Вы здесь

Новые технологии, материалы и конструкции на основе сталефибробетона

( материалы семинараДонецк - Харцызск - 2002

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Известно, что отставание в техническом прогрессе низводит целые страны на положение бедных и отсталых и напротив - страны, достигшие наибольших успехов в техническом прогрессе, как правило, относятся к числу процветающих и развитых стран. Ещё в большей степени это положение относится к отдельно взятым фирмам.

Технический прогресс в области строительства всегда относился к важным аспектам общего технического прогресса, т.к. в этом секторе экономики концентрируются очень большие материальные ресурсы.

Настоящий семинар является попыткой устранить очевидное отставание по одному из крупных и очень перспективных направлений в современном строительстве - в области сталефибробетона. Мы хотим ознакомить Вас с современным европейским опытом и с разработками в этой области, имеющимися в Украине, а также обсудить перспективы и области рационального применения сталефибробетона в Украине. Мы хотели бы сегодня обсуждать не только научные проблемы, но и программу практических действий по внедрению этого материала.

Из имеющихся убедительных доказательств динамичного развития сталефибробетона, как нового направления в строительстве на Западе, я приведу только два. Если принять 1978 год, когда сталефибробетон в Европе делал первые серьёзные шаги, за нулевую точку отсчета, то сегодня Германия потребляет уже порядка 20-25 тыс. тонн стальной фибры в год, что, примерно, соответствует 500 000 м сталефибробетона. Швейцария планирует довести в текущем году объем произведенного сталефибробетона до 10% общего количества товарного бетона, выпускаемого в стране. Причем, всё это происходит на фоне активного расширения областей рационального применения сталефибробетона. В чем же состоит привлекательность и  особенности этого материала?

Сталефибробетон - это строительный материал, состоящий из бетона  (матрицы) и стальной фибры (армирующих волокон). В соответствии с этим определением сталефибробетон может быть отнесен к группе новых строительных материалов - композитов. Хотя на Западе также бытует иное мнение, что сталефибробетон - это новый эффективный вид бетона с добавкой  стальной фибры. Но как бы там ни было, в результате равномерного, хаотичного введения стальной фибры в бетонную матрицу сталефибробетон  приобретает новые свойства, существенно отличающие его как от бетона, так и  от железобетона.

Следует, однако, избегать чересчур упрощенного взгляда на  сталефибробетон, в соответствии с которым можно в любую бетонную смесь  ввести любого типа стальную фибру по любой технологии и в результате получится хороший, качественный сталефибробетон. Это далеко не так. К  составу бетонной смеси, к форме и механическим свойствам фибры, а также к технологии приготовления и укладки сталефибробетонной смеси предъявляются высокие и очень специфические требования, которые позволяют отнести материал и технологию его изготовления к высоким технологиям (High - tech).

Основная конструктивная идея сталефибробетона состоит в том, что хаотически расположенные стальные волокна являются новым видом армирования для структуры бетона на этапе до образования трещин и на этапе работы материала с трещинами и тем самым сообщают ему новые конструктивные свойства. В случае отсутствия стальной фибры микротрещины, по мере их накопления, превращаются в макротрещины и приводят к разрушению бетона или потере таких свойств, как водонепроницаемость, морозостойкость, стойкость к агрессивным воздействиям и т.д.

Армирование стальными фибрами значительно увеличивает жесткость растворной части бетонной матрицы, а также её прочность на растяжение до образования трещин в структуре бетона.

После образования трещин стальные фибры, рассредоточенные по высоте трещины, воспринимают растягивающие усилия между её берегами, что резко замедляет развитие трещин. Особенно эффективно работают фибры, оказавшиеся в устье трещины. В результате трещины в сталефибробетоне появляются при значительно больших нагрузках и имеют значительно меньшую ширину раскрытия, чем в обычном железобетоне. Материал в стадии эксплуатации работает с ограниченным раскрытием трещин и при этом имеет достаточно высокую прочность на растяжение. Диаграмма деформирования сталефибробетона при растяжении имеет иное очертание и очень выгодно отличается от диаграммы растяжения для бетона (рис. Г).

Рис.1 Диаграммы деформирования сгалефибробетона и бетона при растяжении

                     сталефибробетон

бетон

Благодаря этому, а также высокой плотности бетонной матрицы, в частности, нанесённой методом торкретирования, сталефибробетон имеет высокие показатели стойкости структуры материала, которые сохраняются при работе с трещинами под нагрузкой при достаточно значительных деформациях материала. Под стойкостью здесь понимается морозостойкость, стойкость к нагреву, включая огнестойкость, стойкость к ударам и другим динамическим и сейсмическим нагрузкам, стойкость к истиранию, а также водонепроницаемость. Высокие параметры стойкости сохраняются также при агрессивных воздействиях на сталефибробетон. Значительное увеличение стойкости сталефибробетона по сравнению с бетоном для различных видов воздействий имеет практически один и тот же механизм. Так морозостойкость в конечном счете характеризует способность бетона, насыщенного водой, воспринимать растягивающие напряжения, возникающие при замерзании воды в его порах и капиллярах. Появление армирующих элементов в виде стальной фибры позволяет повысить его морозостойкость в 3-6 раз и тем самым радикально изменить этот параметр материала. Способность сталефибробетона воспринимать растягивающие напряжения после образования трещин в бетоне является также основной причиной повышения его стойкости к нагреву, включая повышенную огнестойкость. В этом случае имеет место несколько другой механизм возникновения растягивающих напряжений в структуре бетона, но механизм их восприятия остается тем же. Естественно, повышенная трещиностойкость сталефибробетона наряду с его мелкопористой структурой, способствует повышению его водонепроницаемости.

Как следует из рис.1, сталефибробетон обладает высокой энергией разрушения, в 20-40 раз превышающей этот показатель для бетона.

В результате этого резко возрастает стойкость сталефибробетона к ударам и другим динамическим и сейсмическим нагрузкам по сравнению с бетоном.

Механизм значительного повышения коррозионной стойкости сталефибробетона по сравнению с железобетоном несколько иной, т.к. коррозия фибры протекает иначе, чем коррозия арматуры в железобетоне. Если в железобетонных элементах значительные по объему продукты коррозии арматуры вызывают появление радиальных растягивающих напряжений, которые приводят к разрыву бетона и к появлению продольных трещин в защитном слое бетона, то небольшие по объему продукты коррозии стальной фибры не приводят к появлению трещин в структуре бетона, а наоборот, кальматируют поры и процесс коррозии носит затухающий характер.

Помимо перечисленных свойств, сталефибробетон, благодаря введению в его структуру стальной фибры, имеет повышенную прочность на растяжение в раннем возрасте, а также более низкие значения деформаций усадки и ползучести по сравнению с бетоном.

Всё изложенное позволяет прийти к выводу, что сталефибробетон, в том числе торкретсталефибробетон, характеризуется набором уникальных свойств:

  • высокой предельной растяжимостью и работой без трещин  или с малой
    шириной их раскрытия в стадии эксплуатации;
  • высокой водонепроницаемостью;
  • высокой коррозионной стойкостью и долговечностью;
  • повышенной прочностью на растяжение, в том числе в раннем возрасте;
  • высокой удельной энергией разрушения - в 20-40 раз выше, чем у бетона, в
    том числе  при действии ударов и других динамических  и сейсмических
    нагрузок;
  • высокой термостойкостью, включая огнестойкость,
  • хорошим сопротивлением истираемости,
  • пониженными деформациями ползучести и усадки по сравнению с бетоном.

Естественно, такой набор свойств сталефибробетона предполагает широкий спектр областей его эффективного применения.

Однако, одним из важнейших факторов, определяющих распространение любого строительного материала является его технологичность. Имеется ряд существенных технологических особенностей изготовления сталефибробетона, отличающих его от бетона и требующих их неукоснительного соблюдения. Но, тем не менее, основные технологические переделы изготовления бетона остаются для сталефибробетона без существенных изменений. Сталефибробетон может изготавливаться по технологии монолитного и сборного бетона (железобетона), а также может наноситься по технологии торкретирования. Нами разработаны и опробованы адаптированные к нашим производственным условиям перечисленные технологии изготовления сталефибробетона, включая разработку технологического регламента.

В частности, технологии торкретирования СТАФИБ, разработанная нами и опробованная уже в течение 11 лет, позволяет отказаться не только от армирования, но и от опалубочных работ и делает торкретсталефибробетон практически незаменимым для многих случаев ремонтов и усиления железобетонных конструкций, включая ремонты труднодоступных конструкций и конструкций сложной формы.

Высокая плотность бетонной матрицы сталефибробетона в этом случае достигается благодаря тщательно подобранной гранулометрии бетонной смеси, включающей до 4 фракций заполнителя, использованию микронаполнителя, а также благодаря такому эффективному методу уплотнения, как торкретирование. Помимо этого, в случае необходимости поверхность торкретсталефибробетона пропитывается специальными составами, которые сообщают её гидрофобные свойства или химическую стойкость и дополнительную твердость.

Как известно, определяющее значение для любого строительного материала или строительной технологии играет правильное определение областей их рационального применения. В случае сталефибробетона не было моды и повального увлечения, а была планомерная, целеустремленная работа в течение 30 лет по рациональному применению этого материала в странах Европы, Америки и в Японии. Впечатляющие результаты, которые на сегодня достигнуты, подробно изложены в докладе доктора Шнютгена. Здесь они представлены лишь в самом общем виде.

Монолитный сталефибробетон. Основной областью его применения являются полы промышленных зданий, которые составляют, примерно, 70% всего объёма потребляемого сталефибробетона. Монолитный сталефибробетон применяется также в качестве монолитных обделок метро и тоннелей, для взлетно-посадочных полос аэродромов, для стоянок автомобилей и наиболее нагруженных участков автомобильных дорог, для резервуаров и бассейнов, для ленточных и плитных фундаментов, в том числе свайных, в качестве футеровки для бункеров и силосов, для теплых полов и для стен подвалов в жилых зданиях, а также имеет ряд специальных приложений - банковские и сейфовые хранилища, взрывозащищённые фортификационные объекты и другие приложения.

Торкретсталефибробетон широко используется в тоннелестроении, прежде всего, в так называемого новом австрийском методе строительства тоннелей, для ремонтов и усиления железобетонных и каменных конструкций зданий и сооружений, а также для ремонтов мостов, для укрепления горных склонов и откосов, для гидроизоляции резервуаров и бассейнов, в качестве жаростойких футеровок. а также имеет ряд других эффективных приложений.

Сборный сталефибробетон. По этой технологии изготавливаются сталефибробетонные трубы для воды, тюбинги для метро, элементы стеновых панелей и плит перекрытия, сборные гаражи, сталефибробетонные железнодорожные шпалы, дорожные плиты, малые архитектурные формы, смотровые колодцы и крышки для смотровых колодцев и очень многие другие конструкции и изделия.

Помимо этого, в ряде случае стальная фибра может использоваться, как добавка в рядовой, товарный бетон с целью значительного улучшения его качества.

К числу очень перспективных направлений рационального применения сталефибробетона относится его применение в комплексных конструкциях, как правило, в сочетании с бетоном или железобетоном, с четким разделением функций каждого из материалов. В частности, сталефибробетон, располагаемый по контуру конструкции достаточно экономно, тонким слоем, обеспечивает высокую трещиностойкость конструкции, а также её высокую долговечность благодаря высоким показателям прочности на растяжение, морозостойкости, коррозионной стойкости, а также высоким показателям других видов стойкости сталефибробетона. Одновременно, такое решение создает необходимые предпосылки для значительного уменьшения прочности и стоимости основного бетона и сокращения количества стержневой арматуры. Таким образом, создаются предпосылки для получения высоких технических показателей конструкций при уменьшении их стоимости. К примеру, с использованием такого типа конструкций стен и перекрытий фирма SIBO возводит в Германии 2-х и 3-х этажные жилые дома.

