Belgorod, Russian Federation
employee from 01.01.2018 until now
Belgorod, Russian Federation
employee
Belgorod, Russian Federation
from 01.01.2013 until now
Russian Federation
from 01.01.2014 until now
Russian Federation
from 01.01.2012 until now
Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.11 Строительные конструкции
OKSO 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
BBK 385 Строительные конструкции
TBK 5414 Строительные конструкции
BISAC TEC005000 Construction / General
The use of expanded lightweight concrete for the production of building structures can significantly reduce the weight, which is important in the manufacture of hollow-core slabs; the weight is a significant proportion of the total load. In the current regulatory documents, the physical and mechanical properties of expanded lightweight concrete differ significantly, and sometimes contradict each other. The defects and damages of expanded lightweight concrete hollow-core slabs are described in the case of the kindergarten built near 50 years ago. They appeared during the manufacture of the slabs - uncompacted concrete and uncovered ribs, or in the course of exploitation of the building - normal cracking, holes for pipes and corrosion of reinforcement. Two slabs in emergency condition have numerous longitudinal and shear cracks and chips of concrete caused by overloading. The differences in normative documents and methods of calculations used at the time of designing the kindergarten building and at the present time are shown. The assessment of the technical condition of the expanded lightweight concrete hollow-core slabs considering defects and damages are carried out
expanded lightweight concrete, hollow-core slab, durability, defects, strengthening
Введение. Зарубежный и отечественный опыт использования керамзитобетона как в монолитном, так и сборном вариантах свидетельствует о возможности его применения в качестве несущих конструкций различного функционального назначения.
Использование высокопрочного керамзитобетона позволяет снизить вес конструкций на 25–30 %. Это весьма важно для изготовления многопустотных плит перекрытия, собственный вес которых составляет значительную долю от общей нагрузки.
По мнению [1], несущие конструкции из легких бетонов могут изготавливаться практически при том же армировании и в той же опалубке, что и аналогичные конструкции из тяжелого бетона при массе первых меньше на 20–50 %. Это подтверждается опытом возведения несущих каркасов (или их элементов), зданий и конструкций межэтажных перекрытий.
При использовании керамзитобетона в конструкциях перекрытий, как правило, применяют класс бетонов по прочности на сжатие В15–В30, марки по плотности D1200 – D1800.
Керамзитобетон обладает специфическими свойствами по сравнению с тяжёлым бетоном, что необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации керамзитобетонных конструкций.
Предел прочности при изгибе высокопрочного керамзитобетона примерно на 10–30 % меньше, чем равнопрочного тяжелого бетона [2].
На прочность легких бетонов на растяжение влияет множество факторов, наиболее значимым из которых является размер заполнителя. Прочность при растяжении легких бетонов колеблется приблизительно от 70 до 100 % прочности при растяжении тяжелого бетона одинакового класса по прочности на сжатие [3, 10].
На текущий момент нет однозначного ответа по предельной растяжимости и сжимаемости керамзитобетона, так как предельная растяжимость высокопрочного керамзитобетона также примерно в 2 раза превосходит растяжимость тяжелого бетона и колеблется в основном в пределах 0,2–0,6 мм/м [4] или 0,3–0,35 мм/м [5], что превосходит в 2 раза среднее значение предельной растяжимости для тяжелого бетона. В действующих нормативных документах предельная растяжимость керамзитобетона имеет значительный разброс и составляет для марок 150–200 – 0,0003; для марок 300–500 – 0,00025 [6], что больше предельной растяжимости бетона, равной 0,0001 [7]. В действующих американских нормативных документах [10] предельная сжимаемость легкого бетона практически равна предельной сжимаемости керамзитобетона и принята равной 0,003. Отмечается также, что на основании опытных данных указанное значение предельной сжимаемости лёгкого бетона можно несколько увеличить.
Значения предельных относительных деформаций согласно [7] допускается принимать
при продолжительном действии
нагрузки по [8] с понижающим коэффициентом [(0,4+0,6ρ/2200)≥0,7], где ρ – плотность бетона в кг/м3, т.е. согласно действующему СП предельные относительные деформации керамзитобетона при длительном действии нагрузки меньше значений для тяжелого бетона.
Предельные относительные деформации при сжатии согласно [9] можно принять равными 0,0035·[(0,4+0,6ρ/2200), где ρ – плотность бетона в кг/м3, при этом их величина не должна превышать 0.0025+0.002 (1–fck/100), где fck – характеристика прочности на сжатие при испытаниях цилиндров (нормативная прочность бетона на сжатие).
