CC BY
53УДК 666.973
В.Н. МОРГУН, канд. техн. наук, Южный федеральный университет (Ростов-на-Дону); А.Ю. БОГАТИНА, канд. техн. наук, Ростовский государственный университет путей сообщения; Л.В. МОРГУН, д-р техн. наук, П.В. СМИРНОВА, канд. техн. наук, Ростовский государственный строительный университет
Конструкционные возможности фибропенобетона неавтоклавного твердения
Одним из важнейших направлений технической политики в области строительства в настоящее время являются энерго- и ресурсосбережение, что закреплено рядом федеральных законов, нормативно технических документов и отражено в целевых программах различного уровня. Введение с 2003 г. повышенных требований к теплотехническим свойствам ограждающих конструкций зданий предусматривает необходимость значительного повышения их сопротивления теплопередаче. В связи с этим самыми распространенными в современном многоэтажном каркасном и крупнопанельном строительстве в настоящее время стали многослойные стены с эффективным теплоизоляционным материалом. Необходимость устройства многослойных стеновых конструкций обусловлена тем, что ни один из традиционных материалов отдельно не удовлетворяет комплексу требований по прочности, долговечности и энергоэффективности. Например, рядовой керамический кирпич обладает достаточной механической прочностью по отношению к нагрузкам бытового уровня, но слишком теплопроводен (Х>0,5 Вт/(м-°С)). Теплоизоляционные материалы (минеральная вата, пенополистирол), предназначенные для обеспечения теплоизоляции стеновых конструкций, обладают низкой теплопроводностью (Х=0,04—0,07 Вт/(м-оС)), но не могут применяться в конструкциях зданий без защиты от механических воздействий, так как не обладают достаточной прочностью.
Технология пенобетона, дисперсно-армированного синтетическими волокнами (фибропенобетона — ФПБ),
Растяжимость пено-
развиваемая в Ростове-на-Дону, позволяет предложить строительному комплексу РФ энергоэффективный материал массового производства, свойства которого обеспечивают возможность изготовления однослойных стен, соответствующих комплексу современных требований по прочности, энергоэффективности, долговечности, архитектурно-художественной выразительности и экологичности. Причиной комплексного улучшения конструкционных свойств ФПБ по сравнению с равно-плотными пено- или газобетонами следует считать изменение их структуры на микро- и наноуровнях, формирующееся в период приготовления и фазового перехода смесей из вязкого в твердое состояние [1—3]. Затвердевший фибропенобетон под действием нагрузок способен претерпевать следующие стадии деформирования:
а) совместную упругую деформацию фибры и бетона, которая проявляется в стадии упругого деформирования бетона;
б) при появлении в растянутой зоне бетона первой трещины в работу сопротивления механической нагрузке включаются те объемы материала, которые связаны с фиброй силами поверхностного сцепления. Поэтому материал не разделяется на части. В случае снятия нагрузки берега трещины смыкаются. Под действием нагрузки развитие берегов трещины идет в замедленном темпе вплоть до достижения предела упругой деформа-тивности фибры;
в) достижение предела упругой деформативности фибры переводит изделия из фибропенобетона в состояние пластического течения дисперсной арматуры;
Таблица 1
и фибропенобетона
Фибропенобетон Пенобетон
Напряжение, МПа Деформации, мм/м Напряжение, МПа Деформации, мм/м
0 0 0 0
0,1 0,05263 0,1 0,0625
0,2 0,10526 0,2 0,125
0,3 0,15789 0,3 0,1875
0,4 0,21052 0,4 0,25
0,5 0,263 0,48 0,3
0,6 0,31578 0,485 0,31
0,7 0,3682 0,483 0,33 (Образцы разделялись на части)
0,75 0,39473
0,79 0,43
0,8 0,53 (Дисперсная арматура достигла предела текучести, но образцы не разделялись на части)
14
научно-технический и производственный журнал
апрель 2012
\3_
/у/ \±
Деформации
Рис. 1. Принципиальная зависимость между напряжениями и деформациями в фибробетоне и его компонентами: 1 - бетон; 2 - фибропе-нобетон; 3 - фибра
2 2
0,25
0,21 -
Я 2
& О
■ о. 0,17 -
ф^О 0 13-хдх
0,09
о о О
0,05
500
700
900
1100
1300
Средняя плотность, кг/м3
Рис. 2. Влияние дисперсного армирования на хрупкость пенобетона: 1 - пенобетон; 2 - фибропенобетон 3%
г) разрыв или выдергивание волокон из бетона характеризует полное разрушение материала, которое выражается разделением его на части.
Из графика, представленного на рис. 1, следует, что с помощью дисперсного армирования пенобетонов можно управлять не только прочностью, но и энергоемкостью разрушения. Работа разрушения (площадь фигуры, ограниченной соответствующей кривой деформирования) фибропенобетона в несколько раз превышает этот же показатель для бетона. Это чрезвычайно важно
для долговечной и безопасной эксплуатации строительных объектов, поскольку при одинаковой прочности при сжатии материал, разрушающийся вязко, способен предупреждать о предстоящем разрушении развитием видимых деформаций. Это дает возможность службам эксплуатации либо разгрузить конструкцию, либо защитить людей от травм, имеющих место при внезапном обрушении. Результаты исследований влияния дисперсного армирования на растяжимость фибропенобе-тонов представлены в табл. 1 (бетоны плотностью 650 кг/м3 подвергались растяжению при изгибе).
Из данных табл. 1 следует, что поведение пенобетона под действием растягивающей и изгибающей нагрузок соответствует принципиальной закономерности, представленной на рис. 1. Пенобетон обладает незначительной предельной растяжимостью, разрушается хрупко при напряжениях существенно меньших, чем напряжения, воспринимаемые равноплотным фибропенобето-ном. Рост пластических деформаций в фибропенобето-не при напряжениях растяжения выше 0,75 МПа показал, что материал завершил работу в упругой стадии деформирования, однако образцы не разделились на части, а оказались способными противостоять приложенной нагрузке.
Экспериментально установлено, что наличие фибры в количестве до 0,5% от объема твердой фазы не оказывает практического влияния на прочностные и дефор-мативные свойства пенобетонов. По мере насыщения пенобетонной смеси дисперсной арматурой в ней возникают специфические условия для ускорения процессов массопереноса, обеспечивающих переход вязкой суспензии в твердую фазу.
Ускоренный фазовый переход позволяет снижать количество внутренних дефектов в структуре межпоро-вых перегородок, что выражается в комплексном улучшении конструкционных свойств фибропенобетонов по сравнению с пенобетонами. В экспериментах превышение модуля упругости за счет дисперсного армирования в количестве 2 об. % составило 16—20%. При этом коэффициент вариации модуля упругости серии пено-бетонных образцов достигал 12,5%, а фибропенобетон-ных — всего 5,68%.
Комплексное улучшение конструкционных свойств пенобетонов при их дисперсном армировании волокнами обусловлено изменением порядка упаковки и плотности зернистых дисперсных частиц в ходе формирования структуры межпоровых перегородок. Повышение плотности упаковки дисперсных частиц влечет закономерное повышение прочности затвердевшего материала, что и выражается в изменении параметров появле-
Конструкционные свойства пено- и фибропенобетона
Таблица 2
Контролируемые свойства Вид бетона Коэффициент вариации, %
пенобетон фибропенобетон пенобетон фибропенобетон
Доля армирования от объема твердой фазы, % 0 0,5 2 0 0,5 2
Средняя плотность, кг/м3 730 732 725 0,81 0,78 0,53
Начальный модуль упругости, МПа 1740 1750 2020 12,5 12,3 5,68
Прочность при растяжении при изгибе (МПа) при появлении трещин: - первой - магистральной - разрушающей 1,15 1,15 1,54 3,01 4,48 21,2 19,9 9 14,3 11,9
Прогибы в мм при появлении трещин: - первой - магистральной - разрушающей 0,38 0,36 0,32 1,69 7,7 26,8 24,3 17,6 24,1 13,5
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® апрель 2012 15
ния первой трещины в дисперсно-армированных пено-бетонах.
Прочность при растяжении самая малая из всех прочностных характеристик бетона. Ячеистый бетон сопротивляется растяжению на порядок хуже, чем сжатию. О мере его хрупкости судят по отношению величин прочности при растяжении к прочности при сжатии (рис. 2).
Из графика на рис. 2 следует, что фибропенобетоны конструкционно-теплоизоляционного назначения характеризуются прочностью при растяжении, соответствующей бетонам слитной структуры классов В15—Б20. Это позволило прогнозировать возможность применения фибропенобетона плотностью 700—800 кг/м3 в армированных металлической стержневой арматурой изгибаемых элементах несущих строительных конструкций. В качестве таких элементов вначале были выбраны перемычки для перекрытия проемов гражданских зданий.
Для изучения работы фибропеножелезобетонных элементов под действием кратковременной нагрузки в лабораторных условиях были изготовлены и испытаны перемычки прямоугольного и П-образного сечений пролетом 2,3 м.
Армирование перемычек было принято на основании расчета однопролетной свободно лежащей балки. Плотность фибропенобетона составляла 800 кг/м3. Призменная прочность Ль=3,5-5,2 МПа, содержание синтетической фибрысоставляло1,5%.Фибропенобетон изготавливали в лабораторном смесителе по технологии, защищенной патентом РФ [4].
Испытания перемычек внешней кратковременной нагрузкой в возрасте 28—32 сут проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 8829—94 «Конструкции и изделия бетонные и железобетонные сборные. Методы испытаний нагружением и оценка прочности, жесткости и трещиностойкости» по схеме однопролетных свободно лежащих балок, симметрично загружавшихся дву-
мя сосредоточенными силами, приложенными в третях пролета. Нагружение проводилось ступенями по 0,05— 0,1 от ожидаемой разрушающей нагрузки с интервалом между ступенями 10 мин. Характер разрушения фибро-пеножелезобетонных перемычек отличался от традиционного осколочного разрушения железобетонных перемычек по нормальным сечениям. Все опытные балки разрушились по наклонным сечениям сжатой зоны. Установлено, что при использовании конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона момент, приводящий к образованию трещин в растянутой зоне, должен превышать расчетный в 1,4—1,6 раза по сравнению с железобетонными перемычками таких же размеров и несущей способности.
Достигнутые результаты позволили освоить технологию изготовления теплоэффективных перемычек на ряде предприятий стройиндустрии [5]. В 2008 г. сдан в эксплуатацию офисный центр «Купеческий двор», возведенный в исторической части Ростова-на-Дону, все ограждающие конструкции которого выполнены из фибропенобе-тона плотностью 400—500 кг/м3, а карнизные элементы — из фибропеножелезобетона плотностью 600 кг/м3 [6]. В 2010 г. была изготовлена и испытана под действием длительно действующей нагрузки плита перекрытия (900x300x4800 мм) из фибропенобетона плотностью 800 кг/м3, армированная объемными металлическими каркасами. Как показали испытания, допустимый прогиб (6,85 мм) был достигнут после превышения нагрузки в 730 кг/м2, т. е. в 2,4 раза выше нормативной для железобетонных плит, предназначенных для жилья [7].
Обобщая изложенное, можно утверждать, что современный уровень развития технологии фибропенобето-на позволяет его позиционировать не только как морозостойкий теплоизоляционный, но и как достойный внимания материал для изготовления крупноразмерных энергоэффективных строительных изделий конструкционного назначения. К числу таких изделий относятся плиты перекрытий. После промышленной апробации можно приступить и к изготовлению стеновых панелей.
Ключевые слова: фибропенобетон, предельная растяжимость, модуль упругости, конструкционные свойства.
Список литературы
Книга «Клееные деревянные конструкции с узлами на вклеенных стержнях в современном строительстве (система ЦНИИСК)» Авторы -
д-р техн. наук С.Б. Турковский, канд. техн. наук А.А. Погорельцев, канд. техн. наук И.П. Преображенская
Книга содержит примеры из опыта применения различных типов конструкций в современном строительстве. Особенность применяемой системы состоит в использовании нового вида соединений в узловых сопряжениях и стыках конструкций, открывающего новые возможности клееной древесины. Система позволяет получить большепролетные сборные конструкции повышенной надежности, в том числе уникальные. Кроме того, теперь имеется возможность на основе серийно изготавливаемых унифицированных элементов создавать самые различные конструктивные системы — как по форме, так и по размерам. Система создана на основании длительных исследований (с 1974 г.), проводимых сотрудниками лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК, а также опыта проектирования, изготовления и применения клееных деревянных конструкций за последние 15—20 лет.
Книга содержит материалы, рекомендуемые работникам проектных организаций, студентам, аспирантам, инженерам-строителям и др.
1. Моргун Л.В., Моргун В.Н. О жидкокристаллической природе агрегативной устойчивости пенобетонных смесей // Строительные материалы. 2006. № 6. С. 22-23.
2. Смирнова П.В., Моргун Л.В., Моргун В.Н., Бацман М. О. Зависимость скорости формирования структуры пе-нобетонов от температуры сырьевых компонентов // Строительные материалы. 2008. № 6. С. 50-52.
3. МоргунЛ.В., Богатина А.Ю., СмирноваП.В., МоргунВ.Н., Набокова Я.С. О сейсмобезопасном бетоне // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 4-6.
4. Моргун Л.В., Айрапетов Г.А., Лавренов А.В. Способ изготовления пенобетонной смеси. Патент РФ на изобретение № 211132315.
5. Богатина А.Ю., Моргун Л.В., Моргун В.Н. Бетон для энергоэффективных зданий // Известия РГСУ. 2006. № 10. С. 88-95.
6. Моргун Л.В., Богатина А.Ю., Моргун В.Н., Саханев В.Г. Архитектурные формы изделий из фибропенобетона неавтоклавного твердения // Строительные материалы. 2005. № 10 / Архитектура. С. 14-16.
7. Моргун Л.В., Моргун В.Н., Пименова Е.В., Смирнова П.В., Набокова Я.С. Возможность применения неавтоклавного фибропенобетона в крупнопанельном домостроении // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 19-21.
16
научно-технический и производственный журнал
апрель 2012
jVJ ®
