Результаты экспериментальных исследований облегченных монолитных плит перекрытий с комбинированным армированием

В строительной практике применение облегченных конструкций становится все более популярным [1]. Облегченная монолитная плита с вкладышами в мировой практике показала свое развитие, перспективу, а также преимущества этой конструкции [2].

Еще в начале 90-х годов профессор В.С. Шмуклер предложил использовать захоро-няемые вкладыши из переработанного пенополистирола для снижения расхода материалов для различных железобетонных элементов из тяжелых и легких бетонов [3, 4].

В зарубежных странах такие технологии, как Airdeck, Bubble Deck, Cobiax, Монофант, широко используются при возведении современных зданий [5, 6].

Технология Airdeck – облегченная плита производится на заводах с использованием полипропиленовых коробок (шаг 300 мм). Сечение заглубленных вкладышей составляет 200 х 200 мм, высота варьируется от 120 до 350 мм [7].

Технология Bubble Deck – пластиковые шарики в форме сферы или эллипса расположены между нижней и верхней армирующей сеткой. Размеры шариков выбираются в соответствии с размерами ячеек продольного и поперечного арматурных стержней с учетом толщины плиты таким образом, чтобы шарики жестко фиксировались с помощью армирующих сеток и в то же время обеспечивали нормальные защитные слои бетона [8].

Технология Cobiax – включаются в процессе возведения зданий на строительной площадке. Однако они также могут изготавливаться промышленным способом как полностью сборные элементы или в комбинации со сборными элементами. Для плиты толщиной 200–350 мм применяются вкладыши в виде эллипса, а для плит 300– 600 мм – в виде сферы [5, 9].

Технология «Монофант» – широкое применение получила на Украине. В настоящее время применяют пенополистирольные блоки в виде вкладыша. Бетонная смесь наносится методом торкретирования, что позволяет ускорить процесс строительства. Особенностью предлагаемой системы является использование произвольной (нерегулярной) сетки колонн, различных легких материалов для вставок с целью значительного снижения собственного веса конструкции, а также сложность конфигурации в плане [10].

Все перечисленные способы устройства облегченных железобетонных монолитных плит значительно уменьшают расход материалов без потери прочностных характеристик конструкции. Благодаря таким способам в монолитных плитах можно сэкономить до 40 % материалов, что заметно уменьшает себестоимость монолитных плит перекрытия в целом.

Нынешнее строительство направлено на повышение эффективности строительного производства, экономное использование материальных ресурсов, применение новых перспективных мате- риалов, в том числе изготовленных с использованием нанотехнологий [11].

Поэтому цель нашей работы – представить альтернативный вариант облегчённых монолитных перекрытий и покрытий с комбинированным армированием (по краям плиты применялась стальная арматура, а по центру – стеклопластиковая, в качестве вкладыша использовали арболитовые блоки), а также выявить их особенности и основные требования к эксплуатации.

Методика исследования

С целью выявления особенности облегчённых монолитных плит с комбинированным армированием были изготовлены три серии образца. Комбинированное армирование – двойное армирование бетонных элементов [12, 13], у которых крайняя арматура плиты выполнена из арматурных сталей, а в середине плиты – из композитной арматуры. Композитная арматура обладает преимуществами высокой прочности, легкого веса и отличной коррозионной стойкости. Поэтому ее предлагают в качестве альтернативы стальной арматуре [6, 13–15]. Кроме того, для снижения собственного веса и уменьшения расхода материалов применяли арбалитовые блоки в качестве вкладыша облегчённых плит. Арболит – легкий бетон на цементном вяжущем, органических заполнителях и химических добавках, в том числе регулирующих пористость [16]. Также он известен как древобетон.

Первый образец для сравнения с другими об- разцами, армированными композитной арматурой, был полностью изготовлен из стальной арматуры различного диаметра.

Рассматриваемая облегченная плита имеет следующие характеристики и геометрические размеры (рис. 1): пролет l = 2260 мм, ширина b = 1660 мм, толщина h = 100 мм. Класс бетона В25 замешался бетономешалкой. При испытании бетонных образцов класс бетона подтвердился. Ячеистый блок 400 x 200 x 100. Арматуры As = 2,01 см²(408), As = 0,86 см² (3∅6), As = 1,57 см² (2∅10), As = 2,26 см²(2∅12).

Второй и третий образцы изготовлены с использованием комбинированного армирования, т. е. по краям длинной стороны As = 1,57 см2 (2∅10), в направлении короткого борта As = 2,26 см2 (2∅12) стальная арматура, а по центру композитная арматура Rs = 1300 МПа (7∅8) (рис. 2).

Линейные перемещения пролетных сечений плиты фиксировались прогибомерами ПМ-0,1 с ценой деления 0,1 мм, деформации удлинения или укорочения в пролетных сечениях зоны бетона – механическими индикаторами часового типа ИЧ-10 с ценой деления 0,01 мм. Ширина раскрытия трещин на уровне центра тяжести растянутой арматуры – микроскопом Бриннеля МПБ-2 с 25-кратным увеличением. Расстановка приборов показана на рис. 3.

Загружение облегченной плиты осуществлялось по этапам. После каждого этапа нагружения

Рис. 1. Первый образец облегченной плиты, армированной стальной арматурой: 1 – As = 4 ∅ 8; 2 – As = 3 ∅ 6; 3 – As = 2 ∅ 10; 4 – As = 2 ∅ 12; 5 – ребро жесткости

Строительные конструкции, здания и сооружения

Рис. 2. Второй и третий образцы облегченной плиты, армированной композитной арматурой: 1 – АСП = 4 ∅ 8; 2 – АСП = 3 ∅ 6; 3 – As = 2 ∅ 10; 4 –As = 2 ∅ 12; 5 – ребро жесткости; АСП – арматура стеклопластиковая композитная

Рис. 3. Расстановка приборов на экспериментальной плите при испытании

делалась выдержка не менее 30 минут. Перед за-гружением и в конце выдержки снимали показания по приборам. Испытания плиты проводились до ее полного разрушения.

Результаты исследования и их анализ

Процесс испытания и оценка их результатов проводились в соответствии с нормативным документом [17]. В результате экспериментальных испытаний нами были получены зависимости прогибов, деформации удлинения и укорочения в про- летных сечениях, момент появления трещин и ширина раскрытия трещин от действия равномерно-распределенных нагрузок. Результаты испытаний стальной и композитных плит представлено на рис. 4.

Характеры разрушения

Первый образец, как указано выше, изготовлен полностью из стальных арматур для сравнения со стеклопластиковыми арматурами. Испытания осуществлялись в 23 этапа загружения. Разру-

П1     П2     П3     П4     П5

П1     П2     П3     П4     П5

а)

б)

Нагрузка, кг/м2

в)

Рис. 4. График зависимости прогиба от действия равномерно-распределенных нагрузок: а – первая серия, б – вторая серия, в – третья серия шающая нагрузка от действия равномерно-распределённых нагрузок составляла 5286 кг/м2. Максимальный прогиб 41,6 мм в П5. Момент появления трещин и их раскрытие фиксировался на 6-м этапе загружения, ширина раскрытия 0,05 мм. Ширина раскрытия трещин определялась на уровне центра тяжести растянутой арматуры в пролетных сечениях плиты. На 22-м этапе ширина раскрытия трещин составляла 2,5 мм. График зависимости прогибов представлен на рис. 4а.

Второй образец был комбинирован со стеклопластиковой арматурой. Как известно, стеклопластиковая арматура имеет значительно низкий модуль упругости, что приводит к большему прогибу элементов конструкций и большему количеству трещин в отличие от стальной, и можно ожидать резких разрушений при использовании в конструкциях [18–20]. Однако у нас она работала пластично, трещины в отличие от первого образца были меньше и резких разрушений не обнаруживалось. Испытания проводились в 15 этапов. Разрушающая нагрузка составлял 4739 кг/м2. Максимальный прогиб 72,1 мм в П5. Была обнаружена усадочная трещина по боком облегченной плиты, но никаких негативных последствий от ее наличия не наблюдалось. Ширина раскрытия трещин на 15-м этапе равнялась 2,5 мм. График зависимости прогибов представлен на рис. 4б.

Графики деформации удлинения и укорочения в пролетных сечениях показаны на рис. 5. Значительные перемещения показала группа индикаторов ИЧ1, ИЧ2, ИЧ5 и ИЧ6, установленных по краям длинной стороны облегченной плиты. Остальные индикаторы показали незначительные перемещения.

Третий образец также комбинирован со стеклопластиковым. Усадочная трещина не наблюдалась. Испытания длилось намного меньше остальных до 13 этапов. Разрушающая нагрузка составляла 4875 кг/м2. Максимальный прогиб 82 мм в П5. Ширина раскрытия трещин на 13-м этапе равнялась 3,2 мм. График зависимости прогибов представлен на рис. 4в.

В результате исследования облегченных монолитных плит перекрытия со стальным и комбинированным армированием решены следующие задачи: представлен альтернативный вариант облегчённых монолитных перекрытий и покрытий со стальным и комбинированным армированием; определены размеры и расчетные схемы облегченных монолитных плит со стальным и комбинированным армированием, разработана информационная схема эксперимента.

Строительные конструкции, здания и сооружения

^^^^^™ИЧ1 ^^^^^™ИЧ3 ^^^^^™ИЧ5 ^^^^^™ИЧ7

•:     ИЧ2 ^^^^^^е ИЧ4 ^^^^^^е ИЧ6       ИЧ8

а)

б)

Рис. 5. Деформация удлинения и укорочения для второго образца: а – деформация укорочения, б – деформация удлинения

^^^^^еИЧ1       ИЧ3 ^^^^^■i ИЧ5 с     ИЧ7

ИЧ2 С     ИЧ4 ^^^^^■i ИЧ6 ^^^^^w ИЧ8

а)

б)

Рис. 6. Деформация удлинения и укорочения для третьего образца: а – деформация укорочения, б – деформация удлинения

Выводы

По результатам исследований представленного варианта облегчённых монолитных перекрытий и покрытий со стальным и комбинированным армированием можно сделать следующие выводы:

• •    значительно уменьшаются затраты строительных ресурсов;

• •    конструкция удовлетворяет требованиям по жесткости;

• •    применение легкого бетона (арбалитовый блок) уменьшает массу перекрытия и повышает его изоляционные свойства по сравнению с полнотелыми плитами.