Еще более перспективным является применение этой конструктивной идеи при ремонтах и усилении железобетонных конструкций, имеющих значительный физический износ, включая аварийные конструкции. Нанесение слоев усиления из сталефибробетона методом торкретирования на поврежденные железобетонные конструкции создает большие технологические преимущества при их ремонтах и усилении. В этом случае отпадает необходимость выполнения опалубочных работ, резко уменьшается количество арматурных работ, значительно упрощается процесс укладки бетона, в особенности, на труднодоступные поверхности и на поверхности сложной формы и. как следствие, также значительно упрощаются работы по устройству подмостей и лесов. Всё это приводит к уменьшению объема строительных работ и уменьшению их стоимости, что, в сочетании с конструктивными достоинствами рассматриваемого метода усиления, делает его наиболее конкурентоспособным, а в сложных случаях, практически безальтернативным. Для условий Украины наиболее перспективным направлением применения сталефибробетона нами определены ремонты и усиление старых, повреждённых железобетонных и каменных конструкций зданий и сооружений, учитывая их очень большой объём и важность проблемы сохранения и поддержания основных производственных фондов предприятий. Вместе с тем, другие области применения сталефибробетона, в том числе полы промышленных зданий, также могут оказаться востребованными. В соответствии с этим основная часть представленных материалов посвящена проблеме усиления и ремонтов железобетонных и каменных конструкций с применением технологий сталефибробетона, однако, другие направления применения сталефибробетона также рассмотрены.

II. Ремонты и усиление железобетонных конструкций торкрстсталефибро-бетоном.

Основными частями этого раздела являются технология усиления и ремонтов конструкций с использованием сталефибробетона, основные конструктивные решения, принимаемые при усилении железобетонных конструкций сталефибробетоном, методы их расчёта, примеры реализации предлагаемой технологии и методов расчёта при усилении весьма сложных и ответственных конструкций, находящихся в аварийном состоянии.

II. 1 Технология торкретсталефибробетона для усиления железобетонных конструкций зданий и сооружений.

Основными элементами системы усиления железобетонных и каменных конструкций с применением торкретирования сталефибробетонных смесей по технологии СТАФИБ являются:

  • выбор материалов для торкретсталефибробетона,
  • выбор конструктивных решений усиления сталефибробетоном различных
    типов железобетонных конструкций и расчёт конструкций усиления,
  • технология изготовления сухой сталефибробетонной смеси;
  • санация конструкции и подготовка к нанесению торкретсталефибробетона;
  • технология     приготовления     сталефибробетонной    смеси     и     нанесения
    расчетного количества слоев торкретсталефибробетона;
  • уход за торкретсталефибробетоном;
  • пропитка сталефибробетона с целью придания ему гидрофобных свойств и дополнительной химической стойкости.

Важнейшим элементом технологии, определяющим её эффективность, является выбор стальной фибры и исходных материалов для торкретбетона. В настоящее время по разработанной нами технологии ОАО "СИЛУР" освоено производство стальной фибры СТАФИБ из проволоки. Основные виды и параметры стальной фибры СТАФИБ приведены в таблицах 1 и 2. Фибра сертифицирована в Украине, на неё также получен специальный " Допуск общестроительного контроля", выданный Германским институтом строительной техники и разрешающий её применение в Германии.

СТАФИБ / Н    стальная фибра с загнутыми концами Графическое изображение:

Размеры в мм:

 

STAFIB 60/1.0

STAFIB 60/0.8

STAFIB 50/1.0

STAFIB 50/0.8

Длина Ltot

60,0 ±5,0

60,0 ± 5,0

50,0 ±5,0

50,0 ± 5,0

Диаметр d

1,0 ±0,1

0,8 ± 0,05

1,0 ± 0,1

0,8 ± 0,05

11рямая зона Lm

50,0 ± 2,0

50,0 ± 2,0

40,0 ± 2,0

40,0 ± 2,0

Длина крюка

5,0 ± 1,0

5,0+ 1,0

5,0+ 1,0

5,0+ 1,0

Le+Lk

 

 

 

 

Высота крюка Lh

2,5 ± 0,4

2,5 ± 0,4

2,5 ± 0,4

2,5 ± 0.4

 

STAFIB 30/0.8

STAFIB 30/0.6

STAFIB 30/0.5

 

Длина Ltot

30,0 ± 3,0

30,0 ±3,0

30,0 ± 3,0

 

Диаметр d

0,8 ± 0,05

0,6 ± 0,05

0,5 ± 0,05

 

Прямая зона Lm

20,0 ± 1,0

20,0 ± 1,0

20,0 ± 1,0

 

Длина крюка

5,0+ 1,0

5,0+ 1,0

5,0+ 1.0

 

Le+Lk

 

 

 

 

Высота крюка Lh

2.2 ± 0,4

2,2 ± 0,4

2,2 ± 0,4

 

Механические свойства:

Стальная фибра из низкоуглерод. стали

из высокоуглерод. стали

Диаметр

d =1,0 - 0,8mm

d = 0,5-0,6 mm

d =1,0-0,8mm

d = 0,5-0,6 mm

Прочность раст Угол загиба

Количество загибов

> 1000 N/mm2 180°

2

>1100N/mm2 180°

2

> 1700 N/mm2 180°

2

> 2200 N/mm2 180°

2

СТАФИБ   стальная фибра прямая

Графическое изображение:


Размеры:

Длина фибры L: Диаметр d: 6-40 mm 0,15 - 0,4 mm

Как правило, фибра изготавливается из низкоуглеродистой стали с минимальным сопротивлением растяжению 1000 МПа для фибры из проволоки диаметром 1 мм и 1100 МПа для фибры из проволоки меньших диаметров. Высокая прочность является важным параметром стальной фибры, т.к. она обеспечивает большой запас упругих деформаций фибры, что гарантирует её хорошую работу в бетоне. Разрушение сталефибробетона с такой фиброй происходит от её выдергивания из бетона, а не от разрыва фибры. Американский стандарт на стальную фибру запрещает применение фибры с низкой прочностью на растяжение - ниже 340 МПа.

Выбор формы фибры зависит от условий её работы в бетоне. Если фибра предназначена для работы в бетоне без трещин в стадии эксплуатации, то прямая форма фибры является вполне допустимой. Если фибра предназначена для переноса растягивающих усилий через трещину, то наличие эффективных анкеров на концах фибры является обязательным. Следующим важным параметром для фибры является отношение её длины к диаметру, которое обеспечивает эффективную работу фибры в бетоне и хорошее сцепление. Желательным является отношение равное 80-100, однако, с увеличением этого отношения ухудшаются условия перемешивания стальной фибры в бетономешалке и появляется склонность к комкованию фибры. Поэтому в качестве оптимальных принимаются отношения равные 60 - 80.

Выбор длины стальной фибры во многом определяется размером максимального крупного заполнителя бетонной смеси. В Германском руководстве по сталефибробетону это соотношение рекомендуется принимать не менее 2. Следовательно, для монолитного сталефибробетона с максимальным размером крупного заполнителя 20 мм может быть рекомендована стальная фибра длиной 50-60 мм, а для торкретсталефибробетона с максимальным размером 10 мм может быть принята фибра длиной до 30 мм. В последнем случае эта длина также ограничивается диаметром сопла, составляющим обычно 30 мм. Из номенклатуры фибры СТАФИБ для торкретбетона может быть рекомендована фибра СТАФИБ 30x0,8, СТАФИБ 30x0,6 и СТАФИБ 30x0,5.

Для более обоснованного выбора типа фибры, применяемой для торкретирования, нами были проведены специальные эксперименты. В опытах на стандартных сталефибробетонных балочках исследовалось влияние вида фибры на прочность сталефибробетона на растяжение в момент образования трещины (σ1) и сопротивление сталефибробетона с трещиной растяжению в стадии эксплуатации при максимальном раскрытии трещины до 0,2 мм (σ2 )   

Опыты проводились на сталефибробетонных балочках, армированных 3 видами фибры: фибра СТАФИБ 30x0,6 мм (тип Ф-1) с загнутыми концами и прямые фибры СТАФИБ 12,5x0,17 мм (тип Ф-3) и СТАФИБ 12,5 х 0,4 мм (тип Ф-2).

Приведенные на рис.2 и рис.3 экспериментальные данные свидетельствуют о значительном влиянии на эффективность фибрового армирования соотношения размеров крупного заполнителя и длины фибры. В случае, когда длина фибры менее или равна размеру крупного заполнителя, эффективность фибрового армирования невелика. Использование 1,5% объемного армирования фиброй 0,15x12,5мм (тип Ф-3) позволило увеличить величины σ1 и σ2 для сталефибробетона лишь на 35-45% (кривая 4 на рис.2а и 2в). В случае, когда длина фибры превышает размер крупного заполнителя более чем в 1,5 раза , эффективность фибрового армирования возрастает более, чем в 2 раза при том же проценте армирования (кривые 1-3 на рис. За и 36). Это свидетельствует о том, что негативное влияние на прочность структуры бетона различных деформативных свойств растворной части и крупного заполнителя существенно компенсируется в этом случае фибровым армированием, которое воспринимает растягивающие напряжения и ограничивает рост микротрещин на контакте «растворная часть - крупный заполнитель".

Приведенные на рис.2 экспериментальные данные позволяют также сделать вывод о зависимости эффективности фибрового армирования от прочности бетонной матрицы. С увеличением прочности бетонной матрицы эффективность фибрового армирования закономерно понижается. Однако, влияние этого фактора относительно невелико. Рост прочности бетонной матрицы на сжатие с 20 МПа до 35 МПа привел к относительно меньшему

Рис. 3    Влияние типе и количества стальных фибр на сопротивления сталефмбробетона при изгиб*    -      ol,o2, етЗ. Условные обозначения:

Эксперимент        Теория

б- ЯЬ=ЗБМПа, фибра 0,4x12,6 мм,                                 о                                  

6- Rb=2O МПа, смесь: фибры 0,31x28 мм 1% ♦

.+ фибры 0,15x12,5 мм N%         О                   -----------

остальные условные обозначения приведены на рисунка 2.

повышению  прочности  на  растяжение  фибрового  армирования  для  всех исследуемых параметров σ1,, σ2  и σ3 (кривые 2 и 3 на рис.2).

