Применение поризованных бетонов в сейсмических регионах.
Черноусенко Г. И., г. Воронеж
В сейсмоопасных регионах к объектам строительства предъявляются особые требования, прежде всего в отношении конструкционной надежности и долговечности несущих элементов зданий и сооружений. Поэтому выбор соответствующих строительных материалов и технологий осуществляется с учетом этих специфических требований.
Предпочтение отдается монолитным вариантам исполнения фундаментов, армопоясов, армодисков, перекрытий, колонн и т.п. с тенденцией увеличения расхода арматуры и повышения марки бетонов.
Важным дополнением является снижение общей массы зданий за счет устройства ненесущих ограждающих стен из легких ячеистых бетонов (газосиликатных изделий, пеноблоков и др.)
Анализируя свой многолетний практический опыт строительства различных объектов и выполнения широкого набора общестроительных и отделочных работ на основе мелкозернистых поризованных бетонов, автор сделал предположение, что этот материал как никакой другой подходит для малоэтажного строительства в условиях сейсмической опасности. Этот бетон как новый композиционный материал на основе минеральных вяжущих (цемента, гипса, извести, полимерсиликатов и др.) можно легко приготавливать в различных смесителях не только в широком диапазоне плотностей D = 200–2000 кг/м3, но и достаточно просто достигать необходимых значений других эксплуатационных параметров: теплопроводности, влаго- и морозостойкости, прочности на сжатие, истираемости, модуля упругости и др.
Важнейшим свойством этого материала является пассивирующая способность к металлам (металл в существенно меньшей степени подвергается коррозии по сравнению с обычными бетонами).
Любые предположения, гипотезы, теоретические и экспериментальные исследования требуют апробации в натурных условиях. Поэтому автор предпринял усилия по проверке своих технологических разработок в условиях Крыма, как региона с уровнем сейсмичности до 8-9 баллов по шкале Рихтера.
& задачу удалось решить. Завершило эту часть дома устройство монолитного армопояса по объемному арматурному каркасу поризованным бетоном D ~ 1600 кг/м3.
Дополнительная гидроизоляция наружных стен фундамента не проводилась, так как вследствие преобладания в объеме поризованного бетона сферических пор, то есть закрытой структуры, в отличие от капиллярных пор в обычных бетонах, обеспечивается достаточная гидростойкость элемента конструкции дома, соприкасающегося с грунтом.
Несущие стены и перегородки.
Возведение надземной части стен цокольного этажа осуществлялось монолитным способом поризованным бетоном D = 1000–1100 кг/м3 с использованием мелкощитовой металлической опалубки. Заливка выполнялась слоями высотой Н = 0,5 м по всему периметру дома без длительных технологических перерывов (в течение одного рабочего дня), что исключает проявление дефектов от вертикальных щелей (трещин), которые обычно образуются при вертикальных отсечках и последующих заливках прилегающих массивов бетона.
Хорошая адгезия поризованного бетона к любым материалам (металл, кирпич, дерево, бетон и др.) дополняется процессами диффузии и гравитации, что обеспечивает хорошее сцепление верхнего слоя заливаемой стены с нижним.
Для повышения сейсмостойкости несущих стен в соответствии с проектным решением вертикально устанавливалась арматурная сетка из проволоки диаметром 5 мм с ячейкой 200 мм х 200 мм. Эта сетка в соединении с арматурой колонн в углах дома и в проемах окон и дверей формировала не только сейсмостойкий железобетонный каркас, но и повышала трещиностойкость монолитного массива от действия усадочных процессов в бетоне (влажностная и контракционная усадка).
В проемах окон и дверей нагрузки воспринимались объемным арматурным каркасом (армобалки). На втором и третьем уровнях дома эти элементы конструкции (над проемами) были реализованы в виде единого армопояса по всему периметру дома.
В перегородочных несущих стенах были исполнены каналы дымоходов и приточно-вытяжной вентиляции с использованием пластиковых труб требуемого сечения путем вынимания их из каждого заливаемого слоя стены (Н = 0,5 м). Качество поверхности в этих каналах удовлетворяет самым высоким требованиям проектировщиков.
