Виды сборного железобетона и область его применения
Промышленность сборного железобетона относительно молода. Еще в начале 40-х годов было мало заводов по его производству, имели они относительно небольшую мощность, ограниченную номенклатуру продукции, строились из нестандартных деталей с оборудованием и механизмами, не обеспечивающими достаточно высоких разрешающих технологических характеристик. Впоследствии была осуществлена широкая программа развития промышленности сборного железобетона в СССР. С 1950 до 1975 г. объем сборного железобетона вырос примерно в 100 раз. Больше 60% сборного железобетона используется в жилищно-гражданском строительстве. Заводы и специализированные домостроительные комбинаты ныне выпускают больше 200 тыс. м3 сборного железобетона в год.
Идея сборного железобетона исключительно плодотворна, так как способствует превращению строительного производства (строительства промышленных предприятий, инженерных сооружений на транспорте и в энергетике, жилищного строительства, мелиорации и ирригации) в комплексный хорошо механизированный процесс сборки (монтажа) сооружений из элементов, деталей, изделий и конструкций высокой заводской готовности. Однако неверно считать, что сборный железобетон во всех случаях может заменить монолитный бетон (железобетон).
Строительство ряда сооружений не требует такой замены, вызывает удорожание и не повышает их эксплуатационных характеристик. Надо отметить, что стоимость сборного железобетона требует дальнейшей творческой работы для ее снижения. То же касается и решения задач по резкому повышению качества этих прогрессивных деталей и, в частности, точности формы и размеров (уменьшения величины допуска), приближения их внешнего вида к полной готовности без последующей отделки.
Область применения сборного железобетона из года в год расширяется. В частности, гидростроители в качестве большого эксперимента при строительстве Саратовской ГЭС применили в значительном объеме сборный железобетон с отдельными элементами в 240 т. Естественно, это требует специального оборудования, большегрузных платформ, кранов, цехов по изготовлению сборного железобетона. Сказанное служит примером широких возможностей в применении заводского железобетона и заслуживает пристального внимания проектировщиков, организаторов производства и технологов-строителей.
Сборный железобетон имеет самое широкое применение во всех видах строительства: жилищном, промышленном, гидротехническом, сельскохозяйственном, коммунальном, культурно-бытовом, транспортном.
Из сборного железобетона изготовляют следующие изделия: пролетные строения мостов, обделку тоннелей, водопропускные трубы, опоры различного назначения, колонны, балки, перемычки, массивы-гиганты, стеновые панели и блоки, железобетонные каркасы различного назначения, шпалы, перекрытия, резервуары, рудничные крепления, открытые крановые и разгрузочные эстакады и др.
В сборном железобетоне марки тяжелого бетона для различных конструкций назначают в соответствии с требованиями СНиП П-В.1—62. Максимальная марка бетона равна 600 (бетон анкерных стаканов, торцевых шайб под анкера), минимальная проектная марка—150 (стенка монолитных круглых резервуаров и труб при напряжении только кольцевой и спиральной арматуры).
Особое значение для снижения стоимости сборного железобетона имеет унификация деталей и конструкций. Опыт показывает, что многие разнотипные детали и изделия после одного-двух лет изготовления при неполной амортизации металлических форм снимаются с производства, хотя срок их эксплуатации значительно выше (не менее 5 лет). С другой стороны, использование унифицированного каркаса из сборного железобетона в одних случаях будет полноценным при существующих нормативных нагрузках, а в других — нет. По-видимому, унификация деталей также должна проводиться с определенной дифференциацией элементов каркаса по нагрузкам. Нецелесообразно изготовление меньшего числа типоразмеров деталей из сборного железобетона, так как это связано с перерасходом бетона и арматуры.
Технологичность процесса содержит большое число составляющих и не должна ограничиваться рассмотрением только одной стороны вопроса — бортоснасткой для изготовления изделий. Независимо от вида и типа деталей и изделий решение этого вопроса связано с условиями формования смеси и скоростью твердения бетона. Оба этих вопроса нуждаются в дальнейшем развитии и зависят от средств уплотнения и видо-марок цемента. В этом направлении ведутся исследования, позволившие в определенной мере усовершенствовать технологию работ.
Сборно-монолитный железобетон целесообразно применять по следующим причинам: при дальности перевозок и относительно небольшому объему сборных конструкций, когда нерационально строить заводы по их изготовлению на месте строительства; вблизи на полигонах или мест монтажа, а также прямо на участках, где будут собирать конструкции из деталей. В последнем случае значительно упрощается изготовление железобетона, так как не требуются подмости, сложная опалубка, подача бетонной смеси на разные уровни и т. д. Применение сборно-монолитного железобетона особенно оправдывает себя в осенне-зимний период.
