Опыт проектирования и производства эффективных строительных конструкций из фиброармированных бетонов

 

Ю. В. Пухаренко, д. т. н., профессор

В. С. Стерин, к. т. н.

И. Н. Легалов, д. инж. н.

Опыт проектирования и производства эффективных строительных конструкций из фиброармированных бетонов

В статье приводятся примеры конкретного использования результатов исследований при проектировании, разработке технологии и организации производства фибробетонных изделий и конструкций различного назначения с технико-экономической оценкой.

Известно, что применение свайных фундаментов взамен ленточных позволяет уменьшить объем земляных работ на 50—70 %, расход железобетона — на 30 % и более, трудоемкость — на 25 % и сметную стоимость — на 30 %. Устройство свайных фундаментов и, следовательно, изготовление свай можно вести круглогодично без снижения темпов работ в зимних условиях. Однако отмеченный экономический эффект часто не достигается из-за многочисленных случаев преждевременного разрушения голов, а иногда и стволов железобетонных свай, в результате чего они не могут быть погружены до проектных отметок, что приводит к снижению расчетных сопротивлений и надежности свайных фундаментов. Результаты обследования свайных полей в Санкт-Петербурге показали, что при погружении забивных свай в тяжелые и средние грунты около 30 % железобетонных свай не достигают проектных отметок и более чем у 80 % свай приходится срез?ть головы и стволы перед устройством ростверка.

На основании проведенных исследований Фундаментпроект, ЦНИИпромзданий, НИИЖБ и ЛенЗНИИЭП разработали рабочие чертежи для широкой номенклатуры свай с применением сталефибробетона, а на «Экспериментальном заводе» (Санкт-Петербург) разработана промышленная технология и организовано первое в России производство сталефибробетонных свай.

Изготавливаемые на «Экспериментальном заводе» сваи с применением сталефибробетона прошли проверку в условиях реального строительства, в результате которой установлено, что они обладают высокой ударостойкостью, обеспечивающей бездефектное погружение до проектных отметок и возможность отказа от применения свай-дублеров. Новые сваи можно забивать на одинаковую глубину, что позволяет избежать срезки стволов перед устройством ростверка. Способность к восприятию значительной энергии удара сокращает время погружения свай на 50 %, повышает возможности сваебойного оборудования и производительность сваебойных работ. Таким образом, открывается возможность решения механической системы «молот — свая — грунт» с наилучшими технико-экономическими показателями (рис. 1—2).

Рис. 1. Свайное поле из сталефибробетонных свай

Рис. 2. Свайное поле из железобетонных свай

Одним из перспективных направлений является применение сталефибробетона в конструкциях покрытий с безрулонной кровлей взамен традиционного железобетона с гидроизоляционным покрытием. НИИЖБ разработана конструкция складчатых панелей для зданий и сооружений различного назначения и отработана их технология на экспериментальной базе в пос. Некрасовка (рис. 3). Панели изготавливаются в специальных поддонах с паровой рубашкой методом погиба свежеотформованных плоских листов. После натяжения проволочной арматуры формуется плоский сталефибробетонный лист, затем благодаря шарнирному соединению борт? формы поднимаются для образования складчатого сечения, после чего складчатая панель подвергается термообработке. Натурные испытания и опыт эксплуатации конструкций показали их высокую надежность. При этом резко снижаются расходы на изготовление, монтаж и эксплуатацию покрытий.

Рис. 3. Крытый рынок из гнутоформованных сталефибробетонных элементов в пос. Некрасовка

Представляет интерес применение сталефибробетона в кольцах водопроводных и канализационных сетей. НИИЖБ запроектированы кольца смотровых колодцев диаметром 1000 и 1500 мм с уменьшенной на 25 % толщиной стенки, в которых сетчатая арматура полностью заменяется стальной фиброй. Производство разработанных конструкций колец было организовано на Волховском КСК специалистами ПО «Железобетон» совместно со специалистами СПбГАСУ (рис. 4). Для армирования колец используется фибра волнистого профиля 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 отвечают проектным требованиям. Внедрение аналогичной продукции с фиброй из листа организуется ПО «Липецкстройиндустрия» при технической помощи НИИЖБ и ВНИИжелезобетон. Применение сталефибробетонных колец позволяет резко снизить трудозатраты и материалоемкость конструкций, улучшить их качество и полностью устранить производственный брак.

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

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

В СПбГАСУ разработана вибрационная технология сталефибробетонных безнапорных труб и низконапорных труб методом центрифугирования. При этом предложена новая схема формования центрифугированных труб, исключающая смещение фибр и обеспечивающая равномерное их распределение по сечению изделия. Результаты исследований были апробированы на ПО «Вологдатяжстрой» при выпуске опытной партии труб диаметром 500 мм, длиной 5000 мм и толщиной стенок 30 мм. Армирование производилось фиброй из проволоки диаметром 0,5 мм в количестве 1 % от объема бетона (рис. 5—6). Анализ результатов исследований показал, что по сравнению с типовыми железобетонными трубами несущая способность сталефибробетонных труб безнапорных и низконапорных выше в 2 и 1,5 раза соответственно. НИИЖБ разработаны рабочие чертежи безнапорных сталефибробетонных труб диаметром 1000 и 1200 мм и длиной 3500 мм, с уменьшенной на 10—15 % толщиной стенок. При технической помощи НИИЖБ организовано опытное производство сталефибробетонных труб методом радиального прессования на ПО «Липецкстройиндустрия».

Рис. 5. Установка для испытания труб на механическую прочность и трещиностойкость

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

Также представляет интерес применение сталефибробетона в сборных конструкциях емкостных сооружений. В ЦНИИпромзданий для резервуаров с сеткой колонн 3?6 м по серии 3.900—3 разработаны и испытаны опытные образцы панелей перегородок толщиной 40 мм вместо 80 мм в типовых железобетонных конструкциях. Применение сталефибробетона в перегородках позволяет вдвое снизить расход бетона и на 8—10 % — расход стали.

Разработаны лотки из сталефибробетона для широкой номенклатуры коммуникационных каналов промзданий и лотки для водопровода и канализации. Прямоугольные и угловые лотки изготавливаются методом погиба свежеотформованного плоского листа на гибком поддоне. ЦНИИпромзданий совместно с ЛенЗНИИЭП исследовали работу сталефибробетонных лотков. Испытывались угловые лотки толщиной 30 мм, размерами в плане 620?450 мм, армированные стальной фиброй диаметром 0,5 мм, длиной 50 мм, и прямоугольные лотки переменной толщины от 30 до 40 мм размерами в плане 1750?2970 мм из бетона класса В25. Испытания показали, что разработанные лотки отвечают проектным требованиям. Применение сталефибробетона в лотках позволит снизить более чем вдвое расход бетона, на 10—13 % — стали, на 25—50 % — стоимость и почти в 2 раза — трудоемкость их изготовления.

Еще одной интересной областью применения сталефибробетона являются малые архитектурные формы — павильоны, навесы, цветочные вазы и другие элементы. НИИЖБ совместно с КТБ НИИЖБ разработаны пространственные конструкции сводов и оболочек из сталефибробетонных ромбических элементов. Ромбические элементы изготавливаются погибом свежеотформованного плоского листа на гибкой опалубке, которая представляет собой развертку криволинейного элемента. В Московской области с применением таких конструкций построены рыночный и остановочный павильоны. Сборные ромбические элементы размерами 3300?6500 мм изготавливали из мелкозернистого бетона класса В20, армированного стальной фиброй из проволоки диаметром 0,5 мм и длиной 50 мм и стержневой арматурой диаметром 10 мм класса А-ІІІ, располагаемой в контурных ребрах. Толщина поля ромбического элемента составляет 20 мм, сечение контурного ребра 100?150 мм. Из двух типов ромбических элементов могут быть собраны своды различного пролета и оболочки различного очертания.

Учитывая высокую технологичность фибробетона, разработано техническое решение, согласно которому подобные элементы изготавливаются методом пневмонабрызга. По рекомендации и при технической помощи СПбГАСУ, данная технология была применена ООО «ТЭК» (Санкт-Петербург) для изготовления «кронштейнов» и другой отделочной фурнитуры на фасадах Смольного собора в период его последней реставрации. При этом в качестве конструкционного материала использовался фибробетон с комбинацией фибр из нержавеющей стали и щелочестойких стеклянных волокон.

Из плотного бетона, в котором синтетическая фибра служит для увеличения ударо- и морозостойкости, устранения усадочных трещин, изготавливаются элементы сборных декоративных ограждений и изделия малых архитектурных форм с применением немедленной распалубки. Армирование легкого бетона синтетической фиброй приводит к существенному улучшению структуры и физико-механических свойств материала, которые в результате превышают показатели лучших мировых аналогов. Так, при средней плотности 1300—1400 кг/м3 легкий фибробетон характеризуется пределом прочности при сжатии до 35—40 МПа, маркой по морозостойкости до F300—400 и маркой по водонепроницаемости до W10—15. Композит с указанными характеристиками успешно применяется для производства легких, прочных и долговечных облицовочной плитки и декоративного камня, а также может быть использован в монолитном варианте при выполнении реставрационных работ.

Эффективно применение сталефибробетона в преднапряженных ребристых плитах покрытий взамен типовых железобетонных размерами 3?6 и 3?12 м. ЦНИИпромзданий совместно с НИИЖБ были разработаны, изготовлены и испытаны на ПО «Баррикада» (Санкт-Петербург) опытные образцы плит из сталефибробетона размерами 3?6 м. В полке сталефибробетонных плит полностью отсутствует сетчатая арматура, а в продольных ребрах стержневая напрягаемая арматура сохранена в соответствии с типовым решением в железобетонном варианте, в поперечных ребрах имеется только по одному стержню с анкерами. Полка сталефибробетонной плиты уменьшена на 10 мм и составляет 20 мм против 30 мм в типовой плите. В плитах использовалась фибра из проволоки диаметром 0,5—0,8 мм, класс бетона аналогичен типовому решению. Испытания, проведенные НИИЖБ, ЦНИИпромзданий и ЛенЗНИИЭП показали, что эти плиты удовлетворяют требованиям ГОСТ 22701.0—77 по прочности, жесткости и трещиностойкости и могут быть рекомендованы для применения в экспериментальном строительстве. Используя результаты экспериментальных исследований, ЦНИИпромзданий разработал чертежи сталефибробетонных ребристых плит покрытий и перекрытий с различной несущей способностью для промышленного строительства.

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

Улучшенные характеристики сталефибробетона на растяжение, его способность выдерживать значительные ударные нагрузки, а также повышенные морозо- и износостойкость позволили использовать этот материал при строительстве дорог и аэродромов.

Мосинжпроект совместно с НИИЖБ разработали чертежи плит для покрытий городских дорог с применением сталефибробетона взамен железобетонных по ГОСТ 23009—78. В сталефибробетонных плитах толщина уменьшена на 2 см по сравнению с типовыми плитами. Армирование плит предусмотрено двух типов: фибровое и комбинированное с использованием стержневой арматуры класса А-ІІІ. Анализ разработанных плит показал, что наиболее эффективными являются слоистые конструкции плит. Ввиду улучшенных характеристик фибробетона, таких как ударная стойкость, морозостойкость и истираемость, увеличивается срок службы, что дает дополнительный эффект эксплуатации сталефибробетонных плит.

В НИИЖБ совместно с Академией коммунального хозяйства проводились исследования сталефибробетонных плит трамвайных путей. Исследовались плиты размерами 1730?680?120 мм, изготовленные по вибрационной технологии и методом роликового формования. Армирование плит, изготовленных по вибрационной технологии, предусматривалось в двух вариантах — фибровое и комбинированное. При первом варианте армирование осуществлялось фиброй из проволоки диаметром 0,5 мм и длиной 50 мм в количестве 1,25 % по объему, а во втором варианте — фиброй и сеткой из стержневой арматуры в нижнем слое. Плиты изготавливали из мелкозернистого бетона класса В30 с пластифицирующими добавками. Плиты испытывали по балочной схеме и доводили до разрушения. Испытания плит показали, что проектным требованиям отвечают лишь плиты с комбинированным армированием. При этом дисперсное армирование верхнего слоя плит повышает их износостойкость, ударную вязкость и морозостойкость, в результате чего срок службы может увеличиваться почти в 2 раза. Целесообразно плиты с комбинированным армированием изготавливать методом роликового формования, что позволит получать бетон более плотной структуры, а это также повысит срок эксплуатации плит.

Положительно зарекомендовал себя сталефибробетон в конструкциях подземных сооружений. В частности, на протяжении ряда лет успешно эксплуатируется один из участков тоннеля Петербургского метрополитена, выполненный в сталефибробетонном варианте. При этом в качестве дисперсной арматуры для изготовления тюбингов и лотковых блоков на заводе ЖБКиД № 1 АО «Ленметрострой» использовалась фрезерная фибра, разработанная на кафедре технологии конструкционных материалов Петербургского политехнического университета при участии специалистов СПбГАСУ.

Токарная фибра, получаемая прерывистым вибрационным резанием, нашла применение при разработке легких, прочных и ударостойких сталефибробетонных элементов временной шахтной кровли. Проведенные расчеты свидетельствуют об эффективности использования сталефибробетона для данного вида изделий, потребность в которых для горнодобывающих регионов России составляет 50 млн шт. в год (данные ИГД им. Скочинского). Таким образом, ежегодный народно-хозяйственный эффект может составлять 215—280 млн руб.

Монолитный сталефибробетон впервые был использован при устройстве днищ очистных сооружений и резервуара для технической воды. Применение сталефибробетона позволило исключить из конструкции днищ значительную часть стержневой арматуры, облегчить производство работ, снизить трудозатраты почти на 30 % и тем самым сократить сроки возведения сооружений. При строительстве днища резервуара на Северной водопроводной станции в Ленинграде сталефибробетонную смесь с расходом фибры, равным 1,5 % по объему, готовили на бетонном узле ЗЖБИ и доставляли на строительную площадку автосамосвалами. Качество смеси после транспортирования было вполне удовлетворительным, расслоения бетона не наблюдалось, фибра в бетоне распределялась равномерно. В дальнейшем ЦНИИпромзданий были разработаны конструктивные решения монолитных днищ из сталефибробетона для емкостных сооружений широкой номенклатуры.

Впервые в отечественной практике разработаны теория и отвечающие современным требованиям методы расчета и проектирования конструкций защищаемых помещений (хранилищ ценностей) банковских и музейных учреждений и фиброармированных бетонов, соответствующих регламентируемым классам взломоустойчивости. Разработаны конструктивные решения ограждений с высоким уровнем сопротивления взлому, новизна которых подтверждена патентами РФ. Разработаны и утверждены руководством Банка России нормативные документы, устанавливающие правила проектирования ограждающих конструкций защищаемых помещений, и осуществлено их широкое внедрение в практику строительства.

Перспективным материалом для ограждающих конструкций и теплоизоляционных изделий является ячеистый фибробетон неавтоклавного твердения. В связи с этим результаты исследований использованы Изоляционно-сварочным заводом (Санкт-Петербург) при выпуске опытно-промышленных партий стальных труб для прокладки тепловых сетей с изоляцией из фибропенобетона, а также при организации производства строительных материалов ООО «Красное» (Санкт-Петербург), ЗАО «Фиброн» (Гатчина, Ленинградской обл.) и фирмой «ССМ-2» (Волосово, Ленинградской обл.), освоивших серийный выпуск изделий из бетонов, армированных синтетическими волокнами. В настоящее время фибропенобетонные плиты, обладающие повышенной прочностью, ударостойкостью, необходимыми тепло- и звукоизоляционными свойствами, успешно применяются для возведения межкомнатных и межквартирных перегородок, а также в многослойных конструкциях наружных стен зданий и сооружений. Из плотного бетона, в котором синтетическая фибра служит для увеличения ударо- и морозостойкости, снижения усадочных трещин, изготавливаются элементы сборных ограждений и изделия малых архитектурных форм с применением немедленной распалубки (рис. 7).

Рис. 7. Малые архитектурные формы из фибробетона

К числу новейших разработок относятся составы фиброцемента, армированного целлюлозными волокнами, а также технические и технологические предложения по изготовлению из этого материала тонких крупноразмерных облицовочных плит для возведения конструкций вентилируемых фасадов зданий и сооружений различного назначения (рис. 8). Выпуск таких изделий организован на действующих технологических линиях комбината «Мостермостекло» (Московская обл.) после их довооружения и частичной переналадки. При этом результаты испытаний стандартных образцов, выпиленных из готовых изделий, показали полную сходимость расчетных значений показателей с экспериментальными данными. Установлено, что производство фиброцементной плиты на 20 % дешевле, чем асбестоцементной. При этом экономится природный асбест, составляющий предмет российского экспорта и сокращается доля импорта аналогичной продукции из стран Западной Европы.

Рис. 8. Административное здание с вентилируемым фасадом из фиброцемента

Таким образом, эти и другие примеры, а также анализ состояния и перспектив развития строительной индустрии России показывает, что многопрофильное применение фибробетонных конструкций позволяет получить значительный народно-хозяйственный эффект.