Экспериментальные данные, приведенные на рис. 3, свидетельствуют также о большом влиянии качества сцепления фибры с бетонной матрицей на эффективность фибрового армирования. В случае невысокого качества сцепления ( тип Ф-2 ) эффективность фибрового армирования невелика: отмечается увеличение параметра σ1 на 38% при введении фибры по объему (кривая 5 на рис. За). При использовании фибры с хорошим сцеплением с бетоном ( тип Ф-3 ) увеличение   σ1  составило 73% при том же количестве фибры. Для параметров σ2 и σ3 приращение этих величин составляло примерно 65-70% при переходе к фибре, имеющей хорошее сцепление с бетонной матрицей при 1% объемного армирования (кривые 1 и 3 на рис.3). Следует также отметить, что эффективность фибрового армирования для обоих типов фибр, имеющих хорошее сцепление с бетонной матрицей (тип Ф-1 и тип Ф-3),оказалась практически одинаковой (рис. За, б, в). Эти данные свидетельствуют также о том, что влияние межцентрового расстояния между фибрами при исследуемых процентах армирования оказалось весьма незначительным - межцентровое расстояние для фибры типа Ф-3 было, примерно, в 4 раза меньше, чем для фибры типа Ф-1, а величины σ1 , σ2  и σ3  оказались лишь в 1,1—1,2 раза большими при одинаковых процентах армирования (кривые 1 и 2 на рис.2). Увеличение содержания фибры в бетонной матрице во всех случаях приводило к росту сопротивления сталефибробетона при изгибе. Однако, для разных типов фибры увеличение ее количества в бетонной матрице по-разному повлияло на эффективность фибрового армирования. Так для фибры, имеющей хорошее сцепление с бетоном (типы Ф-1 и Ф-3), отмечалась высокая эффективность фибрового армирования при величине объемного армирования до 1%, а в диапазоне 1-2% эффективность фибрового армирования существенно понижалась. Для фибры, не имеющей хорошего сцепления с бетонной матрицей (тип Ф-2), эффективность фибрового армирования существенно ниже, чем для фибры типов Ф-1 и Ф-3, однако, она возрастала с, примерно, постоянной скоростью при увеличении процента фибрового армирования (рис 2 и 3).

Полученные результаты экспериментов и приведенные рекомендации позволяют проектировать сталефибробетон с заранее заданными свойствами. Основными способами формирования свойств сталефибробетона являются назначение класса бетонной матрицы и выбор типа и количества фибры. Особенно эффективным приёмом является одновременное введение в бетонную матрицу фибры различных типов, так называемый "фибровый коктейль". В этом случае появляется возможность сочетать высокие механические свойства сталефибробетона с максимальной технологичностью его изготовления и хорошими экономическими показателями.

Материалы для торкретсталефибробетонной смеси включают цемент, щебень, песок нескольких фракций и воду, а также специальные добавки - стальную фибру и микросилиций. К качеству составляющих бетонной смеси предъявляются достаточно высокие требования:

  • в качестве вяжущего следует применять портландцемент активностью не
    менее 45 МПа и с добавкой шлака не более 20%,
  • в качестве крупного заполнителя следует применять гранитный щебень с
    максимальной крупностью заполнителя до 10 мм,
  • в качестве мелкого заполнителя следует применять  смесь песков двух
    фракций - песок крупнозернистый кварцевый   и песок мелкозернистый в
    оптимальных соотношениях, 
  • гранулометрический состав заполнителей должен обеспечивать практически непрерывную кривую рассева.

Микросилиций представляет мелкодисперсную добавку к бетону, содержащую 92-95 % кремния с тонкостью помола 200 000 см2/грамм. Такая величина удельной поверхности, которая в 60-70 раз превышает удельную поверхность цемента, в сочетании с высокой химической чистотой продукта существенно влияет на свойства и структуру бетонной смеси и затвердевшего бетона. В затвердевшем бетоне эта добавка заполняет крупные поры и капилляры и формирует мелкопористую структуру, обладающую высокой водонепроницаемостью и морозостойкостью. Помимо этого, микросилиций химически связывает свободную известь цементного камня, сообщая бетону высокую стойкость к коррозионным воздействиям. При нанесении бетонной смеси методом торкретирования применение микросилиция значительно уменьшает отскок, увеличивая толщину наносимого за один проход слоя и улучшая качество сталефибробетона. Высокие требования, предъявляемые к бетонной матрице, должны сочетаться с такими ограничениями, как ограничение максимального размера крупного заполнителя, который не должен превышать 12 мм, и ограничение количества щебня в смеси. Ограничения связаны с максимальной длиной стальной фибры, которая для торкретсталефибробетона не должна превышать 30 мм, а также с возможностью расслаивания смеси при её движении по материалопроводу при большом содержании щебня. В связи с этим подбирается специальная гранулометрия, обеспечивающая непрерывность кривой рассева. Расход цемента превосходит обычный расход цемента для бетона и торкретбетона в связи с тем, что наличие фибры, имеющей развитую поверхность, требует дополнительного расхода цементного клея.

Изготовление сухой сталефибробетонной смеси во многом определяет качество сталефибробетонного покрытия и выполняется по специальной технологии СТАФИБ, защищенной патентом. В состав смеси входит крупный и мелкий заполнитель, стальная фибра и микронаполнитель. Основная проблема состоит в равномерном распределении стальной фибры в смеси без комков. Принята схема последовательной послойной укладки на движущуюся транспортерную ленту сухой смеси и стальной фибры. При этом производится дозирование содержания фибры в смеси и её равномерная укладка без комкования. Затем происходит перемешивание слоев и равномерная укладка сухой сталефибробетонной смеси по площади бункера. Сухая смесь должна поставляться на строительную площадку дозировано в удобной таре.

Санация конструкции, подлежащей ремонту и усилению, а также подготовка поверхности этой конструкции к торкретированию во многом определяет качество сцепления торкретсталефибробетона с усиливаемой конструкцией и долговечность конструкции усиления. Обычно санация включает грубую обработку поверхности усиливаемой конструкции с помощью пневмо- и ручного инструмента с целью удаления поврежденного и отслоившегося бетона и последующую влажную пескоструйную обработку с целью очистки арматуры от следов коррозии и придания поверхности бетона необходимой степени шероховатости. Перед торкретированием поверхность конструкции должна быть плотной, прочной, шероховатой, чистой и увлажненной (без образования "лужиц"). Грубая насечка поверхности не рекомендуется.

Технология приготовления сталефибробетонной смеси и её нанесения разработана на основе модифицированной технологии "мокрого торкретирования" - технологии торкретирования с малым содержанием материала в потоке сжатого воздуха, адаптированной для сталефибробетона. Основное оборудование для приготовления и нанесения смеси включает пневмонагнетатель, диспергатор, компрессор, материалопровод с разъемами и сопло. Их эффективное использование позволяет решать следующие технологические задачи. В результате приготовления смеси должна быть получена затворенная водой сталефибробетонная смесь с заданным постоянным составом (включая заданный расход воды), равномерным распределением фибры в бетонной смеси без комков, и при этом вся фибра должна быть надежно покрыта слоем цементного клея. При нанесении смеси на усиливаемую поверхность должна быть обеспечена высокая степень уплотнения сталефибробетонной смеси за счет высокой скорости нанесения, равномерность распределения фибры по поверхности и минимальный отскок. Первая часть проблем решается благодаря специально приготовленной сухой смеси в миксере пневмонагнетателя, которая заранее обеспечивает хорошее и равномерное распределение стальной фибры в бетонной смеси и заданный, гарантированный состав. Пневмонагнетатель представляет собой миксер с горизонтальным валом ёмкостью 0,3 м3, жестко соединенный на одной раме с компрессором производительностью 5,25 м3/час. После окончания перемешивания миксер герметично закрывается и превращается в ёмкость пневмонагнетателя, в котором сжатым воздухом от компрессора пневмонагнетателя создается избыточное давление. В результате работы пневмонагнетателя смесь дозированным порциями подается к диспергатору, где с помощью сжатого воздуха дополнительно измельчается и насыщается сжатым воздухом до содержания, примерно, 7-8 % от объема материалопровода. Благодаря большому насыщению смеси сжатым воздухом и невысокому сопротивлению в материалопроводе при транспортировке появляется возможность "разогнать" смесь до скорости 50-70 м/сек, что достаточно для её качественного уплотнения. Наличие добавок, прежде всего, микросилиция, а также наличие цементного клея на поверхности фибры позволяет существенно снизить отскок смеси при торкретировании, в том числе отскок наиболее дорогой её компоненты - стальной фибры.

В результате, при нанесении сталефибробетонных покрытий получены следующие параметры технологии торкретирования:

  • производительность - 1,5 м3/час;
  • толщина наносимого за 1 проход слоя торкрета - от 1,5 до 12 см;
  • максимальное содержание стальной фибры в смеси по объему -1,5%;
  • минимальное количество отскока от объема смеси - до 10%;
  • дальность транспортировки смеси по горизонтали / вертикали - 250 м/ 50 м;
  • расход воздуха -7-8 м3/мин;
  • максимальная крупность заполнителя - 10 мм;
  • прочность на сжатие в 28-дневном возрасте - 25 МПа.

Техника торкретирования сталефибробетонных смесей соответствует общепринятой технике торкретирования бетонных смесей.

Уход за сталефибробетоном после его нанесения также соответствует стандартному регламенту ухода за торкретбетоном.

Разработанная технология усиления железобетонных конструкций торкретсталефибробетоном может быть эффективно реализована лишь при наличии эффективной системы контроля качества всех основных параметров рассматриваемой технологии. В принятой системе контроля качества контролируются следующие параметры.

Параметры итогового контроля:

  • прочность на сжатие;
  • прочность на растяжение при изгибе;
  • прочность на растяжение методом раскалывания кусков;
  • равномерность распределения стальной фибры в торкретбетоне;
  • диаграмма деформирования и параметры качества сталефибробетона.

Параметры пооперационного контроля:

  • качество исходных материалов - стальной фибры, цемента, песка, щебня,
    воды и микрокремнезема, а также других добавок и пропиток;
  • точность дозирования материалов;
  • подвижность бетонной смеси;
  • расход сжатого воздуха;
  • количество и состав отскока;
  • состав сталефибробетонной смеси после торкретирования.

Остановимся подробнее на определении параметров итогового контроля. Прочность сталефибробетонных кубов с размером ребра 10 см на сжатие и раскалывание должна определяться по стандартным методикам на сертифицированном стандартном прессовом оборудовании.

Наиболее сложным и в тоже время наиболее информативным видом итогового контроля является испытание сталефибробетонных балок на изгиб. Методика проведения испытаний является достаточно сложной и предполагает наличие специального оборудования и специализированной организации для проведения испытаний. Решить эту проблему в значительной степени позволяет предложенный нами неразрушающий метод контроля качества сталефибробетона, идея которого показана на рис. 4. Для испытаний используется стандартный прибор ГПНВ-5 или его другая модификация, а в сталефибробетоне устанавливается соответствующий ему стандартный анкер. Отличие от стандартного испытания бетона на отрыв со скалыванием состоит в том, что испытание проводят таким образом, чтобы приращение линейных перемещений анкера на каждом этапе было постоянным, а усилие, передаваемое на анкер могло не только увеличивается, но и уменьшатся таким образом, чтобы удовлетворять требованию постоянства перемещения анкера.

По перемещению анкера и величине усилия, приложенного к анкеру, строится график "нагрузка - перемещение" для вырываемого микрообъема (рис. 5 ). При этом точка P1 , характеризующая зону пропорционального роста усилий, указывает на предел прочности бетонной матрицы (Рматр), а точка Р2, характеризующая зону максимального усилия (Рмакс), определяет предел прочности сталефибробетона. Кривая испытаний, помимо восходящего участка, имеет нисходящий участок, на котором сталефибробетон работает с трещинами. Из полученной в процессе испытания кривой "нагрузка- прогиб" для вырываемого микрообъема могут быть также определены характеристики качества сталефибробетона в характерных точках.. Эти характеристики качества получают путем деления площади S под кривой в точках, соответствующих перемещению 2δ, 3δ, 4,3δ, на площадь SII под участком кривой, соответствующим прочности бетонной матрицы, где δ  - перемещение, соответствующее пределу прочности бетонной матрицы.