Предварительно напряженный железобетон является исключительно прогрессивным его видом. Он наиболее рационален в стационарных условиях, учитывая специфику технологического передела — армирования конструкций высокопрочной напрягаемой арматурой и снижение до минимума брака на этом переделе. Под браком понимают отказы при изготовлении напрягаемой арматуры, выражающиеся в последующем нарушении ее сцепления с бетоном в так называемых зонах анкеровки концов арматурных элементов; получении меньшего предварительного напряжения арматуры по сравнению с его прежней величиной; в ряде случаев неравномерном обрыве арматуры, ее проскальзывании в захватных приспособлениях, понижении трещиностойкости конструкций при эксплуатации, последующей коррозии высокоуглеродистой арматурной стали, снижении морозостойкости из-за плохого контакта арматуры и бетона и т. д.
Армирование предварительно напряженных железобетонных конструкций характеризуется разнообразным технологическим оборудованием и организацией работ.
В технологии изготовления такого железобетона есть два принципиально различных приема: 1) натяжение арматуры через специально устраиваемые каналы — отверстия в затвердевшем бетоне; 2) натяжение арматуры на упоры до бетонирования с последующей передачей этого натяжения на бетон, затвердевший до проектной прочности, меньшей, чем марочная прочность. Упоры имеют различное устройство, что связано с технологической схемой производства бетонных работ и с особенностями элемента. В частности, для многих бетонируемых конструкций изготавливают силовые формы, в которых натяжение арматуры передается на ее борта или на поддон (формы для двутавровых балок, решетчатых опор линий электрификации железных дорог и ряда других элементов). Для качества сборного предварительно напряженного железобетона особое значение имеет способ отпуска натяжения на бетон, что надо учитывать при конструировании металлических форм (например, при переменном сечении бетонируемого элемента, где после спуска натяжения особенно сказывается уменьшение его длины, соответствующее величине предварительного обжатия элемента).
Существует ряд способов распалубки элементов из сборного железобетона: 1) выступы и впадины на силовых бортах и поддонах устраивают с плавными переходами (угол наклона к продольной оси конструкции составляет 30—45°) —в этом способе соответственно увеличению объема бетонируемого элемента увеличивается и объем бетона, что недопустимо; 2) вторичная оттяжка арматуры на специальном стенде, куда помещают распалубливаемый элемент, арматура на таком стенде оттягивается при передаваемом на форму усилии, равном 50—70% от усилия контролируемого натяжения— этот способ увеличивает затраты труда, требует дополнительное оборудование; 3) бетонируемый элемент имеет «плавающие» формообразователи, которые при передаче натяжения с формы на твердеющий бетон могут незначительно смещаться по отношению к длине формы, ее бортов вместе с забетонированным элементом, этот способ также имеет недостаток, связанный со стоимостью и сложностью «плавающих» деталей, их быстрым износом и необходимостью применения дополнительного усилия по распалубке, так как не полностью снимается заклинивание забетонированного элемента в силовой бортоснастке; 4) продольные стенки бортоснастки забетонированного элемента с прочностью, допускающей передачу напряжения арматуры на бетон без снятия натяжения с упорных устройств, отводят разными приемами на некоторое расстояние от бетона (в конструкциях длиннее 13 м надо создать пространство между бетоном и формой примерно 15—20 мм).
Кроме рассмотренных способов бетонирования напряженно армированных элементов практикуют предварительное натяжение отдельных струн или пучков из высокопрочной проволоки, стержневой арматуры на упоры стендов и непрерывное армирование на поворотных столах, а также применяют специальные механизмы (например, при изготовлении труб — наливочные механизмы и станки).
Особенности указанного технологического передела весьма многообразны по механизмам, оборудованию, металлическим формам, деталям, применяемым в этих работах, и должны изучаться по специальным руководствам. Это касается и техники натяжения высокопрочной арматуры, которая также разнообразна. Существуют способы прямого механического натяжения арматуры — гидродомкратами, электротермическим и смешанным натяжением (электротермическим и механическим).
