CC BY
56
УДК 693.5 Б.А. Усов, к.т.н, доцент, старш. научн. сотр.
ВОЗВЕДЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ФРАГМЕНТОВ МОНОЛИТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
Рассматриваются особенности технологии бетонирования стен высокоэтажных зданий из монолитного бетона.
Ключевые слова: бетонирование, железобетонные конструкции
The features concrete walls technology vysokoetazhnyh buildings made of reinforced concrete.
Keywords: concrete, reinforced concrete structures
Главной особенностью монолитного бетонирования в строительном производстве является высокоскоростное возведение зданий и сооружений, отвечающих нормативным требованиям по прочности, долговечности и комфорту.
Строительство вертикальных элементов с применением монолитного бетона начинается с металлического каркаса, изготавливаемого, как правило, на месте строительства или сваренного и смонтированного в крупные элементы в заводских условиях с последующей окончательной сборкой при возведении стены.
После контроля и приёмки требуемого по проекту каркасного армирования производится сборка опалубки со строго вертикальными ограждающими и разделяющими стенками практически путем геодезического нивелирования.
Другой особенностью скоростного монолитного бетонирования является требование применения высокоподвижных бетонных смесей класса П-1(ОК=21см) [4], подаваемых в опалубку с помощью бетононасосов или в бадьях высотным краном, а в зимнее время - необходим ещё их прогрев, осуществляемый чаще всего путем электропрогрева.
При бетонировании элементов стены смесями подвижности класса П-3 (ОК=16см) и ниже (получающейся за счёт испарения влаги и дополнительного воздухововлечения при долгой доставке) наблюдается неравномерная укладка бетона подобно (рис.1), вызывающая в бетоне при твердении дополнительные внутренние напряжения и тенденцию к трещинообразованию.
Рис.1. Фрагмент стены.
1 - первоначально уложеный бетон из смесей класса ниже П-3 (с пониженной подвижностью), а
2 - последующая партия бетона.
Однако при укладке бетона происходит ещё ряд интересных и не учитываемых явлений [3].
Струя пластичной «литой», а с пластифицирующей добавкой - ещё и лиофильной (водоприсадочной) бетонной смеси при подаче с высоты, обвивая арматурный стержень подобно струе воды (рис.2.), меня-
Рис. 2. Поведение потока бетонной смеси вокруг вертикального стержня арматуры -подобно струе воды
ет направление укладки и или по меньшей мере понижает скорость перемещения бетонной смеси, разрыхляя её уже на стадии укладки и приводя к неоднородности.
А при укладке потока литой смеси с высоты формуемого этажа здания (выше опалубки - с 2,5-3,0м, вместо нормативного значения - не более 1,5м) - через пустотные отсеки («минуя» вертикальный стержневой каркас) при падении бетонной смеси непосредственно на основание (контур перекрытия нижнего этажа), возникает эффект Тора (рис.3).
—.
В
V
А В
Область тора
11 .¡У >/-
Рис. 3. Вокруг точки падения столба бетонной смеси образуются две отчетливо различающиеся зоны
Ближайшая к месту падения зона А-В представляет собой круг вращаемой вокруг столба плоскости из бетонной смеси с непрерывным отбрасыванием из неё крупных частиц вперед - в область утолщения Тора, кажущейся неподвижной, но самом
деле проталкивающей далее - во все стороны слои цементного теста и частицы крупного заполнителя, нарушая однородность доставленной или приготовленной в построечных условиях смеси.
Указанные явления в зависимости от изменения высоты и толщины столба происходят с переменной скоростью до окончания полного формования вертикального фрагмента. При этом все разбросанные или разрыхленные частицы или элементы их скоплений в момент удара, усиля-емыми ещё реакцией от смазанной поверхности опалубки, получают запас энергии, которая с окончанием укладки и образованием макрообьёма (фрагмента конструкции), стремится перейти во внутреннюю потенциальную энергию твердого тела. А благодаря сильной ковалентной («дальней») связи между частицами или их элементами в свежеуложенной смеси образуются силы притяжения и бетон по образному выражению А.А. Гвоздева «дает осадку», обнажая под горизональными стержнями арматуры и под частицами крупного заполнителя свободные обьёмы, седимен-тационно заполняемые водой.