В отличии от тяжелого бетона, модуль упругости которого возрастает во времени, особенно в образцах, нагруженных сжимающей нагрузкой, модуль упругости конструктивного керамзитобетона с течением времени снижается. В нагруженных постоянной сжимающей нагрузкой образцах его снижение составляет 20–25% первоначального его значения в 28-суточном возрасте. Как показали эксперименты [4], в керамзитобетоне невысоких классов (В5, В7,5) снижение модуля упругости не отмечается, в отличии от керамзитобетона более высоких классов, где у образцов с неизолированной поверхностью модуль упругости за два года снизился на 13–18 %. У таких же изолированных образцов происходило нарастание модуля упругости на 21 % по сравнению с модулем упругости образцов 28-суточного возраста. Таким образом, модуль упругости снижается в основном в результате высыхания бетона. Поэтому изменение модуля упругости керамзитобетона с течением времени будет зависеть от температурно-влажностных условий эксплуатации конструкций. Наиболее неблагоприятны в этом отношении нормальная и сухая среда для конструкций, находящихся в закрытых помещениях, и сухой и жаркий климат для конструкций, размещенных на открытом воздухе [4]. Существует достаточно много формул для нахождения модуля упругости керамзитобетона в зависимости от прочности на сжатие и плотности [10, 11]. Модуль упругости керамзитобетона в зависимости от состава бетона составляет 50–75 % от модуля упругости тяжелого бетона той же прочности и принимается равным модулю упругости тяжелого бетона, умноженному на (р/2200)2 [12, 13].
Данные по значениям усадки и ползучести высокопрочного керамзитобетона противоречивы. Согласно [4] усадка и ползучесть на 20–
40 % превосходят соответствующие показатели равнопрочного тяжелого бетона. По [5] границы линейной ползучести керамзитобетона находятся в тех же пределах, что и у тяжелого бетона, а согласно действующему СП [7] значение коэффициента ползучести бетона допускается принимать по [8] с понижающим коэффициентам (р/2200)2, где р – плотность бетона, т.е. ползучесть керамзитобетона меньше ползучести тяжелого бетона. Согласно [10, 13], усадка и ползучесть бетона на легких заполнителях практически всегда превосходят аналогичные показатели для тяжелого бетона. Эффективным методом снижения усадки и ползучести является использование высокопрочного керамзитобетона или использование керамзитобетона автоклавного твердения.
В [14] отмечено, что пористый заполнитель усиливает ползучесть в связи с его низкой жесткостью, поэтому легкие бетоны имеют большую ползучесть по сравнению с тяжелыми. В среднем деформации ползучести легких бетонов классов до В25 во многих случаях в 1,2-1,4 раза больше деформаций ползучести тяжелых бетонов, и это свойство в полной мере проявляется уже примерно через 2–6 мес. после загружения (т.е. раньше, чем у тяжелых бетонов). Необходимо отметить, что сам по себе керамзит, подвержен значительным пластическим деформациям и микротрещинообразованию при длительном действии на него сжимающих нагрузок. Это также может являться дополнительными факторами, интенсифицирующими ползучесть керамзитобетона.
В связи с этим представляется целесообразным проанализировать изменения эксплуатационных параметров, соответствие предельным состояниям керамзитобетонных перекрытий по истечению длительного срока их эксплуатации на примере 2-х этажного с подвалом здания детского сада с размерами в плане 12,89×51,91 м. Здание эксплуатируется более 50 лет.
Основная часть. Конструктивная схема исследуемого здания – жесткая, бескаркасная, панельная с поперечными несущими и продольными самонесущими стенами выше отм. ±0.000, а также сборными железобетонными поперечными рамами, расположенными ниже отм. ±0.000. Пространственная жесткость здания обеспечивается совместной работой панельных стен и железобетонных рам с конструкциями межэтажных перекрытий.
Проведение данного исследования вызвано тем обстоятельством, что представителями подрядной организации в процессе выполнения капитального ремонта нежилого здания детского сада были обнаружены многочисленные дефекты и повреждения пустотных керамзитобетонных плит перекрытия, расположенных над подвалом и 1-м этажом исследуемого объекта.
При выполнении обследований пустотных керамзитобетонных плит перекрытия зафиксированы следующие дефекты и повреждения:
- многочисленные нормальные трещины с предельно допустимой шириной раскрытия до 0,3 мм, расположенные в середине пролета плит, то сеть в зоне максимального изгибающего момента (рис. 1);
Рис. 1. Многочисленные нормальные трещины в плитах перекрытия
- неоформленные отверстия в зонах прохода инженерных коммуникаций, в том числе с участками с обрезанной продольной рабочей арматурой (рис. 2);
Рис. 2. Неоформленные отверстия в зонах прохода инженерных коммуникаций
- коррозия продольной рабочей арматуры у отверстий и в связи с недостаточной величиной защитного слоя бетона (рис. 3);
Рис. 3. Коррозия продольной рабочей арматуры
- участки с неуплотнённым бетоном керамзитобетонных плит (рис. 4), а также непробетонированные ребра плит между пустотами на отдельных участках.
Рис. 4. Участки с неуплотнённым бетоном, непробетонированные ребра плит между пустотами на отдельных участках
Коррозионные изменения прочностных и деформативных параметров бетона сжатой зоны, коррозия стержней растянутой арматуры с нарушением сцепления стержней с бетоном приводят к нарушению нормативного условия ограничения высоты сжатой зоны, что делает возможным хрупкое разрушение изгибаемых элементов [15].
Также в процессе выполнения осмотра были обнаружены две аварийные плиты перекрытия с многочисленными силовыми нормальными трещинами, продольными трещинами и сколами бетона, расположенными над подвалом у наружных продольных стен (рис. 5). Данное техническое состояние плит перекрытия с большой долей вероятности вызвано их не нормативным неравномерным по ширине плиты загружением в процессе выполнения капитального ремонта нежилого здания детского сада, что привело к возникновению крутящих моментов [16, 17]. Неравномерное по ширине нагружение плит перекрытий привело к заклиниванию их продольных боковых поверхностей соседними плитами и, как следствие, работе плит на изгиб в продольном направлении, что было не предусмотрено проектной документацией.
Рис. 5. Повреждения аварийных плит перекрытия
Результаты инструментальных исследований конструкций перекрытия показали, что пустотные керамзитобетонные плиты в большей части имеют размеры в плане 1,6×3,2 м и 1,6×6,4 м. Плиты выполнены из бетона класса по прочности на сжатие В15. Продольная арматура плит: 2Ø12 АIIIв + 3Ø14 АIIIв.
Выполненные поверочные расчеты пустотных керамзитобетонных плит с учетом фактических прочностных характеристик, армирования и нагрузок в соответствии с требованиями действующих норм показали несоответствие требованиям предельных состояний, связанное с действующими нагрузками, дефектами изготовления плит, проявившихся в нарушении методов подбора состава бетона и технологии изготовления. Об этом свидетельствуют результаты определения прочности бетона, согласно которым отдельные участки плит имеют пониженную прочность и повышенную хрупкость бетона.
Необходимо отметить, что на момент возведения здания при расчете деформаций вес жестких перегородок без проемов мог не учитываться, а нагрузки от прочих перегородок учитывались в размере 40% от их фактического веса. Так же в типовых конструкциях многопустотных плит, опирающихся на стены, при расчете прогибов обычно учитывался опорный момент на одной опоре в размере 15% от момента свободно лежащей балки [18].
Для восстановления эксплуатационных качеств и соответствия предельным состояниям исследуемые конструкции перекрытия расположенные над подвалом и 1-м этажом нуждаются в усилении путем устройства набетонки толщиной 70 мм из мелкозернистого бетона класса по прочности па сжатие В20 и армированием сеткой Ø10 А500 с шагом 200 мм в двух направлениях, а также заведением каркасов с продольным рабочим стержнем Ø 16 А500 в швы между плитами (рис. 6).
Рис. 6. Фрагмент усиления перекрытия
Совместная работа монолитного нового бетона и плит обеспечивается устройством на верхней поверхности плит насечек, дополнительными поперечными стержнями и сеткой в монолитном слое бетона, установкой каркасов в швы между плитами. Усиление плит необходимо выполнить после полного демонтажа конструктивных слоев пола.
В процессе выполнения капитального ремонта здания необходимо в кратчайшие сроки выполнить усиление двух аварийных плит перекрытия над подвалом подведением под них стальных балок, опирающихся на возведенные кирпичные столбы. Техническое состояние данных плит перекрытия, расположенных над подвалом, оценивается как аварийное, характеризующееся повреждениями и деформациями, свидетельствующими об исчерпании несущей способности и опасности обрушения, при котором существует опасность для пребывания людей и сохранности оборудования, с предварительным выполнением страховочных мероприятий.
Выполненные поверочные расчеты перекрытий с учетом рекомендованных конструктивных решений по усилению подтвердили их соответствие предельным состояниям, в том числе с обеспечением прочности контактного шва.
Выводы. Проведенные обследования не позволили в полной мере дать обоснованный ответ о степени надежности и долговечности керамзитобетонных пустотных плит перекрытий, вследствие выявленных дефектов при их изготовлении. Однако учитывая, что срок их эксплуатации до капитального ремонта составил порядка 50-ти лет, можно отметить их конкурентную способность по сравнению с аналогичными конструкциями из тяжелого бетона и целесообразность их применения.
1. Yarmakovskij V.N. Modified lightweight concretes of various types for enclosing and bearing structures of buildings [Modificirovannye legkie betony razlichnyh vidov dlya ograzhdayushchih i nesushchih konstrukcij zdanij]. Beton i zhelezobeton - puti razvitiya: Vserossijskaya (mezhdunarodnaya) konferenciya po betonu i zhelezobetonu. Moscow: DIPAK, 2005. Vol. 4. Pp. 324-330. (rus)
2. Dorf V.A., Dovzhik V.G. High-strength expanded clay concrete (Review of production experience, features of technology and properties) [Vysokoprochnyj keramzitobeton (Obzor opyta proizvodstva, osobennostej tekhnologii i svojstv)]. Moscow: CNIITEStrom Ministerstva promyshlennosti stroitel'nyh materialov SSSR. 1968. 52 p. (rus)
3. Constructive high-strength expanded clay concrete in the United States [Konstruktivnyj vysokoprochnyj keramzitobeton v SSHA]. CNIIS Gosstroya SSSR. Ekspress-informaciya, seriya «Stroitel'nye materialy i izdeliya». Zarubezhnyj opyt. 1965. No. 9. 68 p. (rus)
4. Kudryavcev A. A. Pre-stressed expanded clay concrete [Predvaritel'no-napryazhennyj keramzitobeton]. Moscow: Strojizdat. 1974, 93 p. (rus)
5. Kurasova G.P. Properties of structural expanded clay concrete grades 200-500 [Svojstva konstruktivnogo keramzitobetona marok 200-500]. Legkie i yacheistye betony i konstrukcii iz nih. Nauchnaya sessiya instituta, 1968. Doklady i soobshcheniya. Pod redakciej kandidatov tekhnicheskih nauk A.T. Baranova. G.A. Buzhevicha, N.A. Korneva, V.V. Makaricheva. Moscow: NIIZHB. 1970. Pp. 48-64. (rus)
6. VSN 28-65. Instructions for use of expanded clay concrete in road bridges [Ukazaniya po primeneniyu keramzitobetona v avtodorozhnyh mostah]. Moscow: Iz-vo «Transport». 1965. 19 p. (rus)
7. SP 351.1325800.2017. Concrete and reinforced concrete structures made of lightweight concrete [Betonnye i zhelezobetonnye konstrukcii iz lyogkih betonov]. Moscow. 2017. 77 p. (rus)
8. SP 63.13330.2012. Concrete and reinforced concrete structures. Fundamentals. Updated version of SNiP 52-01-2003. With changes 1, 2, 3 [Betonnye i zhelezobetonnye konstrukcii. Osnovnye polozheniya. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 52-01-2003. S izmeneniyami 1, 2, 3]. Moscow. 2015. 161 p. (rus)
9. Lightweight Aggregate Concrete. Part 1. Recommended extensions to Model Code 90. 2000. 114 p.
10. ACI 213R-14. Guide for structural lightweightaggregate concrete. American Concrete Institute. 2014. 53 p.
11. Yongmei Qiaoa, Chao Gao. Elastic Modulus Calculation of Lightweight Aggregate Concrete. Advanced Materials Research. Vol. 1090. 2015. Pp. 93-95.
12. Kum Yung Juan. Cracking mode and shear strength of lightweight concrete beams lightweight concrete beams. National university of Singapore. 2011. 202 p.
13. EN 1992-1-1. Eurocode 2: Design of concrete structures -Part 1-1 : General rules and rules for buildings. 2004. 225 p.
14. Karimov E.Sh. Creep mechanism of concrete and factors affecting it (review). Part 1 [Mekhanizm polzuchesti betona i faktory, vliyayushchie na nee (obzor). Chast' 1]. Tekhnologii betonov. No. 3-4. 2011. Pp. 61-65. (rus)
15. Merkulov S.I. Development of the theory of structural safety of objects under corrosion [Razvitie teorii konstruktivnoj bezopasnosti ob"ektov v usloviyah korrozionnyh vozdejstvij]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2014. No. 3. Pp. 44-46. (rus)
16. Alex Aswad, Francis J. Jacque. Behavior of Hollow-Core Slabs Subject to Edge Loads. PCI Journal. March-April. 1992. Pp. 72-84.
17. Helén Broo. Shear and Torsion in Concrete Structures. Non-Linear Finite Element Analysis in Design and Assessment. Göteborg, Sweden. 2008. 202 p.
18. Murashyov V.I. Directory of the designer. Precast concrete structures [Spravochnik proektirovshchika. Sbornye zhelezobetonnye konstrukcii]. Moscow. 1959. 606 p.