Расчет и проектирование форм для сборного железобетона имеют решающее значение для точности размеров элементов и существенно влияют на их стоимость. По этой причине в НИИЖБе в течение ряда лет этой работой занимается группа исследователей, классифицировавшая все виды металлических форм, применяемых в промышленном, гражданском и жилищном строительстве, по способу производства сборного железобетона, геометрической характеристике изделий, конструктивным особенностям форм. Такая классификация позволяет выделить при проектировании форм главные условия. Например, выбирая технологию изготовления сборного железобетона конвейерным или агрегатно-поточным способом, легко убедиться в высокой оборачиваемости форм и, следовательно, рассчитать парк форм (сказанное касается также использования силовых неподвижных форм). Другим примером высокой оборачиваемости форм может быть технология приготовления однотипных, одноразмерных деталей (например, шпал) на длинных виброплощадках в форме на группу деталей при их продолжительном использовании.
Рассматривая взаимосвязь и между другими этапами изготовления напряженного железобетона, можно показать, сколь важно для разработки оптимальных решений каждого технологического передела не допускать их назначения вне такой связи. К показателям классификации целесообразно было бы отнести и затраты труда на использование форм (начиная с подготовки к бетонированию и кончая очисткой и смазкой форм). В частности, анализ деталей показывает на целесообразность применения многоячейковых форм (например, для шпал, бортовых камней).
Основной вид классификации форм по технологии производства изделий: стендовой, агрегатно-поточной и конвейерной. Для агрегатно-поточного и конвейерного способов запроектированы формы для изделий плоских со съемными бортами, для автоклавного твердения бетона, линейных решетчатых конструкций с горизонтальным вибрированием и с криволинейной поверхностью. Для стендового способа запроектированы неподвижные формы, воспринимающие и не воспринимающие усилия при натяжении арматуры, а также другие виды форм (для решетчатых, крупных пустотелых и объемных тонкостенных и других изделий).
Смазки для форм. Так как распалубка влияет не только на трудоемкость выполняемых работ, но и на качество поверхности бетона и долговечность форм, имеют значения приемы обработки поверхности форм перед укладкой бетонной смеси. Применяют смазки на основе минеральных масел (в частности, отработанные смазки двигателей внутреннего сгорания), в том числе масла на основе парафина, доведенные до рабочей консистенции такими растворителями, как керосин, соляровое масло и др. Анализ роли смазки форм на отдельных технологических переделах изготовления изделий позволяет выявить различное влияние физико-химических характеристик смазок. Отметим, что многие из ранее применявшихся смазок снимались с поверхности форм при загрузке в них смесей. Действительно, повышение вязкости смазок мешает их равномерному распылению, сказывается на толщине наносимого слоя, усложняет процесс их нанесения. Снижение вязкости по мере нагрева металла при пропаривании бетона ухудшает распалубливание форм, так как поверхность изделий слипается с поверхностью металла. Следовательно, смазки не могут иметь универсальные свойства по причинам, связанным с влиянием на них технологических факторов производства работ.
Рассмотрим в общем виде физико-химические основы вопроса, касающегося эмульсионных смазок — наиболее интересных и безопасных для использования, а также дешевых, так как они на 80—90% состоят из воды. Поверхность раздела двух жидкостей, составляющих эмульсию, в основном и определяет ее свойства, поэтому уточним силы, действующие на границы раздела ее фаз. Границы раздела фаз, в частности, в эмульсии — источник силового поля по причине различия их молекулярных сил (сил поверхностного слоя жидкости, на которые со стороны нижележащего слоя этой жидкости воздействуют молекулярные силы неполярной жидкости). Капельки такой эмульсии имеют размер около 0,5—5 мкм, что создает их неустойчивость из-за значительного избытка энергии на границе раздела фаз с такой высокоразвитой поверхностью.
Однако по своей природе эмульсии самопроизвольно во всех случаях при постоянных температуре и объеме без внешних воздействий повышают устойчивость за счет систематического уменьшения избытка свободной энергии в поверхностном слое. Этот процесс в конечном счете приводит к их разрушению. При этом можно иметь две промежуточные стадии до разрушения эмульсии: 1) более быстрый процесс разрушения, так как протекает за счет слияния капелек дисперсной фазы (уменьшается поверхность раздела фаз As при постоянном исходном значении σ — величины поверхностного натяжения); 2) стадия замедленного относительно первой стадии расслоения эмульсий, так как проходит через ее временную стабилизацию (уменьшается поверхностное натяжение Ав при постоянном значении площади поверхностного слоя эмульсии). Кроме этих в весьма общем виде изложенных кинетических факторов механизма разрушения эмульсий существуют также и термодинамические. Зная механизм повышения стабильности эмульсий, следует его использовать и в создании разнообразных эмульсионных смазок. Для этой цели предложены три способа, связанных с уменьшением поверхностного натяжения в эмульсиях.