Характеристики качества сталефибробетона представляют собой относительное значение энергии, затраченное на деформирование сталефибробетона в установленных точках на кривой, которые соответствуют работе сталефибробетона в стадии эксплуатации, а также в стадии, близкой к разрушению.

Предлагаемый неразрушающий метод испытаний позволяет отказаться от сложных испытаний сталефибробетонных балок при контроле качества конструкций усиления и обеспечивается проведение контроля качества сталефибробетона усиления в любых, наиболее ответственных зонах.

      

Рис.4 Определение прочности и характеристик качества сталефибробетона неразрушающим методом

а) анкер в сталефибробетоне

б) пресс для приложения нагрузки к анкеру

Рис.5 Диаграмма "нагрузка-перемещение" для анкера, вырываемого из сталефибробетона

II.2  Методы расчёта усиления железобетонных конструкций торкретсталефибробетоном и рекомендуемые конструктивные решения.

Конструкция усиления сталефибробетоном повреждённой железобетонной конструкции, требующей усиления, зависит от характера повреждений, остаточной несущей способности конструкции перед усилением и от многих других факторов. В приведенных в разделе П.З примерах даны достаточно подробные описания принятых для каждого случая конструктивных решений. Здесь лишь укажем общие, наиболее часто встречающиеся случаи:

  • усиление торкретсталефибробетоном железобетонных конструкций
    (участков конструкций), работающих без трещин,
  • усиление торкретсталефибробетоном железобетонных конструкций
    (участков конструкций), работающих с трещинами,
  • усиление    железобетонных    конструкций,    работающих    с    трещинами,
    торкретсталефибробетоном со стержневой арматурой.

Для построения метода расчёта усиления торкретсталефибробетоном железобетонных конструкций рассмотрим предварительно основы расчёта сталефибробетонных конструкций на примере расчёта изгибаемых сталефибробетонных элементов, армированных фиброй малых размеров.

Существует особый класс сталефибробетонных конструкций, армированных фиброй малых размеров. К нему относятся такие важные для практического применения конструкции, как тонкостенные сталефибробетонные конструкции, а также конструкции и покрытия, выполняемые методом торкретирования. В этих случаях по конструктивным и технологическим соображениям длина фибрового волокна не должна превышать 30 мм. Армирование фибрами малых размеров вызывает целый ряд особенностей напряжённо- деформированного состояния конструкций из такого типа сталефибробетона, в первую очередь, изгибаемых сталефибробетонных элементов. В результате экспериментально теоретических исследований нами установлено, что для расчёта момента трещинообразования сталефибробетонного изгибаемого элемента, армированного фиброй малых размеров, может быть использована методика, базирующаяся на следующих общепринятых предпосылках :

  •  сечения после деформации остаются плоскими;
  • напряжения в сжатой зоне определяются с учётом упругих деформаций
    сталефибробетона;
  • напряжения в растянутой зоне распределены равномерно по её высоте и
    принимаются равными нормативному значению прочности
    сталефибробетона на растяжение - Rfbt,ser;
  • наибольшее относительное удлинение крайнего растянутого волокна
    принимается равным 3Rfbt,ser/Ebf.

Для сталефибробетонного изгибаемого элемента без стержневой арматуры в качестве расчётной принимается схема усилий и эпюра распределения напряжений в поперечном сечении, приведенные на рис. 6 . Вы­соту растянутой зоны элемента по результатам исследований допускается принять постоянной и равной 0,55 h. С учётом изложенных предпосылок расчёта условие трещиностойкости сталефибробетонного изгибаемого элемента будет иметь вид:

М < Мfсrс≈Rf1t,ser 0,55 bh (0,3 + 0,275) h = 0,32 Rf1t,ser bh2;      (I)

где М  - момент от действия  внешних нагрузок, с соответствующими коэффициентами перегрузки, принимаемыми при расчёте по второй группе предельных состояний; Rf1t,ser - нормативное сопротивление сталефибробетона растяжению.

Рис. 6 Схема усилий и эпюра напряжений в поперечном сечении в момент образования трещины в сталефибробетонном изгибаемом элементе.

Сопоставление расчётных и экспериментальных моментов трещино­образования, полученных при испытании сталефибробетонных балок с 3 типами короткой фибры (Ф-1, Ф-2, Ф-3) показывает, что разница между ними находилась в пределах -4,9% -+5,6%.

При наличии стержневой ненапрягаемой арматуры в сталефибробетонном изгибаемом элементе необходимо дополнительно учесть напряжения и соответствующие им деформации в стержневой арматуре, равные предельным деформациям растяжения сталефибробетона при образовании трещины. Экспериментально установлено, что величины этих деформаций превышают предельные деформации растяжения бетона при изгибе в 1,4-2,3 раза. В этом случае, момент трещинообразования в сталефибробетонных изгибаемых элементах со стержневой арматурой может быть определён по формулам СниП по расчёту железобетонных конструкций с использованием параметров сталефибробетона Rf1t,ser и αf :

Описание напряжённо-деформированного состояния сталефибробетона после образования трещины является достаточно сложной задачей, т.к. материал теряет сплошность структуры, появляется единичная трещина и область повышенных деформаций около трещины. Для нас этот случай не представляет практического интереса, т.к. не соответствует случаю работы сталефибробетона с железобетонной конструкцией.

Ширина раскрытия трещин в сталефибробетонном изгибаемом элементе со стержневой арматурой будет существенно меньше, чем в аналогичном железобетонном элементе. Для оценки вклада сталефибробетона, при определении ширины раскрытия трещин в сталефибробетонном элементе со стержневой арматурой может быть принята процедура расчёта, основанная на. методе последовательных приближений. В первом приближении по моменту от внешних нагрузок М отыскивается ширина раскрытия трещины wS1crc) в железобетонном изгибаемом элементе по методике СНиП в предположении отсутствия армирования стальной фиброй. Затем, по изложенной выше методике отыскивается значение Mfcrc1, соответствующее величине ws1. На второй итерации ширина раскрытия трещины в железобетонном элементе ws2 отыскивается уже от действия момента (М - Mfcrc1), а затем отыскивается новое значение Mfcrc2 воспринимаемое сталефибробетонным элементом при новом значении ширины раскрытия трещины ws2 Затем итерационный процесс повторяется. Полученная методика позволяет выделить вклад каждого из видов армирования (фибровое и стержневое) в восприятие изгибающего момента и установить рациональное соотношение между ними.

При расчёте прочности сталефибробетонных изгибаемых элементов также различают два случая - изгибаемый элемент без стержневой арматуры и изгибаемый элемент, армированный стержневой арматурой.

Первый случай имеет, только теоретическое значение, т.к. разрушение происходит при значениях моментов существенно ниже моментов грещинообразования. Такие элементы допускается эксплуатировать, как правило, только до образования трещин. Как правило, это конструкции с экономической ответственностью, например, сталефибробетонные полы.

При расчёте прочности сталефибробетонных изгибаемых элементов со стержневой арматурой в качестве расчётной принимается схема усилий, изображённая на рис. 7. В стадии, близкой к разрушению, для сталефибробетонного изгибаемого элемента со стержневой арматурой существенная часть усилия в растянутой зоне приходится на сталефиброоетон, который в этом случае необходимо учитывать в расчёте. Остальные предпосылки расчёта являются общепринятыми для расчёта железобетонных изгибаемых элементов . Условие прочности для изгибаемого сталефибробетонного элемента прямоугольного сечения со стержневой арматурой запишется в следующем виде:

Рис. 7. Схема усилий и эпюра распределения напряжений в сталефибробетонном изгибаемом элементе, армированном стержневой арматурой, при расчёте прочности по нормальному сечению.

При расчёте прочности сталефибробетонных изгибаемых элементов со стержневой арматурой рекомендуется соблюдение условия СНиП:

x< ξRho                                                     (8)

В формулах (6) и (7): Rfb и Rf3t - расчётные сопротивления сталефибробетона соответственно сжатию и растяжению.

Методика расчета прочности сечений, нормальных к продольной оси комплексных изгибаемых элементов, состоящих из железобетона и сталефибробетонного слоя усиления, предполагает следующие предпосылки, обычно принимаемые в СниП по расчёту железобетонных конструкций:

  • сечение,   плоское  до   приложения   нагрузки,   остаётся   плоским   и   после
    приложения нагрузки;
  • деформации в арматуре, имеющей сцепление с бетоном, при сжатии и при растяжении будут такими же, как и в окружающем бетоне;
  • деформации   в  сталефибробетоне,   имеющем  сцепление   с   бетоном,   при сжатии и при растяжении будут такими же, как и в примыкающих слоях бетона;
  • напряжения в арматуре сжатой зоны принимаются  не более расчётного
    сопротивления Rsc.

С учётом принятых предпосылок расчёта и нормируемых диаграмм деформирования стержневой арматуры, бетона и сталефибробетона получим в качестве расчетного распределение деформаций по сечению элемента, изображенное на рис. 8а, и соответствующие ему расчётные эпюры напряжений в бетоне, арматуре и сталефибробетоне, изображенные на рис.9.

Рис. 8 Эпюры деформаций в сечении изгибаемого элемента при расчёте его прочности:

а) предельные деформации в растянутом сталефибробетоне 0.01;

б) предельные деформации в растянутом сталефибробетоне более 0.01.

Расчетные схемы усилий и эпюры напряжений (рис.9) содержат некоторые упрощения.

В сжатой зоне рассчитываемого элемента для бетона и сталефибробетона принята прямоугольная эпюра распределения напряжений. Это упрощение справедливо для бетонов класса В-40 и ниже.

 

В растянутой зоне рассчитываемого элемента при распределении деформаций по высоте сечения, принятом на рис. 8а, в эпюру распределения напряжений в вертикальных слоях сталефибробетона введено упрощение -исключена величина Rfbt1, а напряжение в крайнем волокне растянутой зоны у нейтральной оси установлено равным 1,1 Rfbt2.

Rfbt3Af2(a)           kRfbt3Af2(б)

Рис. 9 Расчётные схемы усилий и эпюры напряжений в сечении изгибаемого элемента при расчёте его прочности:

а) предельные деформации растяжения в сталефибробетоне 1000x10-5,

б) предельные деформации растяжения в сталефибробетоне больше 1000x10-5.

 

В результате условие прочности изгибаемого комплексного элемента прямоугольного сечения из железобетона и сталефибробетонного слоя усиления может быть записано в следующем виде:

При этом величину ξR следует определять по формуле рекомендуемой СНиП:

Возможна также расчетная ситуация, когда напряжения в стержневой арматуре от расчетных нагрузок будут σs<Rs при деформациях крайнего растянутого волокна сталефибробетона равном 1000·10-5 . В этом случае следует принимать распределение деформаций по высоте сечения рассчитываемого элемента, приведенное на рис.8б, а величину  сопротивления сталефибробетона   растяжению   Rfbt3   следует   уменьшить   путем   введения понижающего коэффициента К, определяемого из выражения

В формулах (9), и (10) следует вместо Rfbt3 вводить:

Сопоставление результатов расчета комплексных балок из железобетона и сталефибробетонного слоя усиления с результатами экспериментов свидетельствуют о достоверности предлагаемой методики расчета прочности таких элементов по нормальным сечениям.

Расчёт ширины раскрытия трещин для железобетонных изгибаемых элементов, усиленных торкретсталефибробетоном, допускается производить аналогично расчёту сталефибробетонных элементов со стержневой арматурой.

