Влияние технологических факторов на формирование связи слоев многослойной ограждающей конструкции

УДК 690.2:624.014

Е.А. Король, Е.М. Пугач, Ю.А. Харькин

ФГБОУВПО «МГСУ»

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ СВЯЗИ СЛОЕВ МНОГОСЛОЙНОЙ ОГРАЖДАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ

Исследовано влияние некоторых факторов изготовления на физико-механические характеристики монолитной связи бетонных слоев в трехслойных конструкциях, выполненных из бетонов различной плотности. По результатам проведенных экспериментальных исследований установлены зависимости прочности монолитной связи слоев от физико-механических характеристик используемых бетонов и временных параметров изготовления элементов конструкции как после изготовления, так и в ходе эксплуатации.

Ключевые слова: полистиролбетон, многослойные конструкции, наружные стены, легкие бетоны, технология изготовления.

В практике современного строительства широкое распространение получили многослойные наружные стены, отвечающие современным нормам по тепловой защите зданий. Одним из рациональных конструктивно-технологических решений наружных стен являются многослойные конструкции с применением в теплоизоляционном слое легких бетонов низкой теплопроводности. В качестве теплоизоляционного бетона используются полистиролбетон, ячеистые бетоны, каркасные композиты на керамзитовом, шунгизитовом гравии, пеностекле и др. [1—7].

Для обеспечения совместной работы слоев многослойной конструкции, как правило, используется стержневое армирование. Однако применение арматурных хомутов для соединения слоев конструкции может значительно снизить ее теплотехническую однородность, что актуально для наружных стен. Одним из путей повышения теплотехнической однородности стены и улучшения ее физико-механических характеристик является обеспечение монолитной связи между бетонными слоями многослойной конструкции на стадии изготовления, что позволяет снизить процент поперечного армирования стены и, в определенных случаях, исключить его необходимость [8—11].

Для определения влияния технологических параметров изготовления элементов трехслойных ограждающих конструкций из бетонов различной плотности на связь их слоев были проведены экспериментальные исследования трехслойных образцов с использованием полистиролбетона прочностью на сжатие 0,5, 1 и 1,5 МПа в теплоизоляционном слое и керамзитобетона в наружных слоях. Образцы изготавливались в инвентарных формах путем послойной укладки бетонных смесей с варьированием временных перерывов между укладкой слоев из бетонов различной плотности от 30 мин до 4 ч с шагом 30 мин [12].

Испытания проводились на осевое растяжение и сдвиг по контактной зоне слоев (рис. 1). В ходе испытаний на растяжение образцы в возрасте 28 сут подвергались непрерывному нагружению до полного разрушения со скоростью

ВЕСТНИК

МГСУ-

3/2014

0,05.. .0,02 МПа/с. Разрушенный образец подвергался визуальному осмотру с фиксацией места разрушения. По результатам испытаний установлена зависимость между временными интервалами при укладке бетонных смесей и характеру разрушения образцов.

а б

Рис. 1. Испытание опытных образцов: а — при осевом растяжении; б — при сдвиге по контактной зоне слоев

Для образцов, значение перерыва между укладкой слоев которых составляло менее 2,5 ч, разрушение происходило по среднему слою из менее прочного полистиролбетона. В случае, если перерыв длился более 2,5 ч, разрушение происходило по контактной зоне бетонов различной плотности. При увеличении перерыва до 4,5 ч прочность контактной зоны при растяжении снижается на 40 % (рис. 2). Данный результат обусловлен тем, что при превышении временного интервала между укладкой бетонных слоев конструкции в 2,5 ч не происходит формирования монолитной связи между слоями, и их соединение осуществляется посредством адгезии.

Рис. 2. Результаты испытаний трехслойных образцов на осевое растяжение Яи при различных значениях технологических перерывов между укладкой слоев /: а — разрушение по среднему слою блока из бетона низкой прочности; б — разрушение по контактному слою

При проведении испытания прочности контактной зоны слоев образцов на срез нагружение производилось непрерывно со скоростью 0,06...0,04 МПа/с. Определение прочности контактной зоны слоев для каждого образца производилось в двух местах. Разрушенный образец подвергался визуальному осмотру с фиксацией характера разрушения. По результатам испытаний (табл. 1) установлена зависимость прочности контактной зоны слоев на срез от времени выдерживания предыдущего слоя перед укладкой последующего (рис. 3). При значении временных интервалов между укладкой слоев менее 1,5 ч разрушение при срезе происходило как по наименее прочному материалу, т.е. поли-стиролбетону, так и по контактной зоне. При значениях временного интервала свыше 1,5 ч доля образцов, разрушенных непосредственно по контактной зоне, значительно увеличивалась, т. е. не происходило образование монолитной связи между слоями. Для образцов, технологические интервалы при изготовлении которых составили более 3 ч, разрушение происходило только по плоскости сцепления. Таким образом, оптимальное значение продолжительности выдерживания слоев трехслойной конструкции составляет от 0,5 до 1,5 ч.