Первый способ заключается в повышении температуры смазки, что связано с резким уменьшением поверхностного натяжения. При снижении величины поверхностного натяжения от обычной величины до десятых долей эмульсия становится достаточно стабильной для использования.
Второй способ состоит в применении ПАВ, значительно снижающих поверхностные натяжения, обладающих повышенной вязкостью (таких веществ — стабилизаторов в эмульсионные смазки вводят 5—10% по отношению к непрерывной рреде — маслу в эмульсиях обратного типа «вода в масле»). К таким стабилизаторам надо отнести вещества с асимметричным строением молекул (спирты, кислоты, их соли, различные мыла и ряд других соединений). Используя указанную ориентацию молекул ПАВ, реализуют исключительно выгодную в энергетическом плане переориентацию молекул эмульсии на границе раздела фаз (полярные группы добавок, т. е. растворимые в полярных жидкостях, будут погружены в полярную фазу эмульсии; неполярные группы добавок, т. е. растворимые в неполярных гидратах, например, в углеводородах, — в ее неполярную фазу). Степень ориентации молекул ПАВ на границе раздела фаз функционально связана с их концентрацией. Степень концентрации сказывается и на изменении сил притяжения между неполярньгми группами молекул, следовательно, связана с изменением плотности их «упаковки» и более строгой ориентации. Также важен факт преобладающего значения той или другой группы (гидрофильной — полярной, или олеофильной гидрофобной—аполярной), составляющей стабилизаторы, применяемые для эмульсионных смазок. Преобладание гидрофильных групп приведет к образованию эмульсий — смазок первого типа — масло в воде; преобладание олеофильных групп приведет к образованию эмульсий — смазок второго типа — воды в масле.
Теоретические разработки этого вопроса также показывают, что недопустимо значительное преобладание любого из свойств добавок (их гидрофильности или гидрофобности), любой группы молекул в добавке, так как в этом случае молекулы теряют ценное качество — дефильность, практически полностью погружаясь в какую-либо (соответствующую) фазу эмульсии.
Третий способ состоит в использовании химических реакций между веществами — дисперсионной средой и дисперсной фазой. Этим способом получены смазки прямого и обратного типов, основанные на базе кислого синтетического эмульсола ЭКС (такой эмульсол получается путем введения в веретенное масло до 10% синтетических жирных органических кислот — кубовых остатков). Смазка получается при смешении ЭКС с водой, в которой растворена известь или кальцинированная сода. В итоге реакции между жирными кислотами, находящимися в эмульсоле, и указанным раствором (гидратом окиси кальция или натрия) на границе раздела этих жидкостей образуются мыла соответствующего состава и снижается поверхностное натяжение. Необходимо учитывать химический состав воды, так как электролиты в отличие от органических веществ увеличивают поверхностное натяжение и тем больше, чем выше их содержание в растворе.
По ходу технологических процессов для оценки качества смазок важна проверка по следующим периодам ее поведения: I — удобст ва и качества слоя смазки при нанесении на поверхность холодных форм; II — при заполнении форм бетонной смесью и далее при уплотнении интенсивным вибрированием; III — при твердении, в том числе при пропаривании бетона вплоть до его охлаждения при разных режимах твердения; IV — при очистке от смазки. Как правило, смазки пригодны только для однократного использования. Оптимальный состав смазки должен удовлетворять всем требованиям, которые заложены в каждом из указанных периодов. Для примера укажем, что анализ стоимости смазывания и очистки формы-кассеты (за один оборот) при применении трех смазок показывает, как изменяется стоимость работ: для петролатумко-соляровой она составляет 5,3 коп., нигрольно-мыльной— 3,5 коп. и ОЭ-2— 1,4 коп. на 1 м2 изделия. Разница в стоимости связана: 1) с необходимостью осуществления неоднократной профилактической очистки разделительных стенок кассетной формы (например, для петролатумно-со-ляровой смазки — через 8 оборотов, а для смазки ОЭ-2 —после 100 оборотов); 2) с неодинаковой стоимостью смазок; 3) с различной трудоемкостью очистки форм.