Кроме того, из-за применения механического уплотнения глубинными вибраторами в поверхностной зоне бетона по высоте бетонируемого элемента - на границе опалубки, образуется концентрированный слой
цементной суспензии (в том числе и из-за модифицирующих добавок) и мелкой фракции заполнителя, а около вертикальной арматуры - слой воды. Последняя, являясь компонентом со слабыми (водородными) связями и поэтому подвижными молекулами (или их агрегатами), адсорбционно стремится к арматуре - к системе с высокой плотностью и энергоёкостью, а на практике - в зимнее время , как правило, ещё и - с пониженной температурой по сравнению с укладываемой бетонной смесью.
При замораживании бетона вследствие его неоднородности (гетерогенности) деформации структуры происходят неравномерно. Деформационная гетерогенность присуща и железобетону. Как известно, железобетон своим возникновением обязан практически равным коэффициентам температурного расширения стали и бетона.
Но, для насыщенного водой на ранней стадии твердения и неморозостойкого (расширяющегося при замораживании) бетона это положение оказывается неверным.
Свободные деформации бетона и арматуры при замораживании имеют различные знаки: бетон расширяется, а сталь испытывает температурное сокращение. Вследствие этого происходят: снижение сцепления бетона с арматурой и выгиб протяженных конструкций в сторону неармированной или слабоар-
мированной зоны, усиливаемой в вертикальных элементах ветровой нагрузкой. При этом на выпуклой стороне образуются поперечные трещины, а на вогнутой происходит отслоение защитного слоя. Указанные нарушения структуры не позволяют бетону достичь проектной прочности, поскольку их процесс необратим и прогрессирует с увеличением циклов оттаивания, замораживания и внешнего нагружения.
Одним из важнейших технологических переделов, определяющих производительность возведения монолитных сооружений, в технологической схеме зимнего бетонирования является тепловлажностная обработка.
Основными критериями эффективности внутреннего прогрева монолитного бетона считаются: вид конструкции, расход энергии и сроки изготовления.
Они взаимосвязаны и неразделимы. Сроки распалубки конструкции и возможность ее нагружения зависят от интенсивности термообработки. А качество изделия будет зависеть от режима прогрева, представляющего - оптимальное сочетание температуры и её продолжительности.
Применение температуры 90-95°С приводит к образованию трещин, сколов, околов (1).
Поэтому без негативных последствий для твердения бетона рекомендуется оптимальная температура 50-60 °С.
К этой температуре сегодня це-ментники и зарубежные производители предлагают портландцемент с повышенным содержанием щелочей (0,85-1,0%), полагая, что при температуре изотермического прогрева не выше 60°С бетон на нём имеет хорошее качество. Но долговечность бетонов на таких цементах в нашем климате не гарантирована.
В европейской части России термообработка монолитных конструкций осуществляется с помощью электропрогрева греющим проводом.
Однако нередко случается, что опалубка, закладные, арматурные и электромонтажные изделия смонтированы, выполнена коммутация систем электропрогрева и всё готово к приемке бетона, но возникает необходимость удаления нанесенного снега и образовавшейся наледи. И для этого приходится демонтировать часть опалубки, осторожно очищать густоармированное, переплетенное проводом пространство и после чего приступать к бетонным работам. Более того, при проводном прогреве из-за этих причин почти в 30% случаев происходит отказ греющей системы вследствие обрыва или перегорания провода. Это обстоятельство приводит к монтажу дублирующих систем.
Часто густоармированные конструкции с уже смонтированным греющим проводом не позволяют качественно уложить бетон из-за на-
мерзающих на проводе и арматурных каркасах глыб льда. Предварительной выдержки бетона в этой ситуации не происходит, так как невозможен прогрев опалубки, арматуры и основания.
Но невозможен тоже и прогрев бетона непосредственно с момента укладки, поскольку греющая система в вертикальных конструкциях может быть включена только после заполнения опалубки до полного погружения греющего провода в бетон и после прекращения бетонных работ и удаления людей в безопасное место. В этом случае готовые конструкции зачастую имеют помимо трещин от воздействия положительных температур еще и морозный узор на поверхности от воздействий отрицательных температур. Как следствие, некачественные конструкции приводят к дополнительному и недешевому обследованию и даже усилению.
В нормативных документах вопрос надежности конструкций решается косвенными способами - назначением толщины защитного слоя бетона, допустимой ширины раскрытия трещин, ограничением длительных напряжений и т. д. Однако пригодных для нормирования прямых методов расчета, позволяющих оценить снижение несущей способности и повышение деформативности железобетонных элементов с учетом фактора времени в зависимости от условий окружающей среды и характера де-
фектов, еще не разработано.
