Primecomposite – бетонный пол на перекрытиях и фундамент на сваях из бетона

Новые границы применения армированного стальными волокнами бетона

Экспертные данные из стран Балтии и Скандинавии

Статья Яниса Ошлейса

Янис Ошлейс является членом Американского института бетона, президентом и владельцем европейской компании Primekss, специализирующейся на производстве армированного бетона SFRC и HPSFRC. Основное предприятие находится в Риге (Латвия), многочисленные дочерние компании расположены в странах Балтии и Скандинавии. Янис Ошлейс получил степень магистра делового администрирования в Стокгольмском экономическом университете (Рига) и степень бакалавра в Университете Латвии. Является членом группы Шведского института стандартизации SIS TK190/AG2, специализирующейся на разработке фибробетона.

Безусловно, если бы существовала возможность повсеместного изготовления прочного на растяжение бетона без укрепляющих арматурных стержней, в значительной степени увеличилась бы производительность бетонной смеси, благодаря чему скорость проведения строительных работ достигла бы уровня, которого требует двадцать первый век. В настоящее время устойчивость хрупких материалов, подверженных разрушению и разрывам можно повысить с помощью добавления прочных волокон. Так, в полимерной промышленности изготовление жестких легковесных композитных материалов происходит с помощью добавления стекловолокна к эпоксидной матрице. Несмотря на то, что в арсенале рабочих материалов производителей бетонной смеси на протяжении нескольких тысячелетий присутствовало укрепляющее волокно, на сегодняшний день его использование по масштабу не идет ни в какое сравнение с применением аналогичных волокон при изготовлении полимеркомпозитов. Однако следует отметить, что в последнее время в технологии производства композитного бетона некоторых европейских стран наблюдаются значительные улучшения, ведущие к широкому использованию прочного бетона, укрепленного стальными волокнами. Бетонная смесь данного типа используется для создания несущих конструкций, подверженных высоким нагрузкам, без традиционных арматурных стержней.

Первые испытания укрепленного бетона (SFRC)

Впервые бетон, укрепленный стальными волокнами, начал использоваться для изготовления несущих конструкций и перекрытий в начале 90-х гг. после проведения полномасштабных испытаний по его применению в г. Тернат (Бельгия). Во время испытаний использовалась бетонная плита толщиной 160 мм, содержащая 45 кг/м³ стальных конических волокон Twincone, диаметром 1 мм, длиной 54 мм, с прочностью на разрыв 1100 МПа [7]. Плита устанавливалась на свайный ростверк площадью 3,1 м × 3,1 м с поперечным сечением 210 мм × 210 мм [1]. Наверху каждой колонны устанавливались гидроподъемники. Точечная нагрузка прилагалась к центральной части внутренних и угловых перекрытий. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1:
Результаты испытаний (Плита из армированного стальными волокнами бетона (SFRC), толщина 160 мм, установлена на стальном ростверке площадью 3,1 м × 3,1 м)

Точка приложения нагрузки Максимальная рабочая нагрузка Удельная нагрузка при первом растрескивании Предельная нагрузка
Внутреннее перекрытие 75 кН от 110 до 220 кН 430 кН
Угловое перекрытие 50 кН 80 кН 180 кН

Начальное применение армированного бетона SFRC

Всемирно известная риэлтерская компания Prologis, занимающаяся промышленной недвижимостью, запланировала строительство нового арендованного складского помещения для хранения автомобильных запчастей недалеко от завода Volvo в Гётеборге (Швеция). Был выбран подходящий участок. Единственным недостатком оказалось наличие толстого слоя глины на поверхности почвы. Было установлено, что грунт на данном участке не подходит в качестве основы для фундамента промышленных полов вследствие возможной усадки. Согласно предварительным подсчетам удаление слоя глины такой толщины повлекло бы за собой немалые расходы. Поэтому было решено построить фундамент на сваях с достаточно устойчивой конструкцией, что требовало гораздо меньших затрат. Строительство опорных плит данного типа выполнялось за максимально короткий срок.

Среди основных преимуществ конструкции фундамента на сваях отмечалось высокая устойчивость, являющаяся незаменимым качеством промышленных полов в многоярусном складском помещении. Для сооружения самих плит был выбран бетон, армированный стальными волокнами (SFRC), поскольку, во-первых, изготовление плит из бетона SFRC не требует много времени, во-вторых, данный материал отличается особой прочностью и отлично подходит для производства плит с идеально ровной поверхностью. На фотографии показан процесс сооружения типичного фундамента на сваях из опорных плит в складском помещении компании Prologis, для изготовления которых применялся армированный стальными волокнами бетон (SFRC). Строительство выполняется специалистами компании Primekss. На фотографии 2 представлен внешний вид промышленного пола на свайном фундаменте, изготовленном для логистического центра в г. Норчёпинге (Швеция).

20130624115238

Рис. 1: Сооружение опорных плит из армированного бетона SFRC происходит за минимальный промежуток времени. Применение бетона данного типа предполагает использование лазерного правила. Сваи, поддерживающие плиту, видны на переднем плане.

20130624115255

Рис. 2: При проведении строительных работ надлежащим образом внешний вид полученного промышленного пола из армированного бетона SFRC является практически идентичным внешнему виду промышленных полов, выполненных на фундаменте стандартного типа.

Для сооружения промышленного пола в складском помещении компании Prologis использовалась опорная плита, армированная в двух направлениях без фундаментных балок, установленная на ростверке площадью 3,8 м × 3,8 м. На фотографии, отображающей процесс сооружения фундамента (рис. 1), видны головки свай, диаметром 600 мм. Бетон был укреплен с помощью извитого волокна длиной 60 мм, диаметром 1 мм, изготовленного из стали с прочностью на растяжение 1350 МПа. Как показано на фотографии, данный метод сооружения фундамента предполагает использование лазерного правила, что способствует высокой скорости проведения необходимых работ. Еще одним преимуществом применения оборудования данного типа является повышенная точность выполнения строительных операций, что в свою очередь способствует высокому качеству промышленных полов.

Свайный фундамент устанавливается на базовом уровне расположения свайных головок. Нередко грунт начинает оседать вследствие колебаний уровня грунтовых вод и других причин. Ввиду этого через некоторое время можно наблюдать щели шириной 50 мм между бетонными плитами промышленного пола и новым уровнем грунта. Было доказано, что опорные плиты, изготовленные из армированного бетона SFRC, являются настолько устойчивыми, что выдерживают высокую нагрузку в пределах пролетов между сваями на расстоянии до 6 м.

Дальнейшее использование армированного бетона

Если полы, изготовленные из армированного бетона SFRC являются настолько прочными, что выдерживают огромные нагрузки в местах пролетов между сваями без стандартной арматуры, возможно ли их сооружение с подъемом опорных плит на более высокие сваи в жилых домах и офисных зданиях, где нагрузки на пол не столь велики? Для ответа на данный вопрос в 2005 году металлургической компанией ArcelorMittal были проведены полномасштабные испытания в Люксембурге при поддержке Технического университета г. Ахена. Опорная плита была изготовлена из бетонной смеси, содержащей стальное извитое волокно длиной 50 мм, диаметром 1 мм в объеме 100 кг/м³ [2].
Впечатляющие результаты показали высокую эластичность высокотехнологичного бетона, армированного стальными волокнами (HPSFRC). Как показано на рисунке 3, бетонная плита толщиной 600 мм была установлена на сетке колонн с тремя пролетами в каждом направлении. Плита выдержала предельную точечную нагрузку 470 кН, приложенную гидравлическим подъемником в центральном перекрытии и 220 кН в угловом перекрытии. Для того чтобы сымитировать допустимую нормативную нагрузку от 3 до 6 кН/м³, специальные резервуары были наполнены водой. В результате высота прогиба составила 1/1200 длины перекрытия (менее 5 мм при длине пролета 6 м), эластичность опорной плиты не снизилась. При таких результатах стала очевидной возможность использовать опорные плиты из армированного стальными волокнами бетона при сооружении полов в промышленных помещениях, а также в жилых и офисных зданиях.

20130624115326 20130624115339

Рис. 3: При проведении полномасштабных испытаний была задействована плита толщиной 200 мм, изготовленная из бетонной смеси, содержащей стальные волокна длиной 50 мм, диаметром 1,3 мм: а) прибор для испытаний зафиксировал точечную нагрузку, приложенную к центру пролета; b) сетка трещин в верхней части плиты; c) сетка трещин в нижней части плиты (все параметры приведены в мм. 1дюйм = 25,4 мм (рис. 7, ссылка 5).

Наша компания Primekss установила первую плиту данного типа в частном доме одного из наших заказчиков. Длина пролета составляла 4 м, мы использовали плиту толщиной 160 мм, изготовленную из бетонной смеси с прочностью на растяжение 35 МПа, содержащей стальные извитые волокна в объеме 100 кг/м³, длиной 50 мм, диаметром 1,3 мм. Воодушевленные высокой эластичностью и эстетичным внешним видом полученного пола, мы продолжили производство бетонных плит данного типа. Сегодня подобные опорные плиты в огромных количествах используются в строительной отрасли Латвии. Подвесные плиты аналогичного типа применяются в Эстонии, Испании, Великобритании, Бельгии, Германии и других странах.

На фотографии 4 показан торгово-развлекательный центр Ditton в г. Даугавпилс (Латвия), при строительстве которого применялись бетонные опорные плиты данного типа. На фотографии 5 отображен процесс установки опорных плит. Для сооружения основания пола использовалась плита толщиной 250 мм, установленная на сетке колонн площадью 6 м × 6 м. Плита площадью 1024 м² была изготовлена из бетонной смеси с содержанием извитых стальных волокон в объеме 100 кг/м³, длиной 50 мм, диаметром 1,3 мм. На полную установку данной плиты потребовался всего 1 день! Установить плиту со стандартной конструкцией, требующей дополнительного сооружения арматурных стержней, за такой короткий срок было бы невозможно. При установке опорных плит из армированного бетона для промышленных полов мы не использовали дополнительного укрепления. При сооружении подвесных плит для установки в жилых и административных зданиях мы применили небольшое количество стальной арматуры для предотвращения прогрессирующего разрушения, что также позволило предохранить опорные колонны от форс-мажорного обрушения.

20130624115356

 

Рис. 4: Торгово-развлекательный центр в г. Даугавпилс (Латвия). Пол изготовлен из опорной плиты, армированной в двух направлениях, изготовленной из бетона HPSFRC, установленной на сетке из колонн площадью 6 м × 6 м.

20130624115416

Рис. 5: Плита толщиной 250 мм, площадью 1024 м², использованная для изготовления пола в торгово-развлекательном центре на рис., была полностью установлена в течение 1 дня. На переднем плане видна прочная арматура, примененная для дополнительного укрепления подвесной плиты.


Нами также было запланировано проведение испытаний данной опорной плиты на устойчивость к воздействию нагрузок. Под руководством Рижского технического университета мы создали нормативную нагрузку 4 кН/м², используя резервуары, наполненные водой, установленные наверху плит на всех трех этажах торгово-развлекательного центра. Максимальная высота прогиба составила 2,8 мм. Плита вернулась в исходное положение после снятия нагрузки, что подтвердило высокую эластичность используемой бетонной смеси.

Если, как было подтверждено многократными испытаниями, высокотехнологичный армированный бетон HPSFRC может использоваться при сооружении свайного фундамента и даже подвесных плит, возможность применения данного материала при строительстве других бетонных сооружений, требующих высокой прочности на растяжение (например, сплошных фундаментов для частных домов) не подлежит сомнению. Для сооружения сплошного фундамента небольшого частного дома требуется плита из армированного бетона толщиной 300 мм. Кроме того, плиты данного типа использовались нами при строительстве сплошного фундамента для девятиэтажного дома (рис. 6 и 7) на неустойчивом болотистом грунте в Риге (Латвия).

20130624115447

Рис. 6: Сооружение сплошного фундамента из армированного бетона для девятиэтажного здания (рис. 7).

2013062411555

Рис. 7: Девятиэтажное здание, построенное на неустойчивом болотистом грунте, для сооружения фундамента которого применялась плита, показанная на рис. 6.

Ограничения использования армированного бетона SFRC

Со временем в конструкциях из армированного бетона (SFRC) при достижении предельного состояния по несущей способности появляются линии разрушения. В связи с этим положительные свойства материала проявляются лучше всего в сооружениях, подверженных возникновению длинных линий разрушения (например, в бетонных опорных плитах). В то время как существующие изначально линии разрушения действуют в качестве стержня, появляющиеся линии разрушения в определенный момент поглощают энергию (по теории Йохансена) [3].

Конструкции с небольшим поперечным сечением не располагают площадью, достаточной для развития новых линий разрушения, что приводит к высокой концентрации напряжения вокруг одной линии и, как следствие, быстрой осадке и возможному обрушению. Поэтому в опорных колоннах образуется гораздо меньше линий разрушения по сравнению с плитами, армированными в двух направлениях [4]. Помимо этого, данные линии имеют гораздо меньшую длину. В бетонных плитах, армированных в двух направлениях, длина появляющейся трещины может достигать нескольких метров, что позволяет большому количеству стальных волокон концентрировать энергию и препятствовать разрушению. При увеличении нагрузки будут появляться новые линии разрушения (рис. 3) [5].

В процессе полномасштабного тестирования ровных, больших по площади плит обнаруживались многочисленные линии разрушения. При испытаниях, проведенных с маленькими призматическими образцами (с наличием насечек), наблюдались единичные линии разрушения. Невозможность появления нескольких трещин приводит к концентрации напряжения вокруг одной линии. Это стало причиной того, что опорные колонны, как правило, не изготавливаются из армированного бетона SFRC. Сооружение колонн с небольшим поперечным сечением возможно из бетонной смеси, укрепленной большим количеством стальных волокон меньшего размера.

Тестирование армированного бетона SFRC

При тестировании армированного бетона (SFRC) с использованием образцов призматической формы площадью 150 мм × 150 мм наблюдалось большое количество различных результатов в связи с неравномерным распределением волокон в бетонной смеси. В некоторых участках небольших по площади конструкций обнаруживалось меньшее количество волокон, которые, соответственно, обеспечивали меньшее сопротивление. В крупногабаритных сооружениях недостаток волокон в одних участках компенсируется большим количеством волокон в других. Так, в центральной части плиты, армированной в двух направлениях, большее количество волокон сконцентрировано на участке длиной 150 мм.

Предположим, что для испытаний мы разрежем плиту на полосы шириной 100 мм каждая. Мы увидим, что некоторые из полученных полос содержат большое количество волокон и являются достаточно прочными, в то время как в остальных образцах стальных волокон практически не обнаруживается. Безусловно, конструкция бетонных плит из армированного бетона не базируется на результатах данного теста, предназначенного для испытания сооружений, укрепленных традиционным способом. Для того чтобы результаты тестирования были точными, требуются образцы достаточно большого размера. Было отмечено, что при использовании крупногабаритных образцов для проведения полномасштабных испытаний полученные данные были приблизительно равны. Так, специалистами политехнического университета Монреаля были протестированы плиты из армированного бетона (SFRC) толщиной 150 мм и 200 мм диаметром 1,5 м и 2 м соответственно. Полученные результаты показали гораздо более высокую эластичность при изгибе, чем при тестировании небольших образцов призматической формы. Подобные испытания, проведенные представителями технического университета г. Брауншвейг, а также университета в Брюсселе, подтвердили данную закономерность [6].

В отличие от ненадежных результатов, полученных при тестировании небольших по площади образцов призматической формы, результаты двух полномасштабных испытаний крупногабаритных бетонных сооружений являются показательными и полностью подтверждают теорию линий разрушения. Вследствие этого, промышленные и расчетные организации должны делать выбор в пользу методов тестирования, которые предполагают исследование образцов реального размера. Однако в настоящее время многие строительные предприятия склоняются к проведению испытаний над небольшими по площади призматическими образцами, принимая во внимание в первую очередь более низкие затраты на выполнение тестирования. Подобный подход противоречит общепринятому принципу, согласно которому одной из основных целей проведения испытаний является получение максимально точных результатов и сведение к минимуму погрешностей при измерении.

Практические наработки и возникшие трудности при использовании бетона SFRC

Возникает закономерный вопрос: если армированный бетон SFRC обладает столь замечательными свойствами, почему он до сих пор не завоевал популярности в строительной отрасли многих регионов мира? Вероятно, ответ кроется в практических затруднениях при изготовлении данного материала, включающих незначительные сложности, которые могут возникнуть при распределении укрепляющих волокон в бетонной смеси, а также при попытке приведения всех характеристик бетона к требуемым стандартам. Требования к использованию армированного бетона SFRC являются гораздо более жесткими по сравнению со стандартами, которым должна соответствовать традиционная бетонная смесь. Необходимым является применение специальных технологий внедрения волокон в бетонную смесь, должны соблюдаться дополнительные меры предосторожности при укладке и хранении готового материала. Стандартные методы изготовления бетонной смеси могут оказаться неподходящими для производства армированного бетона.

Еще одна проблема заключается в добавлении нужного количества волокон для достижения положительного эффекта. Безусловно, технологические свойства традиционного бетона ухудшаются при добавлении укрепляющего волокна. В связи с этим требуется предварительное изготовление бетонной смеси при использовании специальных технологий. Большинство распространенных типов бетонной смеси не подходят для последующего армирования. При подборке правильных методов производства бетонная смесь может вмещать большое количество волокон и оставаться
высокотехнологичной (рис. 8).

При использовании неподходящих технологий и пропорций может наблюдаться выпадение волокон из готовой бетонной смеси. Проблема коррозии не возникает при полном внедрении стальных волокон. На фотографии 9 показан фундамент, выполненный из высокотехнологичного армированного бетона HPSFRC у Западной Двины, который используется в летний период в качестве яхтенного причала. После трехлетнего пребывания в пресной воде на поверхности фундамента коричневатые пятна, которые являются показателем коррозии стальных волокон, едва заметны, признаков разрушения не наблюдается.

.20130624115526

Рис. 8: Тип укрепляющих волокон для внедрения в бетонную смесь может быть практически любым. Основной задачей при выполнении армирования является определение нужного объема бетонной смеси, для того чтобы вместить достаточное количества волокон и сохранить технологичные свойства.


20130624115545

Рис.9: Фундаментные плиты из высокотехнологичного бетона HPSFRC у берега Западной Двины. Признаков коррозии и разрушения не наблюдается.

Методы проектирования

Внедрение укрепляющих волокон повышают эластичность бетонных плит и способствуют образованию необходимых линий разрушения. Согласно теории линий разрушений Йохансена, а также результатам полномасштабных испытаний характер изменения свойств бетонных плит может быть спрогнозирован. Расчеты необходимой толщины бетонных плит могут быть произведены заранее. Как правило, расчет толщины бетонных плит для сооружения свайного фундамента выполняется на основе отношения длины пролёта к высоте пролётного строения (15 к 25). Соотношение длины пролета к высоте строения подвесных плит равно 30.

Планы на будущее

Предварительные результаты испытаний с использованием стандартных промышленных плит из армированного бетона SFRC показали, что для их установки требуются ростверки высотой от 2,5 м до 6 м. В соответствии с полученными положительными результатами тестирования в Нидерландах и Бельгии промышленные полы стали сооружать на свайных фундаментах без применения дополнительной арматуры. В середине 90-х гг. было подсчитано, что общая площадь всех промышленных полов, выполненных из армированного бетона с добавлением высококачественных стальных волокон в объеме от 45 до 50 кг/м³, составила 5 000 000 м² [8]. На сегодняшний день суммарная площадь промышленных полов, изготовленных из бетона данного типа во многих странах мира, составляет более 10 000 000 м². Метод армирования бетонной смеси стальными волокнами в настоящий момент широко используется в Нидерландах, Бельгии, Великобритании, Дании, Канаде, Латвии и других регионах.

Я уверен, что в ближайшем будущем мы будем наблюдать использование армированного бетона SFRC в еще больших количествах. Оснащение бетонной смеси стальными волокнами позволяет нам не только повышать эффективность использования данного материала, но и увеличивать его прочность, что в свою очередь положительно влияет на продолжительность срока эксплуатации. Благодаря таким свойствам как экономичность, прочность и длительный срок службы вскоре армированный стальными волокнами бетон станет одним из наиболее распространенных материалов в строительной отрасли любого региона.

Литература:

1. Дестриэ, К., «Укрепление подвесных бетонных плит стальными волокнами» («Бетон», выпуск 35, № 8, сентябрь 2001 г., с. 58-59).
2. Дестриэ, К., «Стальные волокна как единственный метод укрепления подвесных плит перекрытий: результаты полномасштабных испытаний, примеры сооружений», (Международный семинар по высокотехнологичным фиброцементным композитным материалам в строительстве, г. Гонолулу, Гавайи, Дж. Фичер и В. К. Ли, под редакцией RILEM Publications SARL, май 2005 г, с. 287-294).
3. Йохансен, К. В., «Теория линий разрушения», Дж. Г. Форлаг, Копенгаген, август 1943, 191 с. (см. также «Теория линий разрушения» в переводе на англ., Лондон, 1962 г., 181 с.).
4. Мандл, Дж., «Плоское перекрытие из сталефибробетона – разработка, теория, практическое применение», VDI-reports, № 1970, VDI-society/ VDI-Wissensforum, IWB GmbH Дюссельдорф, 2007 г., с. 281-300.
5. Соранаком, К., Мобашер, Б., Дестриэ, К., «Численное моделирование на основе скрининговых тестов с использованием подвесных бетонных плит в натуральную величину», Эластичность и прочность армированного бетона и тонких несущих конструкций, SP-248, П. Х. Бишофф, Ф. Малхас, под редакцией Американского института бетонных материалов, Фрмингтон Хиллс, Мичиган, 2007 г., с. 31-40.
6. Мандл, Дж., «Плоские плиты из бетона, армированного стальными волокнами», Concrete Plant International, № 1, февраль 2008 г., с. 210-215.
7. SIA, «Рекомендации SIA 162/6, сталефибробетон (Рекомендации по применению армированного стальными волокнами бетона)», Schweizerischer Ingenieur- und
Architekten-Verein, 1990 г., 20 с.
8. Дестриэ, К., «Стальные волокна как основное средство укрепления бетонной смеси – примеры конструкций», Fibre Reinforced Concrete (FRC)BEFIB’ 2000, Лион, Франция, RILEM PRO 015, под редакцией П. Росси и Г. Чанвиллар, 2000 г., с. 328-337.

Ознакомиться с результатами нашей работы по устройству бетонных полов можно в разделах новости и объекты.

Если Вас заинтересовала система устройства бесшовных промышленных бетонных полов, Вы можете посмотреть презентацию PrimeComposite.

Новости              Объекты               Контакты
Бетонные полы – технология      Бетонные полы – цена     Бетонные полы – работа