От качества смазки зависят сроки эксплуатации форм и качество поверхностного слоя железобетонных изделий. Составы смазки также надо выбирать, учитывая способы формования изделий (в вертикальном или горизонтальном положениях). Опыты применения омазки ОЭ-2 показали, что она хорошо удерживается даже на поверхностях с отрицательным уклоном (конусах, ребрах и им подобных поверхностях форм). Для горизонтальных поверхностей исключается необходимость их механической очистки при последующих бетонированиях. Смазка не расслаивается до 10 дней. Работы, связанные с получением различных смазок, и выявление их эффективности поставили такие новые вопросы, как изменение поверхностного слоя форм путем использования новых металлов, сплавов, легирования стали, использования органических полимерных облицовок, использования твердых неорганических неметаллических покрытий, замену металлических форм на формы из пластмасс, учитывая особенность таких материалов — отсутствие адгезии бетона к ним. Даже эти краткие сведения о смазках при массовом изготовлении сборного железобетона показывают, сколь важно для технолога-строителя изучение данного вопроса.
При прочих равных условиях в изменении сцепления арматуры с бетоном решающее значение играет водоотделение цемента, которое не нормируется. При укладке пластичных смесей вода, отделившаяся от цементного теста, размещается под зернами заполнителя и арматурой, вследствие этого не только резко снижается контакт между цементным камнем и поверхностями указанных материалов, но предопределяется образование слабых мест, где при воздействии агрессивных факторов возникают разрушения деталей из железобетона.
Приемы повышения качества цементного теста в направлении, необходимом для надежной работы железобетона, были рассмотрены выше. Они являются общими для любого вида бетона. Различие лишь в том, что в предварительно напряженных конструкциях процессы разрушения бетона при нарушении свойств, необходимых для его надежной работы, возникают значительно раньше, чем в обычном бетоне. Следовательно, в проектах деталей из предварительно напряженных конструкций нужно с особым вниманием отражать всю совокупность строительно-технических требований на смеси и бетон. Это в полной мере относится к любому виду долговечного бетона.
Отметим, что в ряде случаев краткие сроки службы бетона бордюрных камней, дорожных и аэродромных покрытий, предварительно напряженных пролетных строений мостов и некоторых других конструкций неверно объясняют природой бетона как строительного материала. Такая ошибка связана только с констатацией действительных фактов быстрого разрушения конструкции, качество которых не соответствовало условиям их работы в конкретных средах. К сожалению, последнее обстоятельство, связанное с необходимостью проектирования бетонов по комплексной марке, не учитывается. Сказанное о трактовке причин недолговечности бетона, качество которого для тех или других случаев не отвечает требованиям комплексной марки, высказывающими эти ошибочные суждения, объясняется принципиальной невозможностью получения долговечного бетона, не нацеливает на решение этой важной задачи и приносит весьма крупный ущерб народному хозяйству.
Передовой опыт, базирующийся на капитальных разработках ученых, доказывает, что проектируя бетон по комплексной марке (с учетом всех свойств, влияющих на устойчивую работу бетона), можно получать долговечные бетоны практически в любых условиях. Ранее сказанное о важности глубокого знания свойств цемента должно быть основой для выбора цемента. Опыт кафедры дорожно-строительных материалов МАДИ показывает, что одной из видо-марок цемента для сборного железобетона является шлакопортландцемент соответствующих марок.
Как видно из этих зависимостей, для сборного железобетона нужно проверять соотношения между марками цемента и бетона в условиях его твердения, аналогичных режиму твердения бетона. Оптимальные результаты дает шлакопортландцемент с высоким содержанием гранулированного шлака оптимальных составов для клинкерной части, смешиваемой с ним, с высокой тонкостью помола при s=4000 см2/г. Несомненно, что для долговечности конструкции в такие бетоны с целью защиты арматуры следует вводить не только добавки, которые позволяют снижать расход воды (пластифицирующие гидрофильные добавки), но и добавки, регулирующие воздухововлечение при длительной «сработке» микробетона Юнга, чтобы возникли капилляры с воздушными буферами, а также произошла их гидрофобизация на базе длительного процесса выделения газовой фазы специальными добавками, а также добавки, ингибирующие возможность коррозии арматуры, в частности, арматуры в зоне, наиболее близкой к внешней поверхности детали. Эта часть бетона со временем постепенно карбонизируется, в ней уменьшается показатель рН бетона, что может привести к коррозии металла. Несомненно, в требованиях к качеству бетона должны быть увязаны толщина и плотность защитного слоя. Следовательно, каталогизация свойств цемента, а не ограниченные сведения о его стандартности, являются основой для правильного назначения и применения цемента в строительном производстве, что должно быть отражено в технических требованиях стандарта.
Ранее сказанное о роли регулирования процесса контракции в твердеющем бетоне имеет прямое отношение к качеству поверхности изделий. Чем больше на поверхности мелких неровностей — дырочек, тем хуже использован цемент в процессе твердения в части создания пассивных капилляров, в которых находится поджатый воздух.