Результаты наших экспериментальных исследований и предлагаемые методики расчёта позволяют оценить эффективность усиления сталефибробетоном с позиций увеличения прочности и трещиностойкости железобетонных конструкций, работающих на изгиб. Установлено, что сталефибробетон может быть весьма эффективно применён для увеличения прочности плитных конструкций, включая полки ребристых плит. Так, слой сталефибробетона толщиной 4 см, нанесенный на нижнюю поверхность железобетонной армированной плиты толщиной 6 см, позволяет повысить её несущую способность почти в 2 раза. Для балочных железобетонных конструкций эффективность применения сталефибробетона для повышения их прочности не столь велика. Слой сталефибробетона толщиной 5-6 см, нанесенный на нижнюю и боковые грани балок, позволяет увеличить  их несущую способность на 30-38% в зависимости от армирования и геометрических характеристик балок. В этих случаях целесообразно применение сталефибробетона, армированного стержневой арматурой.

Наиболее эффективно применение сталефибробетона для повышения трещиностойкости и уменьшения ширины раскрытия трещин в железобетонных изгибаемых элементах. Это основная цель применения сталефибробетона в задачах усиления железобетонных конструкций. Однако, экспериментально было установлено, что трещиностойкость слоя сталефибробетона, нанесенного на железобетонную конструкцию, уже имеющую трещины, оказывается невысокой в местах расположения этих трещин. Это объясняется тем, что трещины являются концентраторами напряжений для слоя сталефибробетона и существенно понижают его трещиностойкость в местах их расположения. Для того, чтобы избежать это явление предлагается несколько изменить конструкцию усиления и удалять защитный слой бетона в местах расположения трещин с последующим замещением его сталефибробетоном (рис. 10). Такое решение практически полностью устраняет отмеченный недостаток и позволяет эффективно применять сталефибробетон для повышения трещиностойкости железобетонных элементов,

а)

Рис. 10.    Схема усиления сталефибробетоном железобетонного изгибаемого элемента

а) без удаления защитного слоя бетона; б) с удалением защитного слоя бетона.

Помимо этого, следует рассмотреть ещё одну проблему, возникающую при усилении аварийных конструкций зданий и сооружений, находящихся в стадии близкой к разрушению. Когда угроза обрушения велика, возникает проблема обеспечения устойчивости и несущей способности этих конструкций в период их усиления. Технология торкретсталефибробетона позволяет решить эту проблему. Для этого на разрушенные участки конструкции ( например, колонны деаэраторного отделения Севастопольской ТЭЦ ) наносятся без санации и подготовки поверхности слои торкретсталефибробетона заданной толщины, которые соединяются с неразрушившимися частями конструкции, образуя как бы временный "каркас", сообщающий разрушенной части конструкции необходимую временную устойчивость и прочность. Затем производится полное усиление аварийной конструкции согласно проекту.

Для решения класса задач по усилению железобетонных пространственных сооружений или статически неопределимых стержневых систем с использованием технологии торкретсталефибробетона следует применять методы расчёта, учитывающие физическую нелинейность деформирования материалов. Предполагается использование достаточно мощных программных комплексов типа МИРАЖ и ЛИРА. В этом случае для построения методики расчёта комплексных элементов, состоящих из железобетона и сталефибробетонных слоев усиления, принципиальное значение имеет выбор диаграмм деформирования сжатого бетона, растянутой арматуры и сталефибробетона усиления при сжатии и растяжении.

 

Для железобетонных конструкций, армированных сталями классов до А-500 и выполненных из бетона классов до В-50, целесообразно принимать диаграммы деформирования, рекомендованные в Еврокоде - 2, которые получены на основании обобщения большого количества экспериментов (рис. 11а и 11б). Следует принимать, так называемые, нормируемые диаграммы деформирования   бетона  и   арматуры,  в  которых максимальные значения напряжений   соответствуют   нормативному   сопротивлению арматуры   при растяжении и бетона при сжатии. Важным элементом расчетов является также нормирование расчётных предельных величин относительных деформаций бетона и арматуры, которые можно трактовать, как деформационные критерии их прочности. Для арматуры при растяжении та величина устанавливается 1000·10-5, а для бетона при сжатии - -350·10-5.
а)                                                                б)

Рис. 11. Диаграммы деформирования по Еврокоду-2:

 а) для бетона,   б) для арматуры.

 

Для сталефибробетона диаграмма деформирования при растяжении (рис.12) существенно зависит от вида применяемой фибры, её содержания в бетонной матрице, а также от структуры бетонной матрицы.

При этом устанавливаются следующие деформационные критерии прочности сталефибробетона: при сжатии - -350·10-5, при растяжении - 1000·10-5. Последний критерий свидетельствует о принципиально новых возможностях работы этого материала на растяжение по сравнению с бетоном.

Рис. 12 Диаграмма деформирования сталефибробетона при сжатии и при растяжении.

Испытания с целью получения диаграммы деформирования сталефибробетона при растяжении рекомендуется производить на стандартных балках размерами 150x150x600 мм. Расчётный пролет при испытаниях L=500 мм. Сталефибробетонная смесь изготавливается по принятой на данном предприятии технологии. Перед испытаниями в каждой балке выполняется поперечный надрез в центре пролета шириной 2-3 мм, глубиной 25 ± 1 мм и длиной 150 мм (рис. 13).

Для торкретсталефибробетона рекомендуются образцы размерами 100х100х400мм с расчетным пролётом 300 мм.

Испытания балок следует проводить по 3-точечной схеме (рис. 13). Балка
нагружается таким образом, чтобы в ней в процессе испытания поддерживалась постоянная скорость приращения прогиба, равная 0,2 мм/мин. В процессе испытания должны постоянно фиксироваться нагрузка и прогиб. Испытания считаются завершенными, когда прогиб достигает фиксированной величины 2,8  мм.  Испытательное  оборудование  и  приборы  должны позволять фиксировать указанные прогибы и создавать нагрузку как возрастающую, так и уменьшающуюся по величине в процессе испытания.

Рис. 13 Расчётная схема испытаний и график "нагрузка-прогиб", получаемый при испытании сталефибробетонных балочек на изгиб.

В результате испытаний должна быть получена диаграмма деформирования балочек (рис.13), из которой путем последующей обработки результатов испытаний должна быть получена диаграмма деформирования сталефибробетона при растяжении и затем должны быть определены нормативное и расчётное сопротивление сталефибробетона растяжению в точках 1,2 и 3 (рис.1). В точке 1, соответствующей образованию первой трещины в сталефибробетоне, изгибающий момент определяется по формуле:

и максимальные напряжения в сталефибробетоне, принимая их линейное распределение по высоте сечения, по формуле :

 

где hнад - высота сечения балки над надрезом.

С     учетом      статистической      обеспеченности      значение      нормативного сопротивления сталефибробетона растяжению в точке 1 следует определять по

формуле:

где 

σm,1- среднее значение максимальных растягивающих напряжений в сталефибробетоне в точке 1, определённое из эксперимента;

n - количество образцов;

Sp - стандартное отклонение, определяемое по формуле:

Напряжения растяжения в сталефибробетоне в точках 2 и 3 носят название эквивалентные, т.к. определяются, как некоторые напряжения, эквивалентные энергии деформирования образца-балочки при заданных величинах прогибов. Для точки 2 величина прогиба устанавливается, примерно, 0,8 мм, для точки 3 - 2,8 мм. Значения величины максимальных растягивающих напряжений в сталефибробетоне в точках 2 и 3,определяются по формулам:

В формулах (19) и (20) :

DfBZ,2.1, DfBZ,2.2, DfBZ,3.1, DfBZ,3.2 - вклад стальной фибры в энергию деформирования сталефибробетона в точках 2 и 3, который характеризуется площадью под кривой деформирования балочки (рис. 13).

Для перехода к нормативным сопротивлениям сталефибробетона растяжению в точках 2 и 3 следует использовать формулы, аналогичные (17) и (18). Для определении расчетных величин сопротивления сталефибробетона растяжению в точках 1,2 и 3 следует разделить значения нормативных сопротивлений на величину коэффициента безопасности по материалу.

Расчетное и нормативное сопротивление сталефибробетона сжатию принимаем таким же, как и для бетона матрицы.

В большинстве стран широко применяющих сталефибробетон, нормами и инструкциями рекомендуется определять диаграмму деформирования и сопротивление талефибробетона путем испытания по стандартной методикестандартных сталефибробетонных образцов, изложенной выше. Такой подход, несмотря на достоверность получаемых в этом случае результатов, обладает очевидными недостатками, т.к. требует в каждом случае проведения достаточно дорогостоящих испытаний при участии высококвалифицированных специалистов. Особенно большие проблемы возникают в этом случае на стадии проектирования. Поэтому в наших рекомендациях предусматривается возможность определения параметров прочности сталефибробетона при растяжении по классу бетонной матрицы, определяемому либо путем испытания на сжатие стандартных цилиндров или кубов, либо задаваемому на стадии проектирования.


Для практики применения сталефибробетона в Украине, по нашему мнению, целесообразно рациональное сочетание этих двух подходов, причём, на стадии проектирования основным должен быть второй подход, а на стадии строительства он должен быть дополнен первым.

Функции влияния фибрового армирования на сопротивление сталефибробетона растяжению, полученные в результате обработки экспериментов, приведенных на рис.2 и 3, могут быть аппроксимированы зависимостью следующего вида:

где µ -величина фибрового объёмного армирования в процентах; Кr и ni  -параметры, определяемые из таблицы 1;

1-номер точки (1,2 или 3), для которой фиксируется данный параметр. Таблица 1

Сопротивление

Наименование коэффициента

Значение для типа фибр

Ф-1

Ф-2

Ф-3

σ1

n k

0,15 1,67

1.45 0,15

0,27 1,67

σ2

n

 

k

0,21 1.51

0,34 0.61

0,34 1.51

σ3

n k

0,15 1.12

0,5 0.41

0,25 1.12

Нормативные сопротивления сталефибробетона растяжению в точках 1, 2 и 3 определяются в этом случае но формуле:

а расчетные - путем деления значений, полученных по формуле (22), на коэффициент безопасности бетона при растяжении.

11.3 Усиление сталефибробетоном железобетонных сооружений

Большое количество сооружений промышленных предприятий в конструктивном отношении являются пространственными системами -башенные градирни, силосы, бункеры, резервуары, угольные башни. В ряде случаев конструкции покрытий промышленных зданий также выполняются в виде эффективных пространственных систем - купола, цилиндрические оболочки и т.д. Физический износ сказывается на таких системах очень неблагоприятно, существенно снижая их несущую способность и долговечность и зачастую приводя их в аварийное состояние.

Наш опыт показывает, что основными причинами аварийного состояния пространственных конструкций являются дефекты строительства, несоответствие условий эксплуатации принятым при проектировании и ошибочные проектные решения. Особые условия эксплуатации, в основном, сводятся к появлению непредусмотренных проектом температурно-влажностных воздействий и появлению агрессивной среды. Ошибки в проектных решениях вызываются, как правило, недостаточной четкостью расчетных схем и требований к материалам (в частности к маркам по морозостойкости и водонепроницаемости), занижением толщины защитного бетона по сравнению с требованиями норм. Наиболее часто встречающиеся дефекты строительства - ошибки в подборе состава бетона и недостаточно тщательное его уплотнение; уменьшение толщины защитного слоя бетона по сравнению с проектной; неправильное выполнение стыков арматуры в нахлестку без сварки; непроектная геометрия конструкции пространственных систем; установка уменьшенного количества арматуры; дефектные швы бетонирования.

