Опыт проектирования и производства эффективных строительных конструкций из фиброармированных бетонов

В статье приводятся примеры конкретного использования результатовисследований при проектировании, разработке технологии и организациипроизводства фибробетонных изделий и конструкций различного назначения стехнико-экономической оценкой.

Известно, что применение свайныхфундаментов взамен ленточных позволяет уменьшить объем земляных работ на 50–70%, расход железобетона — на 30 % и более, трудоемкость — на 25 % и сметнуюстоимость — на 30 %. Устройство свайных фундаментов и, следовательно, изготовлениесвай можно вести круглогодично без снижения темпов работ в зимних условиях. Однакоотмеченный экономический эффект часто не достигается из-за многочисленныхслучаев преждевременного разрушения голов, а иногда и стволов железобетонныхсвай, в результате чего они не могут быть погружены до проектных отметок, чтоприводит к снижению расчетных сопротивлений и надежности свайных фундаментов.Результаты обследования свайных полей в Санкт-Петербурге показали, что припогружении забивных свай в тяжелые и средние грунты около 30 % железобетонныхсвай не достигают проектных отметок и более чем у 80 % свай приходится срез?тьголовы и стволы перед устройством ростверка.

На основании проведенныхисследований Фундаментпроект, ЦНИИпромзданий, НИИЖБ и ЛенЗНИИЭП разработалирабочие чертежи для широкой номенклатуры свай с применением сталефибробетона, ана «Экспериментальном заводе» (Санкт-Петербург) разработана промышленнаятехнология и организовано первое в России производство сталефибробетонных свай.

Изготавливаемые на «Экспериментальномзаводе» сваи с применением сталефибробетона прошли проверку в условияхреального строительства, в результате которой установлено, что они обладаютвысокой ударостойкостью, обеспечивающей бездефектное погружение до проектныхотметок и возможность отказа от применения свай-дублеров. Новые сваи можнозабивать на одинаковую глубину, что позволяет избежать срезки стволов передустройством ростверка. Способность к восприятию значительной энергии ударасокращает время погружения свай на 50 %, повышает возможности сваебойногооборудования и производительность сваебойных работ. Таким образом, открываетсявозможность решения механической системы «молот — свая — грунт» с наилучшими технико-экономическимипоказателями (рис. 1–2).

Рис. 1. Свайное поле из сталефибробетонных свай

Рис. 2. Свайное поле из железобетонных свай

Одним из перспективныхнаправлений является применение сталефибробетона в конструкциях покрытий сбезрулонной кровлей взамен традиционного железобетона с гидроизоляционнымпокрытием. НИИЖБ разработана конструкция складчатых панелей для зданий и сооруженийразличного назначения и отработана их технология на экспериментальной базе впос. Некрасовка (рис. 3). Панели изготавливаются в специальных поддонах спаровой рубашкой методом погиба свежеотформованных плоских листов. После натяженияпроволочной арматуры формуется плоский сталефибробетонный лист, затем благодаряшарнирному соединению борт? формы поднимаются для образования складчатогосечения, после чего складчатая панель подвергается термообработке. Натурные испытанияи опыт эксплуатации конструкций показали их высокую надежность. При этом резкоснижаются расходы на изготовление, монтаж и эксплуатацию покрытий.

Рис. 3. Крытый рынок из гнутоформованных сталефибробетонныхэлементов в пос. Некрасовка

Представляет интерес применениесталефибробетона в кольцах водопроводных и канализационных сетей. НИИЖБзапроектированы кольца смотровых колодцев диаметром 1000 и 1500 мм с уменьшенной на 25% толщиной стенки, в которых сетчатая арматура полностью заменяется стальнойфиброй. Производство разработанных конструкций колец было организовано наВолховском КСК специалистами ПО «Железобетон» совместно со специалистамиСПбГАСУ (рис. 4). Для армирования колец используется фибра волнистогопрофиля из проволоки диаметром 0,5–0,7 мм, которая изготовляется этим предприятием.Испытания колец на прочность, морозостойкость и водонепроницаемость,проведенные НИИЖБ, показали, что показатели данных характеристик отвечаютпроектным требованиям. Внедрение аналогичной продукции с фиброй из листаорганизуется ПО «Липецкстройиндустрия» при технической помощи НИИЖБ и ВНИИжелезобетон.Применение сталефибробетонных колец позволяет резко снизить трудозатраты иматериалоемкость конструкций, улучшить их качество и полностью устранитьпроизводственный брак.

Рис. 4.Первая очередь опытно-промышленного производства Волховского КСК

В последние годы разработаны,исследованы и находят внедрение безнапорные и низконапорные трубы изсталефибробетона.

В СПбГАСУ разработанавибрационная технология сталефибробетонных безнапорных труб и низконапорныхтруб методом центрифугирования. При этом предложена новая схема формованияцентрифугированных труб, исключающая смещение фибр и обеспечивающая равномерноеих распределение по сечению изделия. Результаты исследований были апробированына ПО «Вологдатяжстрой» при выпуске опытной партии труб диаметром 500 мм, длиной 5000 мм и толщиной стенок 30 мм. Армирование производилосьфиброй из проволоки диаметром 0,5 мм в количестве 1 % от объема бетона (рис. 5–6).Анализ результатов исследований показал, что по сравнению с типовыми железобетоннымитрубами несущая способность сталефибробетонных труб безнапорных и низконапорныхвыше в 2 и 1,5 раза соответственно. НИИЖБ разработаны рабочие чертежибезнапорных сталефибробетонных труб диаметром 1000 и 1200 мм и длиной 3500 мм, с уменьшенной на 10–15 %толщиной стенок. При технической помощи НИИЖБ организовано опытное производствосталефибробетонных труб методом радиального прессования на ПО «Липецкстройиндустрия».

Рис. 5. Установка для испытания труб на механическую прочность итрещиностойкость

Рис. 6. Характер разрушения труб после испытания на механическуюпрочность. Слева: сталефибробетонная труба, Р = 12 тс/п. м (120 кН/п. м).Справа: железобетонная труба по ТУ 401-08-162-72, Р= 6тс/п. м (60 кН/п. м.)

Также представляет интересприменение сталефибробетона в сборных конструкциях емкостных сооружений. ВЦНИИпромзданий для резервуаров с сеткой колонн 3?6 м по серии 3.900-3разработаны и испытаны опытные образцы панелей перегородок толщиной 40 мм вместо 80 мм в типовыхжелезобетонных конструкциях. Применение сталефибробетона в перегородкахпозволяет вдвое снизить расход бетона и на 8–10 % — расход стали.

Разработаны лотки изсталефибробетона для широкой номенклатуры коммуникационных каналов промзданий илотки для водопровода и канализации. Прямоугольные и угловые лоткиизготавливаются методом погиба свежеотформованного плоского листа на гибкомподдоне. ЦНИИпромзданий совместно с ЛенЗНИИЭП исследовали работу сталефибробетонныхлотков. Испытывались угловые лотки толщиной 30 мм, размерами в плане 620?450 мм, армированныестальной фиброй диаметром 0,5 мм, длиной 50 мм, и прямоугольные лотки переменной толщины от 30 до 40 мм размерами в плане 1750?2970мм из бетона класса В25 . Испытания показали, что разработанные лотки отвечаютпроектным требованиям. Применение сталефибробетона в лотках позволит снизитьболее чем вдвое расход бетона, на 10–13 % — стали, на 25–50 % — стоимость ипочти в 2 раза — трудоемкость их изготовления.

Еще одной интересной областьюприменения сталефибробетона являются малые архитектурные формы — павильоны,навесы, цветочные вазы и другие элементы. НИИЖБ совместно с КТБ НИИЖБ разработаныпространственные конструкции сводов и оболочек из сталефибробетонныхромбических элементов. Ромбические элементы изготавливаются погибомсвежеотформованного плоского листа на гибкой опалубке, которая представляетсобой развертку криволинейного элемента. В Московской области с применениемтаких конструкций построены рыночный и остановочный павильоны. Сборныеромбические элементы размерами 3300?6500 мм изготавливали из мелкозернистогобетона класса В20, армированного стальной фиброй из проволоки диаметром 0,5 мм и длиной 50 мм и стержневой арматуройдиаметром 10 ммкласса А-ІІІ, располагаемой в контурных ребрах. Толщина поля ромбическогоэлемента составляет 20 мм,сечение контурного ребра 100?150 мм. Из двух типов ромбических элементов могутбыть собраны своды различного пролета и оболочки различного очертания.

Учитывая высокую технологичностьфибробетона, разработано техническое решение, согласно которому подобныеэлементы изготавливаются методом пневмонабрызга. По рекомендации и притехнической помощи СПбГАСУ, данная технология была применена ООО «ТЭК» (Санкт-Петербург)для изготовления «кронштейнов» и другой отделочной фурнитуры на фасадахСмольного собора в период его последней реставрации. При этом в качествеконструкционного материала использовался фибробетон с комбинацией фибр изнержавеющей стали и щелочестойких стеклянных волокон.

Из плотного бетона, в которомсинтетическая фибра служит для увеличения ударо- и морозостойкости, устраненияусадочных трещин, изготавливаются элементы сборных декоративных ограждений иизделия малых архитектурных форм с применением немедленной распалубки. Армированиелегкого бетона синтетической фиброй приводит к существенному улучшениюструктуры и физико-механических свойств материала, которые в результатепревышают показатели лучших мировых аналогов. Так, при средней плотности 1300–1400кг/м3 легкий фибробетон характеризуется пределом прочности при сжатиидо 35–40 МПа, маркой по морозостойкости до F300–400 и маркой по водонепроницаемости до W10–15. Композит с указаннымихарактеристиками успешно применяется для производства легких, прочных и долговечныхоблицовочной плитки и декоративного камня, а также может быть использован вмонолитном варианте при выполнении реставрационных работ.

Эффективно применениесталефибробетона в преднапряженных ребристых плитах покрытий взамен типовыхжелезобетонных размерами 3?6 и 3?12 м. ЦНИИпромзданий совместно с НИИЖБ былиразработаны, изготовлены и испытаны на ПО «Баррикада» (Санкт-Петербург) опытныеобразцы плит из сталефибробетона размерами 3?6 м. В полке сталефибробетонныхплит полностью отсутствует сетчатая арматура, а в продольных ребрах стержневаянапрягаемая арматура сохранена в соответствии с типовым решением вжелезобетонном варианте, в поперечных ребрах имеется только по одному стержню санкерами. Полка сталефибробетонной плиты уменьшена на 10 мм и составляет 20 мм против 30 мм в типовой плите. Вплитах использовалась фибра из проволоки диаметром 0,5–0,8 мм, класс бетонааналогичен типовому решению. Испытания, проведенные НИИЖБ, ЦНИИпромзданий иЛенЗНИИЭП показали, что эти плиты удовлетворяют требованиям ГОСТ 22701.0-77 попрочности, жесткости и трещиностойкости и могут быть рекомендованы дляприменения в экспериментальном строительстве. Используя результаты экспериментальныхисследований, ЦНИИпромзданий разработал чертежи сталефибробетонных ребристыхплит покрытий и перекрытий с различной несущей способностью для промышленногостроительства.

ЦНИИпромзданий разработананоменклатура сталефибробетонных тонкостенных элементов несъемной опалубки.Сталефибробетонные плиты толщиной 15 мм использовались в качестве опалубки трестом № 39Главзапстроя при возведении монолитных фундаментов под колонны. Трест«Казметаллургстрой» (Темиртау) освоил производство плит несъемной опалубкитолщиной 20 ммс фиброй из отработанных канатов. Применение сталефибробетонной несъемнойопалубки вместо инвентарной щитовой позволяет снизить трудозатраты настроительной площадке на 20–25 %, а также сократить сроки строительства.

Улучшенные характеристикисталефибробетона на растяжение, его способность выдерживать значительныеударные нагрузки, а также повышенные морозо- и износостойкость позволилииспользовать этот материал при строительстве дорог и аэродромов.

Мосинжпроект совместно с НИИЖБразработали чертежи плит для покрытий городских дорог с применениемсталефибробетона взамен железобетонных по ГОСТ 23009-78. В сталефибробетонныхплитах толщина уменьшена на 2 см по сравнению с типовыми плитами. Армирование плитпредусмотрено двух типов: фибровое и комбинированное с использованиемстержневой арматуры класса А-ІІІ. Анализ разработанных плит показал, чтонаиболее эффективными являются слоистые конструкции плит. Ввиду улучшенныххарактеристик фибробетона, таких как ударная стойкость, морозостойкость иистираемость, увеличивается срок службы, что дает дополнительный эффектэксплуатации сталефибробетонных плит.

В НИИЖБ совместно с Академиейкоммунального хозяйства проводились исследования сталефибробетонных плиттрамвайных путей. Исследовались плиты размерами 1730?680?120 мм, изготовленныепо вибрационной технологии и методом роликового формования. Армирование плит,изготовленных по вибрационной технологии, предусматривалось в двух вариантах — фибровоеи комбинированное. При первом варианте армирование осуществлялось фиброй изпроволоки диаметром 0,5 мми длиной 50 ммв количестве 1,25 % по объему, а во втором варианте — фиброй и сеткой изстержневой арматуры в нижнем слое. Плиты изготавливали из мелкозернистогобетона класса В30 с пластифицирующими добавками. Плиты испытывали по балочнойсхеме и доводили до разрушения. Испытания плит показали, что проектнымтребованиям отвечают лишь плиты с комбинированным армированием. При этомдисперсное армирование верхнего слоя плит повышает их износостойкость, ударнуювязкость и морозостойкость, в результате чего срок службы может увеличиватьсяпочти в 2 раза. Целесообразно плиты с комбинированным армированиемизготавливать методом роликового формования, что позволит получать бетон болееплотной структуры, а это также повысит срок эксплуатации плит.

Положительно зарекомендовал себясталефибробетон в конструкциях подземных сооружений. В частности, на протяженииряда лет успешно эксплуатируется один из участков тоннеля Петербургскогометрополитена, выполненный в сталефибробетонном варианте. При этом в качестведисперсной арматуры для изготовления тюбингов и лотковых блоков на заводе ЖБКиД№ 1 АО «Ленметрострой» использовалась фрезерная фибра, разработанная на кафедретехнологии конструкционных материалов Петербургского политехническогоуниверситета при участии специалистов СПбГАСУ.

Токарная фибра, получаемая прерывистымвибрационным резанием, нашла применение при разработке легких, прочных иударостойких сталефибробетонных элементов временной шахтной кровли. Проведенныерасчеты свидетельствуют об эффективности использования сталефибробетона дляданного вида изделий, потребность в которых для горнодобывающих регионов Россиисоставляет 50 млн шт. в год (данные ИГД им. Скочинского). Таким образом,ежегодный народно-хозяйственный эффект может составлять 215–280 млн руб.

Монолитный сталефибробетонвпервые был использован при устройстве днищ очистных сооружений и резервуарадля технической воды. Применение сталефибробетона позволило исключить изконструкции днищ значительную часть стержневой арматуры, облегчить производстворабот, снизить трудозатраты почти на 30 % и тем самым сократить срокивозведения сооружений. При строительстве днища резервуара на Северной водопроводнойстанции в Ленинграде сталефибробетонную смесь с расходом фибры, равным 1,5 % пообъему, готовили на бетонном узле ЗЖБИ и доставляли на строительную площадкуавтосамосвалами. Качество смеси после транспортирования было вполне удовлетворительным,расслоения бетона не наблюдалось, фибра в бетоне распределялась равномерно. Вдальнейшем ЦНИИпромзданий были разработаны конструктивные решения монолитныхднищ из сталефибробетона для емкостных сооружений широкой номенклатуры.

Впервые в отечественной практикеразработаны теория и отвечающие современным требованиям методы расчета ипроектирования конструкций защищаемых помещений (хранилищ ценностей) банковскихи музейных учреждений и фиброармированных бетонов, соответствующихрегламентируемым классам взломоустойчивости. Разработаны конструктивные решенияограждений с высоким уровнем сопротивления взлому, новизна которых подтвержденапатентами РФ. Разработаны и утверждены руководством Банка России нормативныедокументы, устанавливающие правила проектирования ограждающих конструкцийзащищаемых помещений, и осуществлено их широкое внедрение в практикустроительства.

Перспективным материалом дляограждающих конструкций и теплоизоляционных изделий является ячеистыйфибробетон неавтоклавного твердения. В связи с этим результаты исследованийиспользованы Изоляционно-сварочным заводом (Санкт-Петербург) при выпускеопытно-промышленных партий стальных труб для прокладки тепловых сетей сизоляцией из фибропенобетона, а также при организации производства строительныхматериалов ООО «Красное» (Санкт-Петербург), ЗАО «Фиброн» (Гатчина,Ленинградской обл.) и фирмой «ССМ-2» (Волосово, Ленинградской обл.), освоившихсерийный выпуск изделий из бетонов, армированных синтетическими волокнами. Внастоящее время фибропенобетонные плиты, обладающие повышенной прочностью,ударостойкостью, необходимыми тепло- и звукоизоляционными свойствами, успешноприменяются для возведения межкомнатных и межквартирных перегородок, а также вмногослойных конструкциях наружных стен зданий и сооружений. Из плотногобетона, в котором синтетическая фибра служит для увеличения ударо- иморозостойкости, снижения усадочных трещин, изготавливаются элементы сборныхограждений и изделия малых архитектурных форм с применением немедленнойраспалубки (рис. 7).

Рис. 7. Малые архитектурные формы из фибробетона

К числу новейших разработок относятсясоставы фиброцемента, армированного целлюлозными волокнами, а также техническиеи технологические предложения по изготовлению из этого материала тонкихкрупноразмерных облицовочных плит для возведения конструкций вентилируемыхфасадов зданий и сооружений различного назначения (рис. 8). Выпуск такихизделий организован на действующих технологических линиях комбината«Мостермостекло» (Московская обл.) после их довооружения и частичной переналадки.При этом результаты испытаний стандартных образцов, выпиленных из готовыхизделий, показали полную сходимость расчетных значений показателей с экспериментальнымиданными. Установлено, что производство фиброцементной плиты на 20 % дешевле,чем асбестоцементной. При этом экономится природный асбест, составляющийпредмет российского экспорта и сокращается доля импорта аналогичной продукциииз стран Западной Европы.

Рис. 8. Административное здание с вентилируемым фасадом изфиброцемента

Таким образом, эти и другиепримеры, а также анализ состояния и перспектив развития строительной индустрииРоссии показывает, что многопрофильное применение фибробетонных конструкций позволяетполучить значительный народно-хозяйственный эффект.