Целью исследований явилось уточнение влияния некоторых выше отмеченных факторов на установление фактических температурных режимов прогрева и на прочность бетона в непосредственных условиях возведения высоэтажного здания.
Нами проведено исследование твердения монолитного бетона марки 400 с добавкой суперпластификатора С-3 + формиат натрия (4), укладываемого в стеновые конструкции конструкции 20-этажного жилого дома и подвергнутого электроразогреву греющим проводом, укреплённым на арматурном каркасе, с учётом высоты прогреваемого фрагмента поверхности прилегаюшего слоя старого бетона и количества противоморозного компонента добавки(1).
Количество противоморозного компонента добавки в смесях в соответствии с сертификатом гарантировало получение начальной прочности не менее 30% от марочной. Тепло в них появлялось после бетонирования одной «захватки», соответствующей 10м3 бетона (или емкости одного автобетоносмесителя). Бетонные смеси соответствовали осадке конуса 8-15 см. Температура наружного воздуха соответствовала -7^(-10)°С.
По представлению автора забетонированный элемент стены подвергается теплопотерям во внешнюю среду по схеме, приведённой на рис.4.
температуры ^42
Рис. 4. Прочность бетона через 1 сутки (%) по высоте монолитной стены (верхний фрагмент) и места по её сечению с максимальной
и наименьшей температурой
Круговые пунктирные линии -теплотери в окружающую среду.
Замеры температуры (рис.5), контрольные точки для которой выбирались непосредственно у поверхности и на глубине 5см, проводились при отрицательной наружной температуре -7-(-10)°С. Рис. 5. Температура во фрагменте
стены - внутри стены (стрелки вверх) и на поверхности (стрелки вниз)
1 1 N 1 1 И 1 Ш 1 И 1 II
\ - 38* —V ° 37й о <36<' о +37° о 1Г о
о '46' о 0 -44" о о ♦ 46е
// // // // О
+42° +41" ■141° 42е
о о 0 о о
Таблица.
Прочность, % от И28 стандартного
твердения
44/77 42/75 44/70 46/80 47/82
48/84 52/87 53/88 52/87 51/85
47/83 49/85 51/87 50/86 49/84
Прочность бетона по высоте монолитной стены в возрасте 3 и 28 суток (в тех же точках, что на рис.5 ), соответственно сверху вниз, начиная с левого края фрагмента.
В таблице - над чертой - прочность через 3сут., под чертой - прочность через 28 сут.
Как видно из сопоставления схемы теплопотерь, температурных замеров и определений прочности бетона с учётом вышеизложенного механизма формирования плотности железобетонного элемента при монолитном бетонировании имеется достаточно серьёзная тенденция появления - анизотропии прочностных показателей свойств бетона и недобора марочной прочности. По-видимому окончательные показатели прочности могут быть достижимы бетоном в более позднем возрасте, но в любом случае не позднее сроков введения сооружения в эксплуатацию. Эти факты частично рассмотрены в работе[3]
В литературе [2] отмечается наличие зависимости анизотропии свойств бетона от направления бетонирования конструкций.
Выводы.
1. При распределении и закреплении на арматурном каркасе токообо-гревающего кабеля учитывается возможность обеспечения равномерного температурного поля по фрагменту конструкции и потери тепла на границе со «старым» бетоном.
2. При формовании вертикальных конструкций бетонные смеси укладывают послойно равномеными слоями по всей длине бетонируемого элемента с минимальным разрывом по времени, причём одной партии доставки.
3. Утепление опалубки минерало-ватными плитами или специальными матами определяется схемой те-плопотерь.
4. При удовлетворительном наборе прочности железобетонный элемент после снятия опалубки сразу приобретает сухую и ровную поверхность заданного класса шероховатости.
Литература
1. Р.Джонс, И. Фэкэоару «Неразруша-ющие методы испытаний бетонов. М.: Стройиздат, 1974.
2. Иванов С.И., Тухтаев Б.Х., Кузеванов Д.В. Особенности контроля прочности вертикальных конструкций из тяжелых бетонов проектного класса В45 и выше с помощью нерарушающих методов. Ж., Технологии бетонов №4, 2006.
3. Усов Б.А. Химизация бетона. М., Изд-во ИНФРА-М, 2016.