В результате совместного действия факторов происходит снижение дол­говечности сооружения, а иногда возникает реальная угроза его разрушения.

При восстановлении несущей способности, долговечности и непроницаемости рассматриваемых пространственных железобетонных конструкций возникает задача создания прочного и достаточно непроницаемого слоя, обеспечивающего необходимое увеличение прочности сечений, непроницаемости стенки оболочки , её стойкости ко всем отмеченным выше воздействиям. При создании такого слоя имеет место ряд специфических обстоятельств, которые определяют выбор материала и технологических решений. К таким обстоятельствам, в первую очередь, относятся: значительные площади ремонтируемых поверхностей, наличие труднодоступных мест, невозможность обслуживания рабочих мест некоторыми видами механизированного оборудования, прежде всего подъемными кранами, криволинейная поверхность, предаварийное, а иногда аварийное состояние конструкции.

В качестве эффективного материала для усиления железобетонных про­странственных сооружений нами широко применяется в практике их ремонтов и усиления сталефибробетон, наносимый методом торкретирования.

Предприятие "Мастера технологий сталефибробетона" имеет большой опыт ремонтов и усиления таких железобетонных сооружений, как силосы для хранения угля, бункеры различного назначения, резервуары, градирни башенного типа, угольные и тушильные башни, галереи, крановые эстакады, а также автодорожные мосты. Жаростойкий сталефибробетон применялся нами при ремонтах газоходов и в качестве блочной футеровки дверей коксовых батарей. Ниже приведены 2 примера усиления железобетонных сооружений с применением технологии торкретсталефибробетона.

Две градирни Симферопольской ТЭЦ высотой по 50 метров имеют диаметр верхнего отверстия 26 метров и нижнего - 42 метра и выполнены в переставной опалубке из бетона прочностью 20 МПа. За 35 лет эксплуатации возникло состояние близкое к аварийному в верхней трети градирен и аварийное - с угрозой обрушения - в средней части. Нижняя часть оболочек градирен, имеющая толщину до 30 см, и колоннада находились в более благоприятном состоянии. Описанные выше дефекты сооружений в полной мере были характерны и для рассматриваемых градирен. Механизм разрушения оболочек градирен, по-видимому, был следующим. В результате наличия избыточной влаги и повышенной температуры внутри градирни, а также большой пористости бетона, в последнем происходило накопление влаги и по толщине оболочки устанавливались значительные градиенты температуры и влажности, которые приводили к появлению растягивающих напряжений и трещин в бетоне внешних слоев оболочки. В результате регулярного замораживания и оттаивания в зимний период, бетон внешних слоев, насыщенный влагой и пронизанный трещинами, интенсивно разрушался. Эти же условия способствовали интенсивной коррозии наружного слоя арматуры. Разрушение бетона распространилось на глубину до 6 - 8 см, при общей толщине оболочки в верхней зоне 12-15 см, а наружный слой арматуры в ряде мест полностью прокорродировал. Имели место "вывалы" отдельных участков оболочки градирни.

В принятом нами способе усиления (рис. 14) устраиваются два торкретсталефибробетонных слоя - внешний и внутренний. Внешний предназначен для восстановления несущей способности градирни, обеспечивая ее долговечность и восприятие неблагоприятных растягивающих напряжений. Толщина слоя торкретсталефибробетона в этом случае составляла 6 - 9 см, а в верхней и средней зонах оболочки слой сталефибробетона имел дополнительное армирование стержневой арматурой. Торкретсталефибробетон имел морозостойкость F - 300 и прочность на растяжение - не менее 2 МПа. Внутренний слой усиления предназначен для гидроизоляции бетона градирни и компенсации разрушенных участков бетона со стороны внутренней поверхности. В связи с этим его толщина составляла 20 - 40 мм. Для армирования сталефибробетона применялась фибра СТАФИБ 30x0,6 мм в количестве 1% объемного армирования. С целью уменьшения диффузии влаги по толщине оболочки градирни, помимо создания внутренней плотной защитной   сталефибробетонной   оболочки,   на   неё   дополнительно   нанеслизащитную систему, включающую пропитку специальным гидрофобным составом и 2 слоя эмали.

В связи с аварийным состоянием градирен было принято их двухэтапное усиление. На первом этапе создавался "пространственный каркас" градирни, обеспечивающий общую устойчивость оболочки и частично восстанавливающий её несущую способность. Этот "пространственный каркас" был образован верхним кольцом, утолщением оболочки внизу градирни в месте примыкания колоннады и четырьмя продольными полосами усиления размерами 400x7,5 см из сталефибробетона со стержневой арматурой (рис.14). Конструктивный принцип создания "пространственного каркаса" или сетчатой оболочки с целью предотвращения обрушений тонкостенных железобетонных сооружений был нами неоднократно применен при усилении ряда других аварийных железобетонных оболочек - купола, силосов и других тонкостенных конструкций и позволил во всех случаях избежать их обрушения в процессе выполнения работ. Последующее усиление состояло в замещении разрушенного слоя бетона и прокорродировавшей арматуры эквивалентным слоем сталефибробетона со стержневой арматурой путем устройства новых полос усиления. Наличие сталефибробетона позволило уменьшить количество стержневой арматуры усиления в меридиональном направлении на 20%, в кольцевом направлении на 50%. Важным аспектом усиления градирни явился подбор состава торкретсталефибробетона т.к. сталефибробетон усиления должен обладать высокой плотностью и прочностью на растяжение, а также высокой морозостойкостью и водонепроницаемостью. Он был подобран, исходя их принципов, изложенных в разделе П.1.

В процессе торкретирования состав смеси изменялся за счет отскока. Замеры количества отскока и состава смеси, нанесенной на оболочку, показали, что общее количество отскока не превышало 12%. При этом наибольшее количество материала в отскоке составляла стальная фибра - до 20% от введенного количества и крупный заполнитель - до 27% от введённого количества. Контрольные испытания кубов, изготовленных непосредственно в производственных условиях, показали, что их прочность на сжатие соответствовала, в среднем, классу бетона В-25. Нормативная прочность на растяжение сталефибробетона с 1 % объемного армирования фиброй 30x0,6 мм составляла 2,6 Н/мм2 при соответствующей нормативной прочности бетона на растяжение для класса В-25 1,6 Н/мм2. Увеличение прочности на растяжение в 1,6 раза за счет введения фибры обеспечивает восприятие сталефибробетоном растягивающих напряжений, вызванных градиентом температуры и влажности по толщине оболочки, без образования трещин.

Были также проведены в производственных условиях контрольные испытания сцепления торкретсталефибробетона усиления со старым бетоном усиливаемой конструкции. Испытания проводились по методике на отрыв сталефибробетона усиления и показали высокую прочность сцепления сталефибробетона с бетонным основанием, которая составила 0,35 Н/мм2.

Усиление велось по технологии усиления, описанной в разделе II. 1 с использованием трех стандартных люлек. Последнее существенно сократило время выполнения ремонтно-строительных работ.

Железобетонный купол над чашей радиального сгустителя Колосниковской ЦОФ имел толщину 6 см у фонарного кольца и 10 см - у опорного кольца при диаметре опорного кольца 29,6 метра и стреле подъема 3,6 м. Купол имел однослойное армирование по всей поверхности за исключением приопорной зоны. Состояние железобетонного купола также характеризовалось, как аварийное. Основными дефектами купола являлось отслоение защитного слоя бетона толщиной 2 см с внутренней стороны, обращенной к чаше, и коррозия арматуры, составлявшая до 40%. На 25% поверхности купола отмечалось значительное отклонение фактической геометрии купола от проектной и образование большой погнутости со стрелой прогиба, достигающей 40 см. В этой зоне зимой образовывались снеговые "мешки" и возникали изгибающие моменты, на восприятие которых купол не был рассчитан. По контуру поврежденной поверхности образовались протяженные сквозные трещины, свидетельствующие об аварийном состоянии купола и об угрозе его обрушения.

Усиление купола также выполнялось по технологии торкретсталефибробетона и проводилось в два этапа. На первом этапе на поврежденном участке сверху устраивались криволинейные пересекающиеся балки (стержни), имевшие сечение 15x8 см со стержневым армированием, которые были соединены с опорным и фонарным кольцами, что в комплексе представляло собой фрагмент сетчатого купола (рис.15). Погнутость в куполе заполнялась листовым пенопластом, по которому затем был нанесен слой торкретсталефибробетона толщиной 25 мм, монолитно соединявшийся с сетчатым куполом усиления. Таким образом, внешние нагрузки передавались на новую конструкцию, а аварийная часть купола исключалась из работы. На втором этапе усиления с внутренней стороны купола восстанавливался защитный слой из торкретсталефибробетона с высокой трещиностойкостью и долговечностью. Технология реализации этой части проекта была наиболее сложной, т.к. усиление внутренней поверхности купола осуществлялось со специальной платформы, размещаемой на ферме, поворачиваемой вокруг центра чаши, т.е. над шламовым бассейном. Усиление выполнялось из торкретсталефибробетона того же состава, который применялся для усиления градирен. Пятилетний опыт эксплуатации усиленного купола свидетельствует о его долговечности.

Наш опыт свидетельствует, что сталефибробетон, благодаря своим уникальным деформативным и прочностным свойствам и стойкости к неблаго­приятным эксплуатационным воздействия, в сочетании с технологией торкре­тирования наилучшим образом отвечает особенностям усиления и эксплуатации тонкостенных железобетонных пространственных систем и может применяться при ремонте и усилении пространственных сооружений, имеющих очень высокую степень износа.

Рис. 14 Схема усиления градирни Симферопольской ТЭЦ.                                                                  Вид А

Рис. 15   Схема усиления купола радиального сгустителя Колосниковской ЦОФ.

11.4  Усиление торкретсталефибробетоном конструкций промышленных зданий

Усиление колонн и конструкций перекрытий деаэраторного отделения Севастопольской ТЭЦ.

Каркас обследуемого здания состоит из двух четырёхэтажных, монолитных железобетонных рам - деаэраторного и бункерного отделений, связанных между собой металлическими фермами котельного отделения. К раме деаэраторного отделения примыкает железобетонная полурама (колонна, главная балка) машинного зала. Ширина здания между рядами А и Е составляет 53,2 м. Пролёт рам деаэраторного и бункерного отделений (ряды А-В и С-Д) равен 7,0 м, пролёт котельного отделения (ряды В-С) - 24,0 м, машинного   зала  (ряды  Д-Е)  -   15,2.  м.  Длина  здания  между  осями   1-14 составляет 77,35 м. В осях б и 10 устроено два деформационных шва. Шаг рам в продольном направлении - 6,0 м.

Рама деаэраторного отделения состоит из монолитных колонн и главных балок, на которые опираются плиты и второстепенные балки междуэтажных монолитных перекрытий. Перекрытия расположены на отметках 7,2 м, 13,2. м, 19,1 м. и имеют разный шаг второстепенных балок. На перекрытии отм. 13,2 м установлены деаэраторы, а между перекрытиями 7,2 ми 13,2 м проложены системы паропроводов и трубопроводов. Трубы подвешены на консольных опорах, прикреплённых к колоннам и второстепенным балкам перекрытия.

Визуальные и инструментальные обследования деаэраторного отделения показали, что наиболее повреждённой является зона в пределах осей 6-10 на отметке 0.0 м. Поврежденные колонны по ряду С в осях 8-10 являются аварийными. На гранях колонн отсутствует защитный слой бетона, коррозия продольной арматуры составляет 40-70%, а хомутов - 100%. На колонне С-8, в пределах 1,5м по высоте колонны, произошло выпучивание (потеря устойчивости) на 5-7 см продольной арматуры от первоначального положения с отслоением защитного слоя бетона. Состояние перекрытия в пределах указанных осей является так же аварийным, особенно плита перекрытия 1-го этажа в осях С-Д ряд 9-10, которая представляет собой монолитную балочную плиту толщиной 70 мм, опирающуюся на второстепенные и главные балки. Арматура в плите, главных и второстепенных балках обнажена на 70-100%, коррозия арматуры составляет 60-80% сечения. Кроме того, наблюдается прогиб плиты в середине пролета до 100мм. Состояние плиты характеризуется как аварийное. Плита подлежит разборке и демонтажу.

Состояние консолей колонн по оси 9, 10 по ряду С и Д характеризуется как аварийное. В процессе эксплуатации произошло отслоение защитного сдоя арматуры консолей колонны, коррозия арматуры составляет до 100%, разрыхление бетона консоли колонны произошло на глубину до 300 мм.

Повреждения вызваны частым увлажнением конструкций вследствие протечек воды через перекрытие, прониканием воды через трещины к арматуре и коррозией арматуры. Дефекты и повреждения накапливались в течении продолжительного периода времени и привели к аварийному состоянию колонн и перекрытия.

Таким образом, имелась реальная угроза обрушения колонн первого этажа по осям 8-10, а затем и всего деаэраторного отделения.

Для оценки реальных запасов прочности конструкций был выполнен поверочный расчет плоской рамы корпуса на ПЭВМ методом конечных элементов   с   помощью    программного   комплекса   «МИРАЖ».       Усилия определялись для    рамы в осях А-Е, принадлежащей старому корпусу, для которых обнаружены наиболее значительные разрушения.

Расчет прочности железобетонного сечения колонн размерами 1300x700 мм показал, что сечение работает по случаю малых эксцентриситетов (все сечение сжато). Максимальное сжимающее напряжение составляет 3.5 Мпа, что значительно меньше расчетного сопротивления бетона. Несомненно то,  что  аварийные  колонны  имеют некоторое  "здоровое"  бетонное  ядро, которое несет нагрузку, однако оценить размеры этого ядра определить не удалось. В этих условиях было принято решение максимально разгрузить вышележащие перекрытия и приступить к усилению аварийных колонн.

Проект усиления предусматривает использование в качестве материала усиления сталефибробетон, наносимый н торкретирования. Сталефибробетон имеет высокую энергию разрушения при растяжении и изгибе (в 15-20 раз превышающую энергию разрушения бетона), поэтому его эффективно применяют при строительстве и ремонтах конструкций в сейсмически опасных зонах. Технология торкретирования является наиболее подходящей для ремонта конструкций ТЭЦ, т.к. позволяет, несмотря на большое количество коммуникаций, окружающих повреждённую

конструкцию, наносить сталефибробетон на труднодоступные места конструкции, избежать опалубочных, а в ряде случаев (плиты перекрытий) и арматурных работ. В данном случае, конструкция усиления неразрывно связана с последовательностью производства работ. Поэтому эти два вопроса рассматриваются совместно. Последовательность усиления трёх аварийных колонн, расположенных по ряду С оси 8, 9 и 10 приведена на рис.16. Весь процесс усиления аварийных колонн состоит из трех этапов.

На первом этапе необходимо убрать от каждой колонны коммуникации и временную нагрузку с перекрытий деаэраторного отделения; очистить колонну вручную, без применения механизмов от отслоившегося, поврежденного бетона на глубину 50 мм, зачистить поверхность колонны и существующую арматуру металлическими щётками; и нанести последовательно на четыре грани колонны слой торкретсталефибробетона толщиной 40 мм, предварительно установив два стержня продольной арматуры для ригеля (рис. 16а).

На втором этапе необходимо разобрать грунт рядом с колонной до фундамента , очистить грани колонны и установить дополнительную арматуру в зоне разборки грунта (рис 16); установить опалубку и забетонировать участок колонны от верха фундамента до отметки 0,5м.

На третьем этапе необходимо очистить консоль колонны вручную от кусков отслоившегося и поврежденного бетона; произвести установку продольной и поперечной арматуры консоли колонны; произвести удаление расслоившегося бетона консоли колонны до плотной структуры бетона; произвести зачистку арматуры металлическими щетками и пескоструйную обработку бетона и нанести торкретсталефибробетонное покрытие (обойму) на грани консоли колонны; пробить перекрытие под арматурные стержни и установить дополнительную арматуру на всею высоту колонны (рис. 16) и нанести на грани колонны торкретсталефибробетонное покрытие толщиной 110 мм.

Усиления аварийной плиты перекрытия производилось в следующей последовательности:

  • на второстепенные  балки  перекрытия  устанавливались  окаймляющие хомуты;
  • под плиту по контуру подводились металлические уголки и закреплялись
    к окаймляющим хомутам;
  • с шагом 1500 мм устанавливались металлические балки в виде спаренных
    швеллеров, которые крепились через металлические косынки к металлическим
    уголкам;
  • с помощью гидравлических домкратов производилось выдавливание разрушенной плиты до первоначального положения и затем она закреплялась металлическими клиньями;
  • по металлическим балкам снизу плиты укладывалась арматурная сетка;
  • производилось обетонирование плиты, металлических балок и металлических
    уголком путем нанесения торкретсталефибробетона снизу.

Усиление ригеля производится после того, как усилены колонны, на которые этот ригель непосредственно опирается. Для ригелей предусмотрены две схемы усиления:

усиление аварийных ригелей   торкретсталефибробетонной   рубашкой   и дополнительной арматурой диаметром 25 АIII (рис.17);

усиление торкретсталефибробетонной рубашкой и дополнительной арматурой диаметром 12 АШ.

Усиление второстепенных балок секции деаэраторного отделения выполняется после усиления ригелей. Второстепенные балки усиливаются сталефибробетонной рубашкой и дополнительной арматурой.

Сталефибробетон конструкций усиления колонн, ригелей, второстепенных балок имеет класс прочности на сжатие В25 .Все каркасы выполняются вязаными, рабочая арматура класса АШ (диаметры 12мм, 25мм), поперечная арматура классов А1 и Bpl.

Состав сталефибробетона определяется исходя из достижения требуемого класса прочности. Готовую к укладке сталефибробетонную смесь приготавливают в два этапа. Сначала на заводе приготавливают смесь дозированных сухих заполнителей и стальной фибры (сухую сталефибробетонную смесь). Сухая сталефибробетонная смесь поставляется на строительную площадку в контейнерах или упаковках (мешки, ящики и т.п.), имеющих нормированный вес. На втором этапе (на строительной площадке) в бетоносмесителе приготавливают цементное тесто, а затем добавляют требуемое количество сухой сталефибробетонной смеси одновременно с остатком воды. Равномерная гранулометрия является в данном случае наиболее важным фактором.

Все работы по усилению колонн ригелей и второстепенных балок должны сопровождаться тщательным контролем качества.

Рис.16 Конструкция усиления колонн сталефибробетоном

Рис. 17 Схема усиления ригеля сталефибробетоном

Усиление мелкоштучных плит ГИСа с применением сталефибробетона

Мелкоштучные плиты ГИСа изготавливались и широко применялись в 30-50 годах. Плита имеет размер в плане 2250(1950)х500 мм и высоту ребра 100 мм. Плита имеет 2 продольных ребра (рис. 18) и два поперечных (на опорах). Каждое продольное ребро имеет рабочую продольную арматуру в виде одного стержня квадратного сечения 12x12 мм и поперечную арматуру диаметром 6 мм с шагом 200 мм. Полка плиты высотой 35 мм армирована сеткой 200х200мм со стержнями диаметром 6 мм. Защитный слой бетона составляет 15мм.

По результатам обследования плит кузнечно-прессового цеха Новокраматорского машиностроительного завода установлено, что длительное время эксплуатации плит, наличие множества стыков и просачивание влаги из-за плохого состояния кровли, в сочетании с агрессивной средой привели к карбонизации бетона и коррозии арматуры плит. Примерно 25% плит находилось в аварийном состоянии. Характерными дефектами являются продольные трещины в продольных ребрах; отслоение защитного слоя бетона ребер и полок; сквозные дыры в полках; коррозия продольной арматуры до 40%. Имеются случаи обрушения плит. Вместе с тем класс бетона в местах, не подверженных коррозии и измеренный с помощью склерометра, оказался равным В25. Установлена марка стали арматуры, определенная путем разрыва вырезанного образца - ВСт 3 (σт=235 МПа).

Для усиления дефектных плит как в пролете, так и на опоре предусмотрено развитие опорного столика как существующей плиты, так и плиты после усиления (рис.19). В пролете плита усиливается стальной пластиной 3x100 О-1 с приваренной к ней через коротыши арматурой диаметром 16 мм. Полоса приваривается к опорным столикам прогонов. Эта полоса играет также роль несъемной опалубки. В качестве поперечной арматуры, связывающей старый и новый бетон используется стальная полоса П-1.

Для разгрузки плит в период усиления и страховки от случайного обрушения используются монтажные балки Б-1, закрепляемые к прогонам. Для подклинки плит используются винтовые клинья. После установки съемной опалубки в пространство усиления под ребром закачивается мелкозернистый бетон с последующим выдерживанием до трехдневного возраста.

Расчет конструкции усиления показал, что несущая способность конструкции усиления в 1.5 раза выше проектной несущей способности плиты без усиления. Предложенная конструкция усиления плит обеспечивает создание единого железобетонного покрытия. Вследствие этого обеспечивается включение дополнительного материала в работу и большие запасы прочности.

Для определения несущей способности усиленных плит гиса в были подвергнуты испытаниям 2 фрагмента плит. для испытания был подготовлен фрагменты из трех плит, два ребра из которых были усилены. Схема испытания такая же, как для одиночных плит, только лишь средняя плита усиленного фрагмента подвергается действию равномерно распределенной нагрузки в 2 раза большей, чем крайние, плиты    нагружались распределенной нагрузкой, которая иммитировалась приложением к верхней грани полки плиты грузов, весом примерно 10 кг каждый. шаг нагружения составлял примерно 120 кг.

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАДИИ РАБОТЫ ПЛИТЫ НА КАЖДОМ ПРОДОЛЬНОМ РЕБРЕ БЫЛИ УСТАНОВЛЕНЫ ПРОГИБОМЕРЫ ПОСЕРЕДИНЕ. ДЛЯ УЧЕТА ПРОСАДКИ ОПОР НА КАЖДОМ ОПОРНОМ РЕБРЕ ПЛИТЫ БЫЛИ УСТАНОВЛЕНЫ ИНДИКАТОРЫ.

Первые нормальные трещины обнаружены при нагрузке   1.00 кН в

ОБЛАСТИ БЛИЖЕ К СЕРЕДИНЕ ПЛИТЫ. ПРИ ПОЛНОЙ НАГРУЗКЕ 17.8 КН ДЛЯ ПЕРВОЙ ПЛИТЫ И 18.4 КН ДЛЯ ВТОРОЙ НАБЛЮДАЛОСЬ РЕЗКОЕ УВЕЛИЧЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ПОЛЗУЧЕСТИ И ШИРИНЫ РАСКРЫТИЯ ТРЕЩИН. НАРАСТАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИВЕЛО К ВЫКРАШИВАНИЮ СЖАТОЙ ЗОНЫ БЕТОНА И РАЗРУШЕНИЮ ПЛИТ.