Табл. 1. Результаты испытаний трехслойных образцов

Марка (класс) бетона Прочность сцепления слоев при Прочность сцепления слоев при сдвиге Прочность Марка поли- Соотношения

растяжении (прочность полистирол- бетона на растяжение) Rbond, max Rbt Максимальная Rh sh, max Минимальная R„ sh,mm полисти-ролбетона на сжатие R m стирол-бетона по плотности s bt Rb bt /ax Е Rs bt / Е Rs

МПа кг/м3

М5 0,180 0,470 0,400 0,350 D300 0,51 2,6 2,2

М10 (B0,75) 0,240 0,670 0,560 0,770 D350 0,31 2,8 2,3

М15 (B1,0) 0,280 0,800 0,660 1,100 D400 0,25 2,9 2,4

Однако на прочность сцепления бетонных слоев многослойной конструкции влияют не только технологические факторы изготовления, но и характер эксплуатации конструкции. Для оценки влияния попеременного замораживания и оттаивания на прочность контактной зоны слоев были проведены климатические испытания модели трехслойной ограждающей конструкции, состоящей из образцов со средним слоем из полистиролбетона прочностью при сжатии 0,5, 1,09 и 1,45 МПа и наружными слоями из керамзитобетона толщиной 50 мм и прочностью при сжатии 4,6, 9,8 и 19,6 МПа [13—15]. Образцы подвергались циклическому температурному воздействию в диапазоне от -35 до +70 °С с периодическим увлажнением поверхности стены. Общее количество циклов составило 35. В ходе испытаний проводилось определение прочности

контактной зоны наружного и теплоизоляционного слоев при отрыве кернов глубиной 50 мм, равной толщине наружного слоя, и диаметром 60 мм (рис. 4). При отрыве кернов фиксировалась разрушающая нагрузка. Испытания проводились после каждых 5 циклов климатических воздействий. По результатам испытаний (табл. 2) установлен характер изменения прочности контактной зоны наружного и среднего слоев стены (рис. 5).

Рис. 3. Результаты испытаний трехслойных образцов на срез по контактной зоне при различных значениях технологических перерывов между укладкой слоев ?

а б

Рис. 4. Испытание прочности контактной зоны слоев при отрыве кернов: а — экспериментальное оборудование; б — образец после испытания

При использовании в наружном слое бетона прочностью 19,6 и 9,8 МПа изменение прочности контактной зоны носит характер, близкий к линейному. Для образцов с наружным слоем прочностью 4,6 МПа после 25 циклов испытаний характер изменения прочности становится нелинейным, снижение прочности после 35 циклов испытаний составляет 30...35 %. Таким образом,

проведенными исследованиями установлено, что изменение прочности контактной зоны слоев многослойной наружной стены в большей степени зависит от физико-механических характеристик наружного слоя, чем среднего теплоизоляционного. Не рекомендуется использовать в наружном слое бетон класса по прочности при сжатии ниже чем В7,5.

Табл. 2. Результаты испытаний контактной зоны конструкции при отрыве кернов

Прочность наружного слоя МПа Прочность внутреннего слоя Rb*# МПа Среднее значение прочности при отрыве, МПа Снижение прочности контактной зоны, %

0 циклов испытаний R, „ b t,0 35 циклов испытаний R bt,35

19,6 1,45 0,89 0,810 9

1,09 0,768 0,691 10

0,5 0,579 0,510 12

9,8 1,45 0,712 0,612 14

1,09 0,635 0,533 16

0,5 0,467 0,378 19

4,6 1,45 0,607 0,431 29

1,09 0,515 0,350 32

0,5 0,389 0,257 34

а ь и и го & эо

Рис. 5. Изменение относительной прочности контактной зоны ЯЬ/ЯЫ0, %, в зависимости от количества циклов испытаний для соответствующих прочностей бетонов наружного и среднего слоев

Библиографический список

1. Богатова С.Н., Богатов А.Д., Ерофеев В.Т. Долговечность ячеистого бетона на основе боя стекла // Промышленное и гражданское строительство. 2011. № 4. С. 52—54.

