Белгородская область, Россия
сотрудник с 01.01.2018 по настоящее время
Белгородская область, Россия
сотрудник
Белгородская область, Россия
с 01.01.2013 по настоящее время
Россия
с 01.01.2014 по настоящее время
Россия
с 01.01.2012 по настоящее время
Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ОКСО 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
ББК 385 Строительные конструкции
ТБК 5414 Строительные конструкции
BISAC TEC005000 Construction / General
Использование керамзитобетона для производства строительных конструкций позволяет значительно снизить их вес, что важно при изготовлении многопустотных плит перекрытий, собственный вес которых составляет значительную долю от общей нагрузки. В действующих нормативных документах физико-механические свойства керамзитобетона значительно отличаются, а иногда и противоречат друг другу в различных документах. На примере здания детского сада, эксплуатируемого около 50 лет, приведены выявленные дефекты и повреждения керамзитобетонных многопустотных плит перекрытия, появившиеся как при изготовлении плит (участки с неуплотнённым бетоном, непробетонированные ребра плит между пустотами на отдельных участках), так и в процессе эксплуатации здания (нормальные трещины в середине пролета плит, неоформленные отверстия под коммуникации, коррозия арматуры). Были выявлены 2 аварийные плиты перекрытия, имеющие многочисленные продольные и поперечные трещины и сколы бетона, появившиеся вследствие ненормативного загружения плит. Показаны различия в нормативных документах и методиках расчетах, используемых на момент проектирования здания детского сада и в настоящий момент времени. Выполнена оценка технического состояния керамзитобетонных плит перекрытий с учетом имеющихся дефектов и повреждений и приведены рекомендации по их усилению.
керамзитобетон, многопустотные плиты, долговечность, дефекты, усиление
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. Ярмаковский В.Н. Модифицированные легкие бетоны различных видов для ограждающих и несущих конструкций зданий // Бетон и железобетон - пути развития: Всероссийская (международная) конференция по бетону и железобетону. М.: ДИПАК, 2005. Т. 4. C. 324-330.
2. Дорф В.А., Довжик В.Г. Высокопрочный керамзитобетон (Обзор опыта производства, особенностей технологии и свойств). М.: ЦНИИТЭСтром Министерства промышленности строительных материалов СССР. 1968. 52 с.
3. Конструктивный высокопрочный керамзитобетон в США. ЦНИИС Госстроя СССР. Экспресс-информация, серия «Строительные материалы и изделия». Зарубежный опыт. 1965. № 9. 68 с.
4. Кудрявцев А. А. Предварительно-напряженный керамзитобетон. М.: Стройиздат, 1974. 93 с.
5. Курасова Г.П. Свойства конструктивного керамзитобетона марок 200-500. // Легкие и ячеистые бетоны и конструкции из них. Научная сессия института, 1968. Доклады и сообщения. Под редакцией кандидатов технических наук А.Т. Баранова. Г.А. Бужевича, Н.А. Корнева, В.В. Макаричева. М.: НИИЖБ. 1970. С. 48-64.
6. ВСН 28-65. Указания по применению керамзитобетона в автодорожных мостах. М.: Из-во «Транспорт». 1965. 19 с.
7. СП 351.1325800.2017. Бетонные и железобетонные конструкции из лёгких бетонов. Правила проектирования. М., 2017. 77 с.
8. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. С изменениями 1, 2, 3. М., 2015. 161 с.
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 р.
14. Каримов Е.Ш. Механизм ползучести бетона и факторы, влияющие на нее (обзор). Часть 1. Технологии бетонов. №3-4. 2011. С. 61-65.
15. Меркулов С.И. Развитие теории конструктивной безопасности объектов в условиях коррозионных воздействий // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014. №3. С. 44-46.
16. Alex Aswad, Francis J. Jacque. Behavior of Hollow-Core Slabs Subject to Edge Loads. PCI Journal. March-April 1992. P. 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. Мурашев В.И. Справочник проектировщика. Сборные железобетонные конструкции. М., 1959. 606 с.
