атомное строительство. 2013. № 15. С. 21-27.
14. Ремнев В. В., Красновский Р. О., Шкутов Н. С. Влияние характеристик стальной фибры на технологические и физико-механические свойства фибробетонов // Вестник отделения строительных наук РААСН. 2012. Вып. 16, Т. 2. С. 103-104.
15. Цаава Г. Ф. Деформации и прочность бетона при растяжении с учетом особенностей его структуры : дис. ... канд. техн. наук. М., 1984. 183 с.