2. Воробьев А.А. Ограждающие конструкции из газобетона // Жилищное строительство. 2GG3. № 7. С. 25—26.

3. Наружные ограждающие конструкции зданий из крупноразмерных ячеи-сто-бетонных изделий / Н.П. Сажнев, С.Б. Беланович, Д.П. Бухта, Н.Н. Федосов,

B.А. Овчаренко, Р.Б. Кацынель, Р.В. Кузьмичев // Строительные материалы. 2011. № 3.

C. 12—18.

4. Сулейманова Л.А., Ерохина И.А., Сулейманов А.Г. Ресурсосберегающие материалы в строительстве // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2GG7. № 7. С. 113—116.

5. Ярмаковский В.Н., Семченков А.С. Конструкционные легкие бетоны новых модификаций в ресурсоэнергосберегающих строительных системах зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2G1G. № 3. С. 31—39.

6. Del ^z Díaz J.J., Betegón Biempica C., Prendes Gero M.B., García Nieto P.J. Analysis and optimization of the heat-insulating light concrete hollow brick walls design by the finite element method // Applied thermal engineering. 2GG7, no. 8—9, vol. 27, pp. 1445—1456. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2006.10.010.

7. Sales A., Almeida F.D.C.R., De Souza F.R., Dos Santos W.N., Zimer A.M. Lightweight composite concrete produced with water treatment sludge and sawdust: thermal properties and potential application // Construction and building materials. 2010, no. 12, vol. 24, pp. 2446—2453. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2010.06.012.

8. Ограждающие конструкции с использованием бетонов низкой теплопроводности (основы теории, методы расчета и технологическое проектирование) / Ю.М. Баженов, Е.А. Король, В.Т. Ерофеев, Е.А. Митина. М. : Изд-во АСВ, 2008. 320 с.

9. Добшиц Л.М., Федоров В.С. Повышение прочности и долговечности строительных конструкций // Известия Орловского государственного технического университета. Строительство и транспорт. 2007. № 2/14. С. 196—198.

10. Колчунов В.И., Акимочкина И.В. Методика экспериментальных исследований прочности и деформативности контактной зоны двух бетонов с различными физико-механическими свойствами // Известия Орловского государственного технического университета. Строительство и транспорт. 2005. № 3—4. С. 46—48.

11. Прочность железобетонных конструкций по наклонным трещинам третьего типа / В.С. Федоров, Х.З. Баширов, Вл.И. Колчунов, К.М. Чернов // Вестник гражданских инженеров. 2012. № 5 (34). С. 50—54.

12. Король Е.А., Пугач Е.М., Николаев А.Е. Экспериментальные исследования сцепления бетонов различной прочности в многослойных железобетонных элементах // Технологии бетонов. 2GG6. № 4. С. 54—55.

13. Король Е.А., Харькин Ю.А., Быков Е.Н. Экспериментальные исследования влияния климатических воздействий на монолитную связь бетонных слоев различной прочности в многослойных конструкциях // Вестник МГСУ 2010. № 3. С. 164—169.

14. Пугач Е.М., Король О.А. Экспериментальные исследования работы трехслойных конструкций со средним слоем из бетона низкой теплопроводности в нестационарном тепловлажностном режиме // Вестник МГСУ 2011. № 3. Т. 2. С. 154—158.

15. Харькин Ю.А. О влиянии физико-механических характеристик бетонов на прочность сцепления слоев в многослойных конструкциях при климатических воздействиях // Вестник МГСУ. 2010. № 3. С. 170—173.

Поступила в редакцию в феврале 2014 г.

Об авторах: Король Елена Анатольевна — доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой организации и реновации производства, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495)287-49-14 вн. 23-45, korol@mgsu.ru;

Пугач Евгений Михайлович — кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и организации строительного производства, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»),129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495)287-49-14 вн. 23-45, e.m.pugach@mail.ru;

Харькин Юрий Александрович — инженер, ассистент кафедры организации и реновации производства, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»),129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495)287-49-14 вн. 23-45, y.kharkin@gmail.com.

Для цитирования: Король Е.А., Пугач Е.М., Харькин Ю.А. Влияние технологических факторов на формирование связи слоев многослойной ограждающей конструкции // Вестник МГСУ. 2014. № 3. С. 67—75.

E.A. Korol', E.M. Pugach, Yu.A. Khar'kin

THE INFLUENCE OF MANUFACTURING FACTORS ON THE FORMATION OF LAYER CONNECTIONS IN MULTILAYER EXTERIOR WALLS

Multilayer exterior walls are wide-spread in modern civil construction. One type of such structures is a three-layer wall with insulation layer made of lightweight concrete and exterior layers made of structural concrete. It is necessary to provide durable monolithic connection of concrete layers in the process of manufacturing this structure in order to decrease the percentage of web reinforcement and increase thermal engineering homogeneity of multilayer exterior walls.

Experimental research of three-layer samples with external layers made of claydite-concrete and internal layer made of polystyrene concrete were conducted in order to establish the strength of layer connections in the multilayer exterior wall. Different temporal parameters and concrete strength were assigned during manufacturing of the samples. The samples were tested under axial tension and shear in the layer contact zone. The nature of tensile rupture and shearing failure was checked after the tests. The relations between manufacturing parameters, strength of the concrete used in samples and layer connection strength were established as a result of experimental research. The climatic tests of three-layer exterior wall model made of claydite-concrete and polystyrene concrete were conducted in order to establish the reduction of the layers contact zone strength during the maintenance. The wall model was made of concrete samples of varying strength. The experimental model was exposed to 35 cycles of alternate freezing and thawing in climatic chamber. During freezing and thawing, the strength tests of external and internal layers contact zone by tearing the cylindrical samples were conducted. Consequently, the nature of contact zone strength reduction for the samples with different concrete strength of external and internal layers was established.

As a result of the conducted research, the optimal temporal parameters of manufacturing and optimal concrete strength were established. It is recommended to use these parameters in the process of manufacturing multilayer concrete exterior walls in order to provide durability of the concrete layers monolithic connection during maintenance of the structure.

Key words: polystyrene concrete, multilayer structures, exterior walls, lightweight concrete, production technology.

References

1. Bogatova S.N., Bogatov A.D., Erofeev V.T. Dolgovechnost' yacheistogo betona na os-nove boya stekla [Durability of Cellular Concrete on the Basis of Broken Glass]. Promyshlen-noe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2011, no. 4, pp. 52—54.

2. Vorob'ev A.A. Ograzhdayushchie konstruktsii iz gazobetona [Enclosure Made of Aero-crete]. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2003, no. 7, pp. 25—26.

3. Sazhnev N.P., Belanovich S.B., Bukhta D.P., Fedosov N.N., Ovcharenko V.A., Katsynel' R.B., Kuz'michev R.V. Naruzhnye ograzhdayushchie konstruktsii zdaniy iz krup-norazmernykh yacheisto-betonnykh izdeliy [External Enclosing Structures of Buildings Made of Large-Size Cellular Concrete Products]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2011, no. 3, pp. 12—18.

4. Suleymanova L.A., Erokhina I.A., Suleymanov A.G. Resursosberegayushchie mate-rialy v stroitel'stve [Resource-saving Materials in Construction]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Stroitel'stvo [News of Higher Educational Institutions. Construction]. 2007, no. 7, pp. 113—116.

5. Yarmakovskiy V.N., Semchenkov A.S. Konstruktsionnye legkie betony novykh modi-fikatsiy — v resursoenergosberegayushchikh stroitel'nykh sistemakh zdaniy [New Modifications of Lightweight Structural Concrete — in Resources and Energy Saving Construction Systems of Buildings], Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo [Academia. Architecture and Construction]. 2010, no. 3, pp. 31—39.

6. Del Coz Díaz J.J., Betegón Biempica C., Prendes Gero M.B., García Nieto P.J. Analysis and Optimization of the Heat-insulating Light Concrete Hollow Brick Walls Design by the Finite Element Method. Applied Thermal Engineering. 2007, vol. 27, no. 8—9, pp. 1445— 1456. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2006.10.010.

7. Sales A., Almeida F.D.C.R., De Souza F.R., Dos Santos W.N., Zimer A.M. Lightweight Composite Concrete Produced with Water Treatment Sludge and Sawdust: Thermal Properties and Potential Application. Construction and Building Materials. 2010, vol. 24, no 12, pp. 2446—2453. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2010.06.012.

8. Bazhenov Yu.M., Korol' E.A., Erofeev V.T., Mitina E.A. Ograzhdayushchie konstruktsii s ispol'zovaniem betonov nizkoy teploprovodnosti. Osnovy teorii, metody rascheta i tekhno-logicheskoe proektirovanie [Exterior Walls Using Low Thermal Conductivity Concrete. Fundamentals of the Theory, Calculation Procedure and Technological Design], Moscow, 2008, 320 p.

9. Dobshits L.M., Fedorov V.S. Povyshenie prochnosti i dolgovechnosti stroitel'nykh kon-struktsiy [Increasing the Strength and Durability of Building Structures], Izvestiya Orlovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Stroitel'stvo i transport [News of Orlov State Technical University. Construction and Transport]. 2007, no. 2/14, pp. 196—198.

10. Kolchunov V.I., Akimochkina I.V. Metodika eksperimental'nykh issledovaniy prochnosti i deformativnosti kontaktnoy zony dvukh betonov s razlichnymi fiziko-mekhanicheskimi svoystvami [Experimental Research Procedure of Strength and Deformability of a Contact Zone of Two Concretes with Different Physical and Mechanical Properties]. Izvestiya Orlovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Stroitel'stvo i transport [News of Orlov State Technical University. Construction and Transport]. 2005, no. 3—4, pp. 46—48.

11. Fedorov V.S., Bashirov Kh.Z., Kolchunov Vl.I., Chernov K.M. Prochnost' zhelezobe-tonnykh konstruktsiy po naklonnym treshchinam tret'ego tipa [Shear Strength of Reinforced Concrete Structures Considering the Third Type Shear Cracking]. Vestnik grazhdanskikh in-generov [Proceedings of Civil Engineers]. 2012, no. 5 (34), pp. 50—54.

12. Korol' E.A., Pugach E.M., Nikolaev A.E. Eksperimental'nye issledovaniya stsepleni-ya betonov razlichnoy prochnosti v mnogosloynykh zhelezobetonnykh elementakh [Experimental Research of the Concrete Connections of Different Strength in Multilayer Reinforced Concrete Elements]. Tekhnologii betonov [Concrete Technologies]. 2006, no. 4, pp. 54—55.

13. Korol' E.A., Khar'kin Yu.A., Bykov E.N. Eksperimental'nye issledovaniya vliyaniya klimaticheskikh vozdeystviy na monolitnuyu svyaz' betonnykh sloev razlichnoy prochnosti v mnogosloynykh konstruktsiyakh [Experimental Research of the CLimatic Influences on the Solid Joint of Concrete Layers with Different Strength in Sandwich Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 3, pp. 164—169.

14. Pugach E.M., Korol' O.A. Eksperimental'nye issledovaniya raboty trekhsloynykh konstruktsiy so srednim sloem iz betona nizkoy teploprovodnosti v nestatsionarnom teplov-lazhnostnom rezhime [Experimental Research of a Three-layer Structure with Middle Layer Made of Concrete with Low Thermal Conductivity in Nonstationary Heat and Humidity Mode], Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2011, no. 3, vol. 2, pp. 154—158.

15. Khar'kin Yu.A. O vliyanii fiziko-mekhanicheskikh kharakteristik betonov na prochnost' stsepleniya sloev v mnogosloynykh konstruktsiyakh pri klimaticheskikh vozdeystviyakh [On the Influence of Physical and Mechanical Characteristics of Concrete on the Bond Strength of Layers in the Sandwich Structures at Climate Exposures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 3, pp. 170—173.

About the authors: Korol' Elena Anatol'evna — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Production Management and Renovation, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; korol@mgsu.ru, +7 (495) 287-49-14 (2345);

Pugach Evgeniy Mikhaylovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Construction Technologies and Management, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; y.kharkin@gmail.com, +7 (495) 287-49-14 (2345);

Khar'kin Yuriy Aleksandrovich — engineer, assistant, Department of Production Management and Renovation, National Research University Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federtion; e.m.pugach@mail.ru, +7 (495) 287-49-14 (2345).

For citation: Korol' E.A., Pugach E.M., Khar'kin Yu.A. Vliyanie tekhnologicheskikh fak-torov na formirovanie svyazi sloev mnogosloynoy ograzhdayushchey konstruktsii [The Influence of Manufacturing Factors on the Formation of Layer Connections in Multilayer Exterior Walls]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 3, pp. 67—75.