Был принят следующий порядок выполнения работ. Перед выполнением работ по нижнему поясу фермы должен быть смонтирован настил по проекту, исключающему передачу внеузловой нагрузки на нижний пояс фермы, а стропильная ферма должна быть пересчитана на дополнительную монтажную нагрузку. Весь процесс усиления мелкоштучных плит состоит из следующих основных этапов (Рис.19): приварка опорных столиков под существующую плиту и под конструкцию усиления к прогонам покрытия, установка временных балок Б-1 для подклинивания с клиньями К-1, подклинивание плит с помощью винтовых клиньев с целью страховки от обрушения, а также для включения материала в работу после окончания усиления. Затем производится разборка слабого бетона и очистка арматуры от коррозии, установка несъемной опалубки 0-1, установка поперечной листовой арматуры П-1, установка съемной   боковой   опалубки   О-2,   закачивание   мелкозернистого   бетона   в образовавшееся пространство под спаренным ребром плиты с помощью бетононасоса, выдерживание бетона до трех суток, съем боковой опалубки. Полки плит, имеющие значительные повреждения, усиливаются торкретсталефибробетонным слоем толщиной 25-30 мм. этап

Рис.19 Усиление мелкоштучных плит ГИСа

III. Полы промышленных зданий на основе сталефибробетона

Полы производственных зданий испытывают сложное напряженное состояние и, в зависимости от вида нагрузки, на нижней или верхней поверхности плиты могут возникнуть значительные растягивающие напряжения, которые вызываются нагрузками от складируемых изделий, маневрами автопогрузчиков и другого транспорта, воздействием температуры и рядом других причин.

Стальные фибры представляют практически идеальную арматуру для армирования промышленных полов. Стальные фибры эффективно ограничивают раскрытие микротрещин, которые могут возникнуть в любой бетонной плите. В бетоне без стальных фибр растягивающие напряжения не могут передаваться через трещину. Как только напряжение перешагнет предел прочности трещина быстро распространяется дальше и это приводит к разделению плиты на отдельные элементы,

С введением стальных фибр СТАФИБ механизм раскрытия трещин становится управляемым и концентрация напряжения на кончике трещины уменьшается благодаря тому, что фибры, пересекающие трещину, переносят часть усилий через трещину; а фибры, находящиеся непосредственно на конце трещины, благодаря более высокому модулю упругости по сравнению с бетоном, воспринимают большую часть нагрузки, чем окружающий бетон.

Поведение бетона при разрушении благодаря введению стальных фибр изменяется от хрупкого к пластичному. В местах на плите, в которых превышена прочность на растяжение, возникает трещина. Находящиеся в бетоне стальные фибры в сечении с трещиной действуют подобно шарниру и способствуют перераспределению напряжений в материале. Таким образом, в противоположность поведению трещины в хрупком материале, в сталефибробетоне в области трещины могут действовать определённые напряжения, уровень которых зависит от качества и количества применяемой фибры, благодаря чему несущая способность полов возрастает. Армированный таким образом бетон поглощает больше энергии при разрушении и его стойкость к удару и длительной нагрузке возрастает.

Стальные фибры СТАФИБ являются особенно эффективными, так как имеют благодаря большой длине (60 мм) и специально загнутым концам хорошее сцепление с бетоном. Высокая прочность на разрыв стальной проволоки (более 1100 Н/мм2) препятствует разрушению фибр. Стальные фибры СТАФИБ усиливают бетон пола во всех направлениях, включая волокна верхней и нижней поверхности.

Благодаря высоким техническим свойствам сталефибробетона, полы из сталефибробетона могут воспринять значительно большую нагрузку, чем бетонные полы. Сталефибробетонные полы, армированные фиброй СТАФИБ, при одинаковой нагрузке могут иметь толщину на 20-25% меньше, чем бетонные полы, армированные стержневой арматурой. Расход фибры в сталефибробетоне обычно составляет 25-40 кг на 1 мЗ бетонной смеси, что существенно меньше расхода конструктивной арматуры в полах, армированных стержневой арматурой. Помимо этого, в сталефибробетонных полах может быть увеличено расстояние между температурными швами в 1.5-2 раза, в зависимости от расхода фибры. Существенно улучшается эксплуатационные качества таких полов: в них практически отсутствуют отколы кромок в местах швов, характерные для бетонных (железобетонных) полов, т.к. стальная фибра армирует весь объем бетона, а не дискретно; эти полы имеют в 1.5-2 раза выше сопротивление истираемости и сопротивление динамической нагрузке, включая удары грузов, а также значительно более высокую морозостойкость и долговечность.

Экономические показатели сталефибробетонных полов, как правило, лучше, чем для полов, армированных стержневой арматурой. По многочисленным данным западных источников экономия составляет 12-20%.

Конструкция сталефибробетонного пола представляет собой сплошную плиту, уложенную на специально подготовленное основание. Помимо уплотненного слоя грунта, такое основание может включать слой из тощего бетона или уплотненный слой щебня. В качестве основания могут быть также использованы и существующие бетонные полы. Сталефибробетонная плита, как правило, не должна иметь сцепления с основанием, для чего между основанием и полом укладываются 2 слоя полиэтиленовой пленки В полах с шагом 12 метров и более устраиваются деформационные швы, которые прорезают плиту на 1/3 толщины пола. Толщина сталефибробетонной плиты является расчетной величиной.

Напряженно-деформированное состояние сталефибробетонной плиты пола сильно зависит от деформативности основания. Деформативность основания и подготовительного слоя под плиту пола учитывается в формулах расчёта толщины плиты путём введения коэффициента постели - k. Этот коэффициент рекомендуется определять при испытаниях стандартных плит. Так принятое в формулах бельгийских нормзначение k основано на испытании плиты диаметром 760 мм. В случае, если используется другой диаметр плиты, коэффициент к должен быть пересчитан.

Расчет полов и дорог из сталефибробетона может производиться на основе двух различных концепций:

1. Расчет сталефибробетонного пола на основании теории упругости

Определение усилий производится для сталефибробетонного пола, как для плиты или балки на упругом основании. Расчет производится для нагрузок, увеличенных на коэффициент безопасности. При определении усилий и перемещений используется один из апробированных программных конечно-элементных комплексов для ПЭВМ (например МИРАЖ). Возникающие при этом напряжения не должны превышать прочности на растяжение при изгибе:

 

N - расчетная нормальная сила в опасном сечении;

М - расчетный изгибающий момент в опасном сечении:

А - площадь сечения сталефибробетонной плиты;

W - момент сопротивления сталефибробетонной плиты;

cal βBZ - прочность на растяжение при изгибе с учетом статистического разброса.

Экспериментально установлено что эта концепция расчета дает заниженное значение нагрузки, которую может выдержать сталефибробетонный пол, т.е. позволяет проектировать полы со слишком большим запасом по несущей способности.

2. Расчет плиты пола с учетом упругопластической работы сталефибро-бетона.

Определение усилий, действующих в сечениях конструкции производится как для плиты или балки на упругом основании в предположении упруго-пластической работы сталефибробетона. При этом задаются нормализованные диаграммы растяжения и сжатия сталефибробетона. Расчет производится методом конечных элементов на ПЭВМ шаговым или итерационным методом. Условие прочности проверяется по формуле (21), но в правой части стоит значение эквивалентной прочности на растяжение при изгибе nom Bbz.

Сталефибробетонные полы, запроектированные как покрытие существующих бетонных полов, рекомендуется рассчитывать, как сэндвич. При этом старый пол рассматривается как плита или балка на упругом основании, на которую через жесткие стержни передается нагрузка от сталефибробетонной плиты. На рис.20 показана такая модель пола цеха ЭСПЦ Ново-Краматорского машиностроительного завода. Пол рассчитан на давление от проложек для валков прокатных станов. Исходные данные для расчета:

  • грунт - суглинок (к= 10* 107 н/м3);
  • старый бетон класса В12.5, h=200 мм;
  • сталефибробетон класса В35, h=l00 мм (nom Bbz=2 МПа).

На рис.20 а,б,в приведены эпюры изгибающих моментов для верхнего и нижнего волокон пола для различных стадий работы пола под нагрузкой.

Установлено, что при нагрузке 110кН/м2(11т/м2) в нижнем слое пола по оси проложки под валками возникает первая трещина. До этой нагрузки характер распределения изгибающего момента по длине балки очень плавный и растягивающие напряжения на верхней поверхности сталефибробетонного пола не возникают (рис. 20а). Расчет при дальнейшем нагружении выполнялся с шарниром в трещине (узел 38). При этом качественно изменяется вид эпюр изгибающих моментов (рис. 206). При нагрузке 275 кН/м   возникают еще 2 трещины в бетонном полу (узлы 8 и 36 от оси симметрии) и трещина в сталефибробетонном полу в узле 33. Однако в узле 33 разрушение сталефибробетонного сечения не происходит. Эта трещина в узле 8 приводит к перераспределению отрицательного момента по длине сталефибробетонного пола, из-за чего в узле 21 возникает трещина с раскрытием вверху. При дальнейшем деформировании сталефибробетонного пола (при нагрузке более 275 кН/м2) происходит разрушение сечений 33 и 21.

Сопоставление расчетных предельных нагрузок, найденных по двум предложенным концепциям, показывает, что учет упругопластической работы сталефибробетона и трещинообразования дает повышение расчетной несущей способности в 2.5 раза.

Запроектированный МП ООО «МТС» сталелефибробетонный пол был изготовлен в 2001 г. в цехе ЭСПЦ Новокраматорского машиностроительного завода. В настоящее время этот пол готовится к испытаниям на статическую нагрузку от давления проложек для валков прокатных станов.

Состав бетона и количество фибры на 1 мЗ бетонной смеси определяется, исходя из требуемого класса прочности сталефибробетона на сжатие и на растяжение. Для производства работ в действующих цехах рекомендуется использовать сухую сталефибробетонную смесь (смесь крупных и мелких заполнителей, микронапонителя и фибры), поставляемую на строительную площадку в мешках или ящиках. Цемент и вода добавляются при перемешивании сталефибробетонной смеси в смесителе. Величина осадки смеси должна быть не менее 10 см. Сталефибробетонная смесь приготавливается в стационарных бетономешалках или автобетоносмесителях. Время перемешивания смеси должно быть принято не более 10 мин во избежание образования комков фибры.

Так как сталефибробетонные полы сокращаются при усадке или расширяются и сокращаются при изменении температуры, они должны иметь возможность свободно перемещаться. Для этого у всех стен и у жестких элементов, например, колонны, лотки, фундаменты и т.п., необходимо уложить слой 10 мм пенополистирола. Всю поверхность старого пола или основания необходимо покрыть 2 слоями полиэтиленовой плёнки. К месту укладки сталефибробетонная смесь подается вибробадьей или с помощью бетононасосов. Уплотнение сталефибробетонной смеси выполняется виброрейкой. Скорость прохода виброрейки должна быть такой, чтобы обеспечить хорошее уплотнение смеси. Подвижность бетонной смеси должна быть такой, чтобы обеспечить и гарантировать её хорошее уплотнение.

Новые технологии на основе сталефибробетона