Возведение вертикальных фрагментов монолитных железобетонных конструкций

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

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.