Теплозащитные характеристики ограждающих стен дома (средняя плотность бетона D = 1000 кг/м3, толщина стены d = 0,5 м) в полной мере удовлетворяют региональным климатическим условиям. Поризованный бетон в диапазоне плотностей D = 900 – 1200 кг/м3 имеет величины сопротивления теплопередаче, оптимально дополняемые параметром теплоемкости. К тому же стены, выполненные из такого материала, осуществляют влагообмен (паропроницаемость) внутренних помещений с окружающей средой не хуже деревянных («дышат»), вследствие преобладания закрытой структуры пор и общей однородности и изотропности массива бетона.
Улучшенные звукоизолирующие характеристики таких стен также не вызывают сомнений. Податливость материала к обработке топором, ножовкой, шлифовальным камнем, долотом и др., способность удерживать дюбель, гвоздь не хуже древесины позволяют легко выполнять любые монтажные и отделочные работы с высокой производительностью и качеством.
Поризованный бетон в диапазонах плотности D = 800 – 1600 кг/м3 с добавлением в рецептуру клея ПВА из расчета 300 – 600 г/м3 представляет собой штукатурную смесь с хорошей адгезией к различным материалам, высоким уровнем пластичности и с длительным диффузионным периодом (8-10ч. до начала схватывания). Такая смесь на цементном вяжущем может использоваться для оштукатуривания как внутренних, так и наружных стен здания. Нанесение на поверхность может быть произведено любым из известных в строительстве способом. Смесь не сползает с вертикальной стены даже при нанесении в один прием слоя толщиной до 3 см. Трещиностойкостью штукатурного слоя можно управлять путем затворения в смесь фибры различного качества и количества.
Перегородочные (ненесущие) стены.
Перегородки, как правило исполняют в диапазоне толщин d1 = 10 см (кирпич на ребро), d2 = 12,5 см (полкирпича), до d3 = 25 см (кирпич). Такие стены не всегда удобно и порой не выгодно возводить монолитным способом. Их целесообразно выполнять из штучных строительных материалов. На нашем доме перегородки выполнены из стеновых блоков типоразмера 600 мм х 300 мм х 200 мм и 600 мм х 300 мм х 100 мм. Эти блоки были произведены в построечных условиях в металлоформах по литьевой технологии из поризованного бетона с добавлением фибры (200 – 300 г/м3) плотностью D1 = 1000 кг/м3 и D2 = 800 кг/м3.
Следует отметить, что заливка блоков, как и всех элементов дома, производилась в любых сезонных и погодных условиях – осенью, зимой на морозе до минус 100С, в снег, под дождем и др. При этом не применялись специальные противоморозные добавки, не осуществлялся традиционный уход за бетоном, а качество конструкций дома и штучных изделий оказывалось на требуемом уровне.
Если продолжить тему производства штучных изделий в построечных условиях, то на нашей стройплощадке в специально изготовленных металлоформах производятся колодцевые кольца из поризованного бетона. Можно также отливать панели для «еврозабора» и другие штучные изделия и малые формы.
Перекрытия.
При проектировании перекрытий дома автор отошел от традиционных вариантов исполнения объемного арматурного каркаса и предложил свое решение по устройству монолитного перекрытия в виде (сейсмо-) армодиска. Это решение представляет собой сочетание функций сетки в нижнем слое и ребер жесткости, нижний стержень которых работает совместно с сеткой в нижнем слое, а верхний стержень в верхнем слое перекрытия.
Была использована сетка из прутка толщиной 5 мм с ячейкой 200 х 200 мм, изготовленная методом точечной сварки в заводских условиях до размера 1,5 х 3 м. Ребра жесткости были изготовлены в построечных условиях из рифленой арматуры d = 10 мм верхний стержень и d = 12 мм нижний стержень, соединенных на удалении (высота ребра жесткости) һ1= 120 мм стойками высотой һ2 = 130 мм из проволоки ө =5мм с шагом ℓ = 250 мм. Общая длина этих ребер выполнялась в соответствии с расстоянием между осями несущих стен. В нашем доме длина таких пролетов для перекрытий составляла 6 м, 8 м и 9,6 м. В зависимости от величины пролета расстояние между ребрами жесткости варьируется от 30 до 60 см.
С помощью пластиковых и деревянных бобышек обеспечивался не только необходимый зазор между арматурой и щитами опалубки, но и формировался выпуклый свод с перепадом до 4 см между центром ребра жесткости и точками его опирания на несущие стены. Такое конструктивное решение дает эффект, аналогичный действию напрягаемой арматуры в плитах перекрытий.
Вдоль осей дома, на которых будут размещены ненесущие перегородки внутренних помещений и балконов, были установлены двутавровые балки, которые в массиве монолитного перекрытия выполняют функцию или защемленной балки, или усиливающей балки с опиранием на две несущие стены.
Для опирания перекрытия под террасы были исполнены колонны сечением 300 мм х 300 мм высотой Н = 3 м с объемным арматурным каркасом монолитной заливкой поризованным мелкозернистым бетоном D~1600 кг/м3 . Заливка первых пяти колонн осуществлялась в два этапа слоями по Н = 1,5 м, а четырех последующих колонн в один этап сразу на высоту Н = 3 м. В обоих случаях расслоение по высоте у колонн не наблюдалось, а опалубка обеспечила необходимую герметичность и деформационную жесткость к распирающим нагрузкам свежезалитого бетона.
Нагружались колонны заливкой монолитного перекрытия уже через неделю после их отливки. Никаких внешних дефектов (сколов, трещин, вздутий) в массиве бетона этих колонн не наблюдалось. Скорее регистрировалась повышенная динамика набора прочности в верхней части колонны по сравнению с нижележащими слоями вследствие преобразования статической нагрузки в энергию противодействующей кристаллической структуры формирующегося бетонного камня.
В соответствии с новым технологическим решением, предложенным автором, заливка монолитного перекрытия производилась в три слоя:
- первый, высотой Н1 = 7 см, плотностью D1 = 1600 кг/м3 ;
- второй, высотой Н2 = 7 см, плотностью D2 = 750 – 800 кг/м3 ;
- третий, высотой Н3 = 6 - 8 см, плотностью D3 = 1000 кг/м3.
Таким образом, средняя удельная плотность бетонного массива перекрытия составила 1100 – 1200 кг/м3, что в два раза легче, чем при заливке обычными бетонами. Это обеспечивает возможности значительного снижения расхода арматуры при расчетах и устройстве перекрытий. К тому же перекрытие обладает улучшенными характеристиками по звуко- и теплоизоляции, а также сейсмостойкости.
Технологичность выполнения работ по предложенному проектному решению позволяет достигать высокой производительности и качества работ.
Для перекрытия, исполненного таким образом может не потребоваться оштукатуривание и выравнивание потолков, а также последующая заливка выравнивающей основы под полы.
Экономические результаты.
Помимо материаловедческих и технологических показателей, которые автор продемонстрировал на опытно-экспериментальном объекте с использованием предложенных технологий строительства, важнейшей составляющей эксперимента было подтверждение высокого уровня экономической эффективности. Наиболее точным и достаточно полным показателем следует считать достигнутый уровень себестоимости выполнения общестроительных работ. Затраты заказчика-исполнителя на устройство перекрытия составили около 500 грн/м2, а в расчете на 1 м2 общей площади дома не превысили 1000 грн/м2. Эти затраты включают расходы на приобретение сырья, рабочего инструмента, зарплату бригады и частичную амортизацию закупленного технологического оборудования и оснастки для варианта монолитного возведения всех основных элементов дома.
Высокая экономическая эффективность строительства по авторским технологиям обусловлена применением принципа минимизации набора элементов и длины технологической цепочки по превращению исходного сырья (цемент, песок, вода, воздух, добавки) в готовую строительную продукцию в построечных условиях.
Полученные результаты подтверждают выводы автора, сделанные на основе многолетнего практического опыта, что себестоимость выполнения практически всех общестроительных работ можно уложить в диапазон от 0,5 до 1,0 от стоимости 1 тонны цемента.
Сравнительный анализ этих показателей с теми, которые обеспечивают другие строительные материалы и технологии возведения зданий и сооружений, автор предлагает выполнить самостоятельно всем, кто занимается строительством и заинтересован в снижении затрат